PBR渲染（一）——PBR理论基础

PBR基础框架

• PBR理论基础
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1.PBR理论基础

• BSDF（双向散射表面分布函数）

  
  对于一般的基于物理的表面材质来说，使用第一项BSSRDF双向散射表面反射分布函数，其简化后的重点就是BRDF双向反射率分布函数，忽略了复杂的SSS效果。而SSS次表面散射效果可以用于皮肤渲染等效果，这个在后面的皮肤渲染中会继续写。

• BRDF(双向反射率分布函数）

  渲染方程伪代码：Lighting=BRDF * NdotL * LightColor(注意这里的NdotL和Lambert漫反射光照模型并无联系，这里是代表了入射光的强度
  
  上面是Cook-Torrance微平面理论的BRDF函数，由f-lambert漫反射项和f-cook-torrance高光反射项组成。f-cook-torrance高光反射项的微平面主要体现在D项和G项。
  D项描述了微平面上的法线分布，通俗来讲就是微平面的凹凸程度，定义了高光的形状，它描述了微平面法线正确朝向的宏观表面法线的百分比。
  G项描述了微平面上的自身遮挡关系，自身遮挡越强，光线就被削弱越多，解析了由于微平面相互遮蔽而导致的光衰减，它模拟了光线在微平面之间相互遮挡以及反弹的概率，光线在此过程中损失了能量，然后到达观察者的眼睛。G项和D项是需要配对的。
  F项解析了菲涅尔效应。这个现象用严谨的语言来描述起来的话是非常困难的，我们可以通俗地来理解。我们从不同的角度去观察光线在表面的反射情况，会呈现不同的反射强度。
  总的来说，镜面反射的集中度由微平面的粗糙度Roughness决定，F0即是SpecularColor，是物体自身的反射率，F0值决定了镜面反射光的百分比。
  至此得出以下光照公式，其中V项是将高光反射项的分母整合进G项得到。
  光照公式： Lighting = （DiffuseColor / pi + D(Roughness，x) * V(Roughness，x) * F(SpecularColor，x) ） NdotL * LightColor

• 不同材料的光学特性

  1.金属只有镜面反射，且金属的镜面反射颜色SpecularColor（F0）为RGB三通道的彩色，没有漫反射。即DiffuseColor=0，且金属具有最高的F0值：0.5-1.0
  2.电介质（非金属）的镜面反射颜色为单色，电介质具有相当低的F0值：通常在0.02-0.05区间

• 基于物理的环境光照
  1.环境光漫反射可以由SH球谐光照得到
  2.镜面反射采用分解求和近似的方法得到
  3.整个计算过程也是要以BRDF标准计算，得到最终的公式：
  间接光照公式：IndirectLighting = DiffuseColor / pi * SH + LD * DFG(SpecularColor)
  直接光照公式： DirectLighting = （DiffuseColor / pi + D(Roughness，x) * V(Roughness，x) * F(SpecularColor，x) ）* NdotL * LightColor

• Ambient Occlusion
  1.Medium scale，宏观遮挡，用于处理对象自身几何体或法线贴图（砖块）中烘培的几何体的遮挡，即通常说的AO贴图ambient occlusion maps。
  2.Large scale，来自对象与对象之间的接触或来自对象自身几何体的遮挡。一般通过屏幕空间技术计算来得到，例如SSAO,HBAO。并且为了防止Medium scale和Large scale的遮挡同时使用出现过暗现象，一般使用两者的Min函数混合。
  3.SpecOcclusion
  4.multiBounceAO