概述
反射、折射，在实现水面、玻璃等效果的时候，都多多少少会用到一些。本文主要简单介绍一些实现反射和折射的知识。使用天空盒来代表环境的信息。
一、简单的反射
反射，表现为物体反射它周围的环境。根据观察者的视角，反射会影响到物体本身的颜色表现。镜子就是一个反射性物体，它会根据观察者的视角反射它周围的环境。
在中学的物理课中，应该就学习过入射角、反射角等概念。反射的原理并不难，只是根据视角方向、法线方向，计算出反射方向，用来采样立方体贴图（此处是天空盒）。下图简单描述了这个过程：
已知视角方向viewDir、法线方向normal，现在要求的是反射方向reflectDir。这里，有一个内置函数reflect可以得到反射方向。注意上图，视角方向viewDir是从相机指向物体的。但是很多时候，我们计算得到的视角方向都是从物体指向相机的，这时候，使用reflect函数的话，需要对视角方向取反。
获得了反射方向后，就可以使用反射方向对立方体贴图采样，得到反射的环境信息。这一步没什么特别要介绍的，只是使用内置的SAMPLE_TEXTURECUBE函数采样立方体贴图。最后会得到如下的效果：
二、光照计算与反射
上面得到了简单的反射效果，最后物体表现的完全是环境的信息。现在，我们想让体现一部分物体本身的信息。
主要的思路大概是：先计算环境光照、物体的漫反射颜色，得到物体的本身的颜色；然后计算反射环境的颜色。在二者之间做一个插值，这样，既可以体现物体本身的颜色，又可以体现反射的环境颜色。
三、简单的折射
折射，与反射的原理比较相似。折射是光线由于传播介质的改变而产生的方向变化。在常见的类水表面上所产生的现象就是折射，光线不是直直地传播，而是弯曲了一点。比如将筷子插进水里面，看起来水下面的筷子好像弯了。
当给定入射方向时，我们可以根据斯涅耳定律（Snell's Law）来计算折射角，当光从介质1沿着和表面法线夹角为\(\theta_1\)的方向斜射入介质2时，我们可以使用如下公式计算折射光线与法线的夹角\(\theta_2\)： \[ \eta_1 sin\theta_1 = \eta_2 sin\theta_2 \] 其中\(\eta_1\)和\(\eta_2\)分别是两种介质的折射率。下图简单描述了这种关系：
方便的是，Unity内置的函数refract可以帮助我们计算得到折射的方向。
有了折射方向后，就可以像计算反射一样计算折射了。
四、菲涅尔反射
在上面第二部分，只是简单地在物体本身颜色和环境的反射颜色之间进行插值。但其实为了得到更好的效果，我们一般会使用菲涅尔反射（Fresnel reflection）来根据视角方向控制反射的程度。
我们一般使用菲涅尔等式来计算菲涅尔反射，菲涅尔等式一般是近似公式，其中一个著名的近似公式就是Schlick菲涅尔近似等式： \[ F_{schlick}(v,n)=F_0+(1-F_0)(1-v\cdot n)^5 \] 其中，\(F_0\)是一个反射系数，用来控制菲涅尔反射的强度；\(v\)是视角方向；\(n\)是法线方向。
根据计算的数值，就可以在物体本身的颜色和反射的环境颜色之间进行插值了。
五、总结
本篇文章，没有什么比较复杂的知识，只是简单介绍了反射、折射、菲涅尔方程等内容，用一个简单的过程来对相应的效果产生一个比较直观的印象。
参考
- [1] 立方体贴图
- [2] 《Unity Shader入门精要》第10章