了解 PBR 渲染

基于物理的渲染 （Physically-Based Rendering，PBR）

• 是指 使用基于 物理原理 和 微表面平面理论建模着色（光照）模型 以及 现实中测量的表面参数 来准确表示真实世界材质 的渲染理念

对 PBR 的基础理念概念包括：

• 微平面理论（Microfacet Theory）
  • 是一种将微观几何（microgeometry）建模为微平面（microfacets）的集合的思想
  • 在实际的 PBR 工作流中 ，这种物体表面的不规则性用 粗糙度贴图 或 高光度贴图 来表示
• 能量守恒 （Energy Conservation）
  • 出射光线的能量 永远不能超过入射能量。
  • 随着 粗糙度上升 镜面反射区域的面积会增加，作为平衡，镜面反射区域的平均亮度则会下降。
• 菲涅尔反射 （Fresnel Reflectance）
  • 光线以不同角度入射 会有不同的反射率。
  • 相同的入射角度，不同的物质也会有不同的反射率。万物皆有菲涅尔反射。
  • F0 即 0度角 入射的菲涅尔反射值。大多数非金属的 F0 范围是 0.02~0.04 , 大多数 金属 的 F0 范围是 0.7~1.0
• 线性空间 （Linear Space）
  • 光照计算 必须在线性空间完成。
  • shader 中输入的 gamma空间 的贴图需要被转成线性空间（比如漫反射贴图）。在具体操作时，需要依据不同引擎 和 渲染器的不同 做不同的操作。
  • 描述物体表面属性的贴图，如粗糙度贴图、高光贴图、金属贴图... 必须保证是线性空间
• 色调映射 （Tone Mapping）：也称 色调复制（Tone reproduce）
  • 是将 宽范围的照明级别 拟合到 屏幕有限色域内 的过程。
  • 因为 基于 HDR 渲染出来的亮度值 会超出 显示器能够显示的最大亮度 所以 需要色调映射，将光照结果 从 HDR 转换为 显示器能正常显示的 LDR
• 物质的光学特性 （Substance Optical Properties）
  • 现实世界不同类型的物质可分为 三大类：
    • 绝缘体（Insulators）
    • 半导体（semi-conductors）
    • 导体（conductors）
  • 在渲染 和游戏领域 ，我们只对 导体（金属）和 绝缘体（电解质，非金属）感兴趣。
  • 其中非金属具有 单色/灰色镜面反射颜色。而金属 具有彩色的镜面反色颜色。
    • 即 非金属 F0 是一个 float 。而金属的 F0 是一个 float3 ，如下图：金属 和非金属材质 F0 范围（F0 是 0度入射角的菲涅尔反射值）
      • float、float2 、float3 ：它们是shader 中 常用的数据类型，表示 1维 、2维 、3维 的浮点数向量。
        • float2表示一个二维向量，包含两个浮点数值，通常用于表示2D纹理坐标、UV坐标等
        • float3表示一个三维向量，包含三个浮点数值，通常用于表示3D空间中的位置、方向，颜色等
    • 

PBR 的范畴（Scope of PBR）

基于物理的渲染（PBR）的范畴，由三部分组成：

• 基于物理的材质（Material）
• 基于物理的光照（Lighting）
• 基于物理适配的摄像机（Camera）完整的这三者，才是真正完整的基于物理的渲染系统。

BxDF

BxDF一般是对BRDF、BTDF、BSDF、BSSRDF等几种双向分布函数的一个统一的表示。

BRDF最为简单，也最为常用。因为游戏和电影中的大多数物体都是不透明的，用BRDF就完全足够。

BSDF、BTDF、BSSRDF往往更多用于半透明材质和次表面散射材质。

迪士尼原则的 BxDF

迪士尼的理念是开发一种“原则性”的易用模型，而不是严格的物理模型。

迪士尼提出的 着色模型是艺术导向（Art Directable）的，而不一定要是完全物理正确（physically correct）

正因为这种艺术导向的易用性，能让美术同学用非常直观的少量参数，以及非常标准化的工作流，就能快速实现涉及大量不同材质的真实感的渲染工作。

迪士尼原则的BRDF（Disney Principled BRDF）核心理念如下：

1. 应使用直观的参数，而不是物理类的晦涩参数。
2. 参数应尽可能少。
3. 参数在其合理范围内应该为0到1。
4. 允许参数在有意义时超出正常的合理范围。
5. 所有参数组合应尽可能健壮和合理。 以上五条原则，很好地保证了迪士尼原则的BRDF的易用性。

迪士尼原则的 BRDF 参数

• baseColor（基础色）：表面颜色，通常由纹理贴图提供。
• subsurface（次表面）：使用次表面近似控制漫反射形状。
• metallic（金属度）：金属（0 =电介质，1=金属）。这是两种不同模型之间的线性混合。金属模型没有漫反射成分，并且还具有等于基础色的着色入射镜面反射。
• specular（镜面反射强度）：入射镜面反射量。用于取代折射率。
• specularTint（镜面反射颜色）：对美术控制的让步，用于对基础色（base color）的入射镜面反射进行颜色控制。掠射镜面反射仍然是非彩色的。
• roughness（粗糙度）：表面粗糙度，控制漫反射和镜面反射。
• anisotropic（各向异性强度）：各向异性程度。用于控制镜面反射高光的纵横比。（0 =各向同性，1 =最大各向异性）
• sheen（光泽度）：一种额外的掠射分量（grazing component），主要用于布料。
• sheenTint（光泽颜色）：对sheen（光泽度）的颜色控制。
• clearcoat（清漆强度）：有特殊用途的第二个镜面波瓣（specular lobe）。
• clearcoatGloss（清漆光泽度）：控制透明涂层光泽度，0 =“缎面（satin）”外观，1 =“光泽（gloss）”外观。

每个参数的效果的渲染示例如下图所示。下图 Disney Principled BRDF。 每行的参数从0到1变化，其他参数保持不变 BRDF多用于不透明材质。

迪士尼原则的 BSDF

迪士尼动画工作室在Disney Principled BRDF的基础上进行了修订，提出了Disney Principled BSDF

BSDF 多用于 半透明材质和次表面散射材质