渲染中的光照着色方式：PBR（Physically Based Rendering，物理基础渲染）与 传统经验渲染

参考《Unity Shader 入门精要》十八章 基于物理的渲染

与PBR（Physically Based Rendering，物理基础渲染）对应的渲染方法通常被称为“传统渲染”或“基于经验的渲染”（Empirical Rendering）。以下是两者的主要区别：

传统渲染

传统渲染方法基于经验规则和艺术调整，而不是物理定律。这种方法主要依赖于开发人员和艺术家的直觉和经验，通过调整各种参数和技巧来实现所需的视觉效果。

特点

1. 经验法则：

   • 传统渲染方法依赖于经验法则和艺术调整，而非严格的物理模拟。

2. 简单的光照模型：

   • 使用简单的光照模型，如 Phong 着色模型、Blinn-Phong 着色模型和 Lambert 着色模型。

3. 不一定遵循能量守恒：

   • 光照计算不一定遵循能量守恒原则，可能导致非物理的光照效果。

4. 容易实现和调整：

   • 实现相对简单，适用于硬件性能有限或开发周期较短的项目。

常见的传统着色模型

1. Phong 着色模型：

   • 计算出每个顶点的颜色，并在片元（像素）阶段进行插值。

   • 

2. Blinn-Phong 着色模型：

   • Phong 模型的改进版，引入了半角向量以简化计算。

   • 

3. Lambert 着色模型：

   • 仅考虑漫反射光。

   • 

PBR（Physically Based Rendering，物理基础渲染）是一种计算机图形学技术，用于实现更加逼真和一致的光照效果。PBR 通过模拟光与物体表面相互作用的物理原理，生成更加真实的图像。PBR 着色模型的核心理念是将物理属性作为基础，结合环境光和材质属性，计算出最终的光照效果。

PBR 的基本概念

PBR 基于以下几个核心概念：

1. BRDF（双向反射分布函数）：

   • BRDF 描述了光线如何从表面反射。常用的 BRDF 模型包括 Lambertian（用于漫反射）和 Cook-Torrance（用于镜面反射）。

2. 能量守恒：

   • PBR 着色模型遵循能量守恒原理，即反射的光线总能量不会超过入射光线的总能量。

3. 微表面理论：

   • 微表面理论假设表面由许多微小的面片组成，这些面片的法线方向分布决定了光的反射特性。

PBR 的材质属性

PBR 着色通常使用以下几种材质属性：

1. Albedo（反照率）：

   • 表示表面的基础颜色，不包含任何光照信息。

2. Metalness（金属度）：

   • 表示材质的金属性质。金属材质的金属度为1，非金属材质的金属度为0。金属材质通常会影响表面的反射特性和颜色。

3. Roughness（粗糙度）：

   • 描述表面的光滑程度。粗糙度为0表示完全光滑的表面，粗糙度为1表示完全粗糙的表面。粗糙度会影响高光的扩散程度。

4. Normal（法线）：

   • 用于表示表面的法线方向，影响光线的反射和折射。

5. Ambient Occlusion（环境光遮蔽）：

   • 表示表面的自阴影效果，用于模拟小范围内的光线遮蔽。

6. Specular（镜面反射）：

   • 用于非金属材质，表示镜面反射的颜色和强度。

PBR 着色模型

常见的 PBR 着色模型包括：

1. 金属/粗糙度（Metallic/Roughness）：

   • 使用 Albedo、Metalness 和 Roughness 等属性。
   • Unity 标准着色器使用的就是这种模型。

2. 镜面/光滑度（Specular/Glossiness）：

   • 使用 Albedo、Specular 和 Glossiness 等属性。

Unity 中的 PBR

在 Unity 中，可以使用标准着色器（Standard Shader）实现 PBR。Unity 标准着色器支持金属/粗糙度模型，可以通过材质属性面板设置相关参数。

物理基础渲染（PBR）的理论和数学实现基于模拟光线与物体表面相互作用的物理原理。PBR的核心是BRDF（双向反射分布函数），它描述了入射光线和反射光线之间的关系。以下是PBR的理论基础和数学实现的详细介绍。

PBR 的理论基础

1. 能量守恒

PBR 遵循能量守恒原理，即反射的光线总能量不会超过入射光线的总能量。反射光和吸收光之和等于入射光。

2. 微表面理论

微表面理论假设表面由许多微小的面片组成，这些面片的法线方向分布决定了光的反射特性。

3. Fresnel 效应

Fresnel 效应描述了反射光的强度随着观察角度的变化而变化。对于金属材质，反射光颜色与材质颜色相关；对于非金属材质，反射光为白色。

4. Cook-Torrance BRDF

Cook-Torrance BRDF 是一种常用的 BRDF 模型，它由三部分组成：Fresnel 项、几何项和微表面法线分布项。

PBR 的数学实现

1. Cook-Torrance BRDF

Cook-Torrance BRDF 用于计算反射光的强度和颜色。其公式如下：

2. Fresnel 项

Fresnel 项描述了反射光的强度随着观察角度的变化：

3. 几何遮蔽项

几何遮蔽项描述了光线被遮蔽的程度：

4. 微表面法线分布项

微表面法线分布项描述了表面微法线的分布：

PBR 着色器示例

以下是一个使用 Cook-Torrance BRDF 的 Unity 着色器示例：

Shader "Custom/PBRShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}
        _Metallic("Metallic", Range(0.0, 1.0)) = 0.0
        _Glossiness("Smoothness", Range(0.0, 1.0)) = 0.5
        _NormalMap("Normal Map", 2D) = "bump" {}
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Standard fullforwardshadows

        sampler2D _MainTex;
        sampler2D _BumpMap;
        half _Metallic;
        half _Glossiness;

        struct Input
        {
            float2 uv_MainTex;
            float2 uv_BumpMap;
        };

        void surf(Input IN, inout SurfaceOutputStandard o)
        {
            half4 c = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex);
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Metallic = _Metallic;
            o.Smoothness = _Glossiness;
            o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap, IN.uv_BumpMap));
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

具体的实现步骤

1. 计算半角向量：

   float3 halfVector = normalize(lightDir + viewDir);

2. 计算 Fresnel 项：

   float3 F = F0 + (1.0 - F0) * pow(1.0 - dot(viewDir, halfVector), 5.0);

3. 计算几何遮蔽项：

   float G = G_Smith(normal, viewDir, lightDir, roughness);

4. 计算微表面法线分布项：

   float D = D_GGX(normal, halfVector, roughness);

5. 计算 Cook-Torrance BRDF：

   float3 specular = (D * G * F) / (4 * dot(normal, lightDir) * dot(normal, viewDir));

通过这些步骤，可以实现 PBR 的核心计算，并将结果用于最终的光照计算，从而生成逼真的光照效果。

总结

PBR（物理基础渲染）基于模拟光线与物体表面相互作用的物理原理，通过 BRDF（特别是 Cook-Torrance BRDF）实现更为逼真的光照效果。PBR 的核心概念包括能量守恒、微表面理论和 Fresnel 效应，其数学实现涉及 Fresnel 项、几何遮蔽项和微表面法线分布项。通过这些理论和数学模型，可以在游戏和图形应用中实现高度逼真的材质和光照效果。