PBR渲染介紹

來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng) | 責(zé)任編輯：傳說(shuō)的落葉 | 發(fā)布時(shí)間： 2018-09-19 11:36 | 瀏覽量：

PBR全稱(Physicallly-Based Rendering)?；\統(tǒng)的說(shuō)，就字面含義可以看出，這是一種基于物理規(guī)律模擬的一種渲染技術(shù)。最早用于電影的照片級(jí)真實(shí)的渲染。近幾年由于硬件性能的不斷提高，已經(jīng)大量運(yùn)用于PC游戲與主機(jī)游戲的實(shí)時(shí)渲染。幾款著名的3D引擎均有了各自的實(shí)現(xiàn)(UnrealEngine 4, CryEngine 3, Unity 3D 5)。此外目前國(guó)外的一款HTML5 3D引擎(PlayCanvas) 也已使用了PBR，并且在iPhone5s的手機(jī)瀏覽器中可以流暢播放。

本文雖然是介紹渲染技術(shù)的，但不是工程師向的，所以不會(huì)涉及到任何的高等數(shù)學(xué)公式與程序代碼：

如下是PBR的實(shí)際應(yīng)用案例，PBR可以達(dá)到什么樣的效果:

HTML5引擎Demo

基于PBR的電影級(jí)渲染器Arnold

Arnold渲染器是一款高級(jí)的、跨平臺(tái)的渲染API，是基于物理算法的電影級(jí)別渲染引擎。近期使用了Arnold的一些電影有：地心引力，饑餓游戲（系列），復(fù)仇者聯(lián)盟（系列），精靈旅社（系列），碟中諜4，X戰(zhàn)警（系列），源代碼。

PBR的組成

漫反射與反射

漫反射與反射是光線在物體表面作用的最基本的兩個(gè)表現(xiàn)。傳統(tǒng)游戲的渲染系統(tǒng)中也把它們叫做漫反射與高光。

當(dāng)光線達(dá)到物體表面的時(shí)候其中的一部分將會(huì)沿著表面的垂直法線反彈向與來(lái)源光線相反的方向。這就像皮球沿一定角度砸向地面后反彈一樣。在越光滑的表面就表現(xiàn)的越像鏡面反射，這種現(xiàn)象一般本稱作表面高光(Specular)。這個(gè)詞就是來(lái)源于拉丁文的“鏡子”的發(fā)音。

然而并不是所有的光線都會(huì)被反射，部分光線將進(jìn)入被照射物體的內(nèi)部。這部分光線一部分被物體吸收轉(zhuǎn)換為熱能，另一部分則會(huì)在物體內(nèi)部發(fā)生散射，最終離開物體被人眼和攝像機(jī)捕獲到。這一現(xiàn)象被叫做“漫反射”與“子表面散射”。其中子表面散射(Sub Surface Scattering)，經(jīng)常能看到SSS效果就是這部分光線進(jìn)過(guò)散射后從物體另一邊射出的現(xiàn)象。

不同波長(zhǎng)的光線的吸收與散射有著很大的不同，這就是為什么白光在不同物體的表面能照射出不同的顏色。比如：某種材料會(huì)散射大部分的藍(lán)光，并吸收其它顏色的光，那么這種材料的表面就會(huì)表現(xiàn)出藍(lán)色。散射出去的光線是雜亂的，射向各個(gè)方向的，所以不會(huì)表現(xiàn)出鏡面反射的效果。游戲引擎中一般使用漫反射貼圖(“Diffuse Map”也叫“Albedo Map”)來(lái)描述物體表面的顏色。

能量守恒

由上面的描述我們可以看出，漫反射與反射是相互獨(dú)立的兩部分。入射光線的一部分在物體表面發(fā)生了反射，沒有反射的一部分進(jìn)入物體表面被吸收或者被散射。因此可以得出一個(gè)重要的結(jié)論：漫反射光線+反射光線＝入射光線。這就是光線的能量守恒。

這一現(xiàn)象就表現(xiàn)在，同樣的光照條件下，反射越強(qiáng)烈的材質(zhì)表面漫反射就越弱(表現(xiàn)為更暗)。如下圖可以看出，從左到右材質(zhì)的反射逐漸加強(qiáng)，同時(shí)材質(zhì)本身的顏色越來(lái)越不明顯。

能量守恒是PBR最重要的一個(gè)守則，遵循此守則可以確保美術(shù)在調(diào)整物體材質(zhì)的漫反射和反射時(shí)不至于調(diào)出一些打破物理規(guī)律，在不同環(huán)境中表現(xiàn)極不真實(shí)的材質(zhì)。

金屬

這里把金屬(導(dǎo)電性材質(zhì))單獨(dú)拿出來(lái)說(shuō)有以下幾點(diǎn)原因。

首先，導(dǎo)體的反射度通常都達(dá)到60%-90%，而絕緣體只有0%-20%。高反射度導(dǎo)致只有很少的光線能進(jìn)入導(dǎo)體表面之下發(fā)生散射，這也就是為什么導(dǎo)體通常表現(xiàn)的很有“金屬光澤"。

第二，導(dǎo)體的反射度針對(duì)不同的可見光譜是不同的，這就導(dǎo)致導(dǎo)體能反射出有顏色的光。這種帶顏色的反射導(dǎo)體很少，但生活中卻很常見。如：金、銅反射出黃色。而絕緣體則沒有此種特性，總是反射所有的光線。

最后一點(diǎn)，導(dǎo)體理論上講只會(huì)吸收光線而不會(huì)散射光線的。但實(shí)際上物體材質(zhì)總有或多或少的雜質(zhì)與表面污跡，所以金屬類材質(zhì)也會(huì)發(fā)生少許的散射。

正因?yàn)榻饘俚倪@些特性，所以很多渲染系統(tǒng)中都單獨(dú)為材質(zhì)引入了一個(gè)屬性“金屬度”(Metalness)。這只是方便美術(shù)進(jìn)行材質(zhì)的調(diào)節(jié)，并非PBR所必須的。如星際爭(zhēng)霸二的材質(zhì)就沒有金屬度這個(gè)屬性，但仍然能表現(xiàn)出人族和神族單位的金屬材質(zhì)。

菲涅耳

菲涅耳是一種反射現(xiàn)象，最早由奧古斯汀-讓·菲涅爾發(fā)現(xiàn)，因此被以非聶耳反射命名。

從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)來(lái)解釋的話，就是隨著入射光線相對(duì)與表面法線的夾角越大，反射率就越大。也就是說(shuō)在物體邊緣的反射會(huì)比中間要亮。在早期的渲染中也有引入菲涅耳反射，但在PBR中進(jìn)一步完善相關(guān)計(jì)算公式的幾個(gè)方面。

第一點(diǎn)，所有的材質(zhì)，在其“邊緣”（入射光線與物體表面角度無(wú)限趨近于0度）都會(huì)發(fā)生完美的鏡面反射，且反射所有顏色的光線。這可能是很難想象的，但在物理上已經(jīng)被證實(shí)了。

第二點(diǎn)，不同材質(zhì)的菲涅耳反射隨著角度的變化可以用曲線表示，并且相差都不大。不同金屬材質(zhì)之間差異雖然會(huì)更大，但仍然能夠被分析并且公式化。因此藝術(shù)家們可以很方便的定義幾種預(yù)定義的材質(zhì)模板，并在他們之間調(diào)整參數(shù)就能創(chuàng)造出不同的材質(zhì)了。

這兩點(diǎn)可以由下圖很好的解釋：

從上圖曲線可以看出我們要實(shí)現(xiàn)菲涅耳反射非常簡(jiǎn)單，只需要美術(shù)定義出中心最小的反射度，然后程序更具特定的公式計(jì)算出不同角度的實(shí)際反射度。就可以實(shí)現(xiàn)菲涅耳反射了。

微表面

以上的理論都是基于宏觀的，然而在微觀世界中，物體的表面不可能是絕對(duì)平滑的，總有一些或多或少的溝壑。這就導(dǎo)致了反射光線并不是總是平行的。

如下圖：

因?yàn)槲⒈砻娲嬖谟谖⒂^層面，所以如果使用數(shù)據(jù)描述的話，由于精度需要將會(huì)是海量數(shù)據(jù)，是任何系統(tǒng)都無(wú)法承受的。因此在PBR中我們定義了一個(gè)屬性“光澤度”(Gloss)或者“光滑度”(Smoothness)，它的反屬性為“粗造度”(Roughness)。這樣就可以在渲染系統(tǒng)中通過(guò)光澤度貼圖加以描述了。

再次的能量守恒

這里的能量守恒和之前第2點(diǎn)提到的能量守恒不同，第2點(diǎn)是針對(duì)于入射光線，反射光線與散射光線，這里的守恒僅僅指反射光線。

反射光線由于微表面的作用造成了不同方向的反射，但總能量維持不變。

下圖可以方便理解這一點(diǎn)