[HelloPBR] 一、PBR原理简介 |
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[HelloPBR] 一、PBR原理简介
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笔者最近在捣鼓PBR，但网上的资料都偏理论，非常严谨，公式也很多、很长。 因此，笔者想沉淀出一个《HelloPBR》系列，此系列会忽略大量细节，增加科普性。 系列内容：自顶向下简单介绍一下PBR的原理，并基于OpenGL实现一个Hello版本。非技术人员可忽略代码。 PBR原理简介 引言如何计算物体表面上某个点的颜色环境光颜色自发光的颜色各个光线所作用的颜色光源的三种类型计算一束光线在点p处所贡献的颜色（BRDF）光的强度伪代码 PBR材质 引言在图形学渲染中，有一个问题很棘手：光线打在三维模型上之后，在屏幕上要显示什么颜色？如何计算出这个颜色呢？ 简单来说，PBR就是一种计算公式，它所计算出来的颜色，和真实世界非常像这正是因为PBR公式是基于物理原理所总结出的，因此得名“基于物理的渲染”，英文名“Physically-Based Rendering”在图形学中，“计算某点的颜色”的这个动作，叫“着色”本文章将自顶向下的介绍PBR公式，在过程中简要介绍涉及的相关内容。
针对物体表面上的一个点(记为 p p p)，场景中各种光线打过来，这一点会显示什么颜色(记为 c o l o r color color)呢？ color由三个部分所贡献 c o l o r = c o l o r I B L + c o l o r E m i s s i v e + c o l o r I n L i g h t s color = colorIBL + colorEmissive + colorInLights color=colorIBL+colorEmissive+colorInLights c o l o r I B L colorIBL colorIBL表示环境光所贡献的颜色 c o l o r E m i s s i v e colorEmissive colorEmissive物体自己发出的光，由自发光所贡献的颜色 c o l o r I n L i g h t s colorInLights colorInLights在场景中各个光线作用下， p p p点显示出来的颜色 环境光颜色如下图，光源在右上角，而茶杯的背光位置（Ambient lighting箭头所指位置）居然还有颜色 根据物理原理，我们知道，若一个点接受不到光，那应该是黑色的背光部分不是黑色，那正是因为我们能接收到光，但它不是直接光源，是一种间接光照
环境光：光源发出的光，在环境中弹来弹去，最终到达了这个背光点 环境光颜色：在环境光作用下，物体表面产生的颜色 环境光贴图 因为环境光弹来弹去的，计算量很大，也很难模拟。一般，我们用一个环境贴图来模拟环境光环境光贴图可以让模型反射出周围环境的样子，如下图右侧，而左侧的图像就是环境光贴图
在现实世界中，有一些物体是会自己发光的，比如萤火虫、光源。在计算机图形学中，自发光常用一个RGB来表示。 红、绿、蓝三个球都使用了自发光材质。即使在黑暗的场景下，我们依然可以看到它们的颜色。
场景中可能会有N个光源，colorInLights是这些光源共同作用之后的颜色。 c o l o r I n L i g h t s = c o l o r I n L i g h t 1 + c o l o r I n L i g h 2 + . . . + c o l o r L i g h t n colorInLights = colorInLight_1 + colorInLigh_2 + ... + colorLight_n colorInLights=colorInLight1+colorInLigh2+...+colorLightn 光源的三种类型 类型说明点光源光源的能量会随着距离的增大而衰减定向灯光线拥有恒定的能量，并且不会随着距离的增大而衰减聚光灯光源的能量集中打在一个地方 计算一束光线在点p处所贡献的颜色（BRDF）计算某个光源对物体表面某个点所贡献的颜色，都是用 BRDF公式 计算得出的。只不过，不同类型的光源到达物体表面的能量不同而已。 因为，尽管光源的强度相同，不同光源类型，达到同一个物体表面的能量也会有所不同 光的强度买灯泡时，我们都会用“瓦”来定量描述灯的亮度，比如35W的白炽灯。那么，在计算机中，我们如何定量描述光源的亮度（强度）呢？ 在计算机中，一般不用“瓦”来衡量，我们考虑的重点是如何方便计算。根据辐射度量学，我们可以使用三原色（RGB）来定量描述光源的强度（在辐射度量学中，称为“辐射通量”）。 R分量描述红光的强度G分量描述绿光的强度B分量描述蓝光的强度这也刚好契合计算机对颜色的描述，很方便在公式中计算。 例如，计算点光源在 p p p的能量 //灯光颜色（实际上不是颜色，而是光的强度，用RGB三色编码来定量表示） vec3 lightColor = vec3(23.47, 21.31, 20.79); //点p与光源的距离 float distance = length(lightPositions - WorldPos); //光源衰减因子（距离越远，衰减越严重） float attenuation = 1.0 / (distance * distance); //辐射率，光源打在点p（片元）上的总能量 vec3 radiance = lightColor * attenuation; 伪代码 vec4 evaluateLights(const PbrMaterial material) { //描述点p（物体表面的一个点）的一些信息量 PixelParams pixel = getPixelParams(material); vec3 colorInLights = vec3(0.0); //环境光（环境光实际上是在这里计算的，因为要参加后面的blend） colorInLights += evaluateIBL(material); //遍历所有光源（除了环境光） for(Light light : material.Lights) { //计算光线在点p处贡献的颜色 colorInLights += evaluateBRDF(pixel, light, material); } #if defined(BLEND_MODE_FADE) && !defined(SHADING_MODEL_UNLIT) colorInLights *= material.baseColor.a; #endif float alpha = computeDiffuseAlpha(material.baseColor.a); return vec4(colorInLights, alpha); } PBR材质PBR公式里有一堆的输入参数，例如基础色、金属度、粗糙度等等。有了这些输入参数，渲染器才能根据PBR公式，得出逼真的颜色。 这些参数其实存储在材质当中，因此包含了PBR输入参数的材质称为“PBR材质”。“PBR材质”一般是由艺术家根据材料的感光情况，调制与建模所得。 |
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