4. 材料光学属性：反射率、透射率、吸收率、BRDF、BSDF、表面粗糙度与散射
做照明仿真这么多年，我越来越觉得一个道理：灯光本身只是半条命，另一半在材料上。你想想看，同样的 LED 灯带，打在磨砂白墙上和打在镜面黑玻璃上，效果天差地别。这背后的核心，就是材料的光学属性。
这一章，咱们就把这些属性掰开揉碎了讲清楚。反射率、透射率、吸收率，这是最基础的三个数。BRDF、BSDF，这是描述光怎么“弹”和“穿”的函数。表面粗糙度，则是决定一切真实感的开关。
4.1 三大基础比率：能量守恒的基石
光打到材料表面，无非三种结局：被弹回去（反射）、穿过去（透射）、被吃掉（吸收）。这三者的能量总和，永远是 100%。这叫能量守恒，是仿真软件的底层铁律。
| 属性 | 符号 | 定义 | 典型值（白漆） |
|---|---|---|---|
| 反射率 | ρ | 反射光通量 / 入射光通量 | 0.80 ~ 0.90 |
| 透射率 | τ | 透射光通量 / 入射光通量 | 0.00 |
| 吸收率 | α | 吸收光通量 / 入射光通量 | 0.10 ~ 0.20 |
核心公式： ρ + τ + α = 1.0
任何材料在仿真软件里都必须满足这个等式。如果不满足，软件会自动归一化，或者直接报错。
我个人习惯，拿到一个新材料，先看这三个数。比如一块 3mm 厚的超白玻璃，透射率大概 0.91，反射率 0.08，吸收率 0.01。加起来正好是 1。如果供应商给的数据加起来是 1.05，那肯定有问题，要么测量误差，要么把表面反射算了两次。
小技巧： 在 Dialux 或 Relux 里调材料时，如果只给了反射率，软件通常会默认吸收率 = 1 - 反射率，透射率 = 0。对于不透明材料，这没问题。但半透明材料一定要手动检查透射率。
4.2 BRDF：光是怎么“弹”回来的
BRDF，全称 Bidirectional Reflectance Distribution Function，双向反射分布函数。名字很吓人，说白了就是描述一束光从某个方向打过来，会往哪些方向反射出去，每个方向反射多少。
为什么叫“双向”？因为它有两个方向变量：入射方向（ωi）和出射方向（ωr）。函数值 fr(ωi, ωr) 表示反射光的亮度分布。
我在项目中遇到过最典型的例子：汽车内饰的仪表盘。白天开车，阳光从挡风玻璃射进来，如果仪表盘表面 BRDF 没调好，反射光会直射驾驶员眼睛，造成眩光。那时候我们反复调整表面涂层的粗糙度参数，才把反射峰值移开视线方向。
4.2.1 理想反射 vs 真实反射
- 理想镜面反射： 入射角 = 出射角，光只往一个方向走。BRDF 是一个狄拉克 delta 函数。现实中只有完美抛光镜面接近这个状态。
- 理想漫反射： 光往所有方向均匀反射。BRDF 是一个常数。朗伯体就是这种，比如硫酸钡白板。
- 真实材料： 既有镜面峰，又有漫反射基底。比如塑料、油漆、石材。BRDF 是两者的混合。
避坑指南： 我曾经在仿真一个展厅时，把所有墙面都设成了理想漫反射（朗伯体）。结果算出来的照度均匀度非常完美，但实际建好后，墙面有微弱的光泽，导致局部出现亮斑。后来我改用实测的 BRDF 数据，才把仿真校准到 95% 以上吻合度。
记住：真实世界没有绝对的朗伯体。除非是特殊标准板，否则别偷懒用理想漫反射。
4.3 BSDF：加上透射，才是完整故事
BRDF 只处理反射。如果材料是半透明的（比如磨砂玻璃、灯罩、薄膜），光还会穿过去。这时候就需要 BSDF——Bidirectional Scattering Distribution Function，双向散射分布函数。
BSDF = BRDF（反射部分）+ BTDF（透射部分）。BTDF 就是 Bidirectional Transmittance Distribution Function。
你想想看，一块磨砂玻璃。从正面看，它有点模糊；从侧面看，它透光但看不清对面。这就是 BSDF 在起作用。入射光在玻璃内部被微颗粒散射，出射方向变得杂乱。
4.3.1 BSDF 的三种典型模式
| 模式 | 描述 | 常见材料 |
|---|---|---|
| 纯镜面透射 | 光直线穿过，方向不变 | 透明平板玻璃 |
| 定向散射透射 | 光主要沿原方向，但有轻微扩散 | 磨砂玻璃、薄纱 |
| 均匀漫透射 | 光向所有方向均匀透射 | 乳白亚克力、灯罩 |
仿真中的关键： 在 LightTools 或 TracePro 里设置 BSDF 时，通常需要导入实测的散射数据文件（.bsdf 格式）。如果没有实测数据，可以用 Harvey-Shack 模型或 ABg 模型来近似。我个人习惯用 ABg 模型，参数少，调起来快。
4.4 表面粗糙度：决定一切真实感的“开关”
为什么同样是不锈钢，拉丝面和镜面反射效果完全不同？答案就是表面粗糙度。粗糙度决定了微观表面的起伏程度，进而决定了反射光的扩散程度。
在仿真软件里，粗糙度通常用两个参数描述：
- Ra（算术平均粗糙度）： 表面轮廓偏离平均线的绝对值的平均。单位 μm。
- Rq（均方根粗糙度）： 表面轮廓偏离平均线的均方根值。单位 μm。Rq 对尖峰更敏感。
我记得有一次做博物馆照明仿真，展柜里的金器需要表现出那种“温润的金属光泽”。一开始我用默认的镜面材质，结果仿真图里金器亮得像镜子，完全不像文物。后来我把表面粗糙度从 0.01μm 调到 0.5μm，再配合微弱的漫反射层，效果一下子就对了。
4.4.1 粗糙度与散射模型的关系
粗糙度直接影响 BRDF 的形状。表面越光滑，BRDF 的镜面峰越尖锐；表面越粗糙，镜面峰越扁平，最终退化为漫反射。
常用的粗糙度-散射模型有：
- Cook-Torrance 模型： 基于微面元理论，适合金属和塑料。参数包括粗糙度、折射率、菲涅尔项。
- Oren-Nayar 模型： 适合粗糙漫反射表面，比如石膏、混凝土。
- Ward 模型： 各向异性版本，适合拉丝金属、CD 盘面。
我的经验： 在照明仿真中，不要盲目追求高精度 BRDF 模型。对于大多数建筑照明场景，用 Phong 模型或 Blinn-Phong 模型就足够了。只有在做车灯、光学镜头等高精度设计时，才需要上 Cook-Torrance 或实测 BSDF。
4.5 知识体系总览
下面这张图，把本章的核心概念串起来了。你可以把它当作一个快速索引。
4.6 实战中的参数设置建议
说了这么多理论，最后给点实在的。下面这张表是我自己总结的常见材料参数参考值，你可以直接拿去用。
| 材料 | 反射率 ρ | 透射率 τ | 粗糙度 Rq (μm) | BRDF 模型建议 |
|---|---|---|---|---|
| 白色乳胶漆墙面 | 0.82 | 0.00 | 2.0 ~ 5.0 | Oren-Nayar |
| 镜面不锈钢 | 0.60 | 0.00 | 0.01 ~ 0.05 | Cook-Torrance |
| 磨砂不锈钢 | 0.55 | 0.00 | 0.5 ~ 1.5 | Cook-Torrance |
| 3mm 超白玻璃 | 0.08 | 0.91 | 0.005 | BSDF (镜面透射) |
| 磨砂玻璃 | 0.10 | 0.85 | 0.5 ~ 2.0 | BSDF (定向散射) |
| 乳白亚克力灯罩 | 0.30 | 0.60 | 3.0 ~ 8.0 | BSDF (均匀漫透射) |
| 黑色哑光塑料 | 0.05 | 0.00 | 1.0 ~ 3.0 | Phong |
重要提醒： 上表中的数值是典型参考值，实际项目一定要以供应商提供的实测数据为准。尤其是透射率，不同厚度、不同工艺的玻璃或亚克力，透射率可能差 10% 以上。我曾经因为用了默认的玻璃透射率 0.92，结果实际装上去只有 0.85，导致展厅照度低了 8%，最后不得不加灯。
嗯，材料光学属性这部分，说到底就是三个字：守恒、分布、粗糙度。把这三个点抓住了，大部分照明仿真场景你都能搞定。下次遇到奇怪的光效，先别急着调灯光，回头看看材料参数——八成是那里出了问题。