PBR物理材质

Posted 2022-06-24 暮志未晚Webgl

本人笔记，不喜勿喷

PBR在英文里面是 Physically Based Rendering 翻译成中文就是基于物理的渲染。
反射 散射 生成diffuse 漫反射
反射 生成Specular 镜面反射
进入物体生成透射

实现pbr渲染，抽象出来了相应的渲染方程
BSDF 双向散射表面分布函数，
这个由两部分组成，一部分是表面的函数 BSSRDF（双向散射表面反射分布函数）由BRDF（双向反射率分布函数）和SSS（次表面散射Subsurface scattering）组成。
另一部分是BSSTDF（双向散射表面透射率分布函数），由BTDF（双向透射率分布函数）和SSS（次表面散射Subsurface scattering）组成。
它们整体的组成了一个完整的渲染方程。

里面的重点是BRDF，简化计算，广泛应用于游戏领域。

基于微平面理论的BRDF
理论原理，在微观视角小的物体都是凹凸不平的，根据此角度进行相关推理而出。

迪士尼的PBS
基本原则：

1. 艺术导向，并不一定物理正确
2. 直观参数，而不是物理类参数，方便调试
3. 参数尽可能少，范围应保持在0到1
4. 所有参数组合尽可能健壮且合理，就是相互叠加或者去除某个效果不会产生错误效果

实现：
漫反射项：迪士尼的diffuse
镜面反射：microfacet Cook-Torrance BRDF
这个分出三项来解释：D项 （法线分布函数）镜面高光 F项 菲涅尔 G项 几何遮挡

模拟方程：

Kd和Ks小于等于1，用于控制能量守恒
Fd是基本色 一般值为1/Pi * DiffuseColor
Fs是高光 SpecularColor 由DGF三项计算得出

D项
可以用来描述表面的平整度（宏观说就是光滑度或者粗糙度）

G项
用来描述光在微观平面产生的阴影，和视角方向的遮挡。

F项
菲涅尔方程

Fs 结果为 D * G * F /（4 * N dot L * N dot V）
N为法向 L为光的方向 V 为视角方向

主流演化，将G项和（4 * N dot L * N dot V）整合，演化成V项（The Visibility Term）简称V项

所以结果演变成 Kd / Pi + Ks * （D * V * F）
unity的变种：Kd + Ks * （D * V * F）* Pi 比正常亮度 高PI倍

光照公式：(DiffuseColor / Pi + SpecularColor * D * V * F) * NdotL * LightColor

各种公式选择

Diffuse BRDF

1. Lambert 就是默认1/Pi ue用的
2. Oren-Nayar 渲染沙粒的效果比较好
3. Burley/DisneyDiffuse 迪士尼的，unity使用

Specular BRDF

D项 定义了高光的形状

1. D_GGX 用的最多的
2. D_Blinn Blinn-Phong 半角向量
3. D_GGXaniso 实现各向异性的GGX
4. D_InvGGX / D_Ashikhmin 实现布料的

V项 解析了由于微平面相互这笔导致的光衰减（需要和D项配对使用）

1. Vis_SmithJoint / V_SmithGGX 用的最多
2. V_Neubelt / V_Ashikhmin 模拟布料

F项 菲涅尔 根据视角和平面朝向计算反射率，如果朝向和视角方向趋于平行，菲涅尔越弱，也会受入射光影响。F0就是平面朝向和视角朝向趋于平衡，也是物体默认的反射率（返回的结果就是SpecularColor）。F90为，视角朝向和物体朝向呈90度角度得出的结果。
F0 为三通道的RGB彩色的值，金属的值都相对较高 0.5-1
金属的DiffuseColor = 0 颜色都是来自于F0
电解质颜色一般为单色 F0 0.02-0.05 PBR里面一般将此作为非金属

用的最多的是 Schlick ，他提出了一种近似得方法，利用已知的F0，就是默认的反射率，来求出菲涅尔反射率。

光照公式进一步优化：
(DiffuseColor / Pi + （D * Roughness） * （V * Roughness） * （F * SpecularColor）) * NdotL * LightColor

基于物理的环境光照
漫反射

1. 立方体映射
2. 球谐光照
3. 蒙特卡洛积分

镜面反射
分解求和近似
LD 预过滤环境映射 就是环境反射球 mipmap
DFG 环境BRDF 使用2D LUT或者解析拟合 函数如下

float3 EnvDFGLazarov( float3 specularColor, float gloss, float ndotv )

    float4 p0 = float4( 0.5745, 1.548, -0.02397, 1.301 );
    float4 p1 = float4( 0.5753, -0.2511, -0.02066, 0.4755 );
    float4 t = gloss * p0 + p1;
    float bias = saturate( t.x * min( t.y, exp2( -7.672 * ndotv ) ) + t.z );
    float delta = saturate( t.w );
    float scale = delta - bias;
    bias *= saturate( 50.0 * specularColor.y );
    return specularColor * scale + bias;

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

AO 环境光遮蔽
一般使用的两种：
一种是自身物体生成，可以通过软件烘焙出的，用于自身的，一般是AO贴图。
另一种是物体和物体之间生成的，可以通过屏幕空间技术得到，比如SSAO。
一般两者取最小的值进行混合。（个人感觉取中间值比较好）。