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Answer 1

肖光军，都是我编的

这是个很适合用计算机来模拟的问题；

首先，我们回顾一下，光的入射角和反射角相等，在图形学中是怎么计算的；

假设法线是 N，则我们可以先计算入射光 inRay 到法线 N 的投影长度 dot(inRay, N)，然后再减去两倍法线投影长度的向量，就能得到反射光 outRay；

可以注意到这个算法是很简洁优雅的，且适用于任意 N 维向量（N >= 2），写成代码如下：

// 求镜面反射向量
vec3 GetReflectionRay(in vec3 inRay, in vec3 N)
{
	float iDotN = dot(inRay, N);
	return inRay - N * iDotN * 2.0;
}

那么如果入射角和反射角互余，该如何计算呢？

从图中我们可以看到，只要将入射光 inRay，沿着它与法线 N 组成的平面，往法线方向旋转 90° 角即可；

正好之前研究过简易的向量旋转计算，简略描述一下；

游戏开发过程中，经常会需要计算一个向量朝指定方向旋转给定角度；
通常这类需求需要每帧计算，UE 本身没有提供可直接调用的接口，转成 FRotator 调用 UKismetMathLibrary::RLerp 未免开销太大，且仍需要知道当前距目标方向的夹角（众所周知 ACos 比 Cos 开销大得多）；
所以写了一个算法，直接计算旋转所需角度后的向量，尽可能减少计算开销，且可扩展到任意 N 维向量，原理如下：
将向量 A 往向量 B 插值，核心是计算 lerp(DirA，DirB，t) 中的 t 值，使其正好满足旋转的角度，通过相似三角形可以计算出插值后的 x 值，然后归一化就可作为返回结果 ResDir 了；
当然，这种计算是基于插值的，所以当两个向量正好反向（平角）时是无法计算的，数学上体现在分母为 0；
此时也无法确定要朝哪个方向旋转，二维上要考虑是顺时针还是逆时针，三维及更高维度则有无数个旋转平面，所以需要引入其他的方向参数，但在此只做简单计算不予考虑，可自行额外扩展方法。

写成代码的话如下：

// 将向量 A 朝向量 B 旋转 theta 弧度
bool RotateVectorByRadian(in vec3 DirA, in vec3 DirB, float Theta, out vec3 ResDir)
{
	ResDir = vec3(0);

	float dotV = dot(DirA, DirB); // 求点积值
	if (dotV <= -1.0f) { return false; } // A、B 为平角，非法

	float cosT = cos(Theta), sinT = sin(Theta);
	if (dotV >= cosT || dotV >= 1.0f) // 旋转的角度更大，或 A、B 同向，直接返回 B 的单位方向
	{
		ResDir = DirB;
		return true;
	}

	float m = 1.0f / (dotV - 1.0f);
	float k = sqrt(1.0f - dotV * dotV) * m;
	float x = cosT * k / (cosT * k - sinT);
	float resT = (x - 1.0f) * m;

	ResDir = normalize(DirA + (DirB - DirA) * resT);
	return true;
}

计算会比原本的反射要复杂一点，但好在也算简洁，且也可以拓展到 N 维向量；

其“平角无法计算”的特性也完美满足题目“除了垂直入射光被吸收外不违反光路可逆”的要求，则此时我们的反射代码如下：

// 求镜面反射向量
vec3 GetReflectionRay(in vec3 inRay, in vec3 N)
{
	/*float iDotN = dot(inRay, N);
	return inRay - N * iDotN * 2.0;*/

	vec3 res;
	RotateVectorByRadian(inRay, N, PI * 0.5, res);
	return res;
}

替换了反射光的计算代码后，就可以直接渲染图片了；

但在这里先提一下，反射除了镜面反射外，还有漫反射，在计算机渲染中，一般是将漫反射当做粗糙平面，即法线并不总是垂直向外的，会将法线随机扰乱后，再来计算反射光线；

所以我们修改反射光的计算，可以同时应用在镜面反射和漫反射上！

下面是一个经典的方盒子渲染图，正常光线版；