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pbr材质介绍
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  • 更新:2018-05-17

什么是 PBR?


PBR 不是仅针对材质,他其实是一个系统性渲染流程,包含了光线、材质、纹理、色彩管理等。在这个体系当中,无论是经由物理化材质实现的光照、阴影或者色彩变化,还是物体表面的材质特征都将会有非常大的提升。

PBR 看似如此复杂的技术,但背后的原则却很简单,就两条:

  1. 光线能量守恒定律。
  2. 菲涅尔效果无处不在。
光线能量守恒

物理上大家都了解能量守恒定律,这里我们用同样概念来理解光线。Specular 高光反射光与 Diffuse 漫反射光其实是相互排斥的,有你没我的感觉,因为离开表面的光总量不能比其接受的入射光强,两者的综合值加起来不能超过1,这意味着,如果你的希望材质有较高的高光反射效果(高反射率),就需要要去降低漫反射,能量守恒是 PBR 的一个重要的指导思想,可以让系统计算光线效果时,不会违法物理定律。

其实任何物体都会对光线有吸收,称之为平面散射,光线在接触物体后会分为两部分继续前进:进入物体表面的部分(折射,在物体内部传播中被吸收或散射),从表面出去进入人眼(反射)。


但因为物体的表面材质不同,表面光线的方向变化也会有区别。平滑的表面偏移比较轻微,从而反射光的方向变化也较小,有了较清晰的反射,如上面图效果。而下面的表面粗糙,表面方向的变化范围也较广泛,反射光的方向变化也比较大,出现了模糊的反射。通常我们在材质中会用 Roughness 参数来控制,有时俗称这是在添加磨砂效果。

这里还有一点误区,就是我们常理解只有水这样的液体或果冻类软体,会存在光线穿透再折射或反射(通常使用 SSS 效果来表现这种质感),在现实世界中,我们如果只是看 Specular 高光效果,那这个理解是没问题的,但 Diffuse 漫反射呢?

对于任何一个物体,当产生漫反射的光线到达物体表面时,一部分会经过折射,被材质吸收(或者说转变为热能,这就是太阳下的石头越烤越烫的原因),或者在内部进行散射。一部分散射光最终会重新返回表面,再从表面折射出来,并被摄像机或眼睛所捕捉到。那么形成漫反射效果的光在被物质吸收并散射后,会成为不同波长的光(也称跨越光谱),这也就给予了物体不同的颜色,比如金属会吸收所有的穿透光,也就没有任何漫反射部分,但金属氧化的部分会和一些表面残留物,构成少量的散射光,形成不同的颜色,而正因为散射的混乱比较均匀,从每个方向看起来都是一样,所以这点和镜面光效不一样。



所以你看,其实金属的漫反射属性是为0的。这样思考之后,就会发现一个问题,这和我们平时制作材质的思路好像有点不一样了呢?对,不过要将这种反射思路混合起来,还需要了解最重要的一个参数,就是刚才提到的,无处不在的菲涅尔效果。

Fresnel 菲涅尔属性

菲涅尔指的是:光在光疏介质传递到光密介质的时候,在一定的角度下会发生全发射。公式为sinc=n1/n2。其中两个n分别为两种介质的折射率。角度C为全反射的临界角度。

听不懂是吧,哈哈太科学了,换个简单的方式解释吧,看个图。

有没有发现,其实湖水是相当清澈的,我们看近景位置,水的穿透效果真好,水底一览无余,但是越往对岸看去,越发现水的反射效果越强,在最远处,也就是平面和视觉夹角最小的位置,可以看到湖面几乎成了一面镜子(100%的反射)。那么我们就可以用菲涅尔来定义这种效果,其指代的是材质的反射率和入射角(也就是光源入射向量和平面法线向量的夹角)的对应关系,也就是说,入射光的角度越大,反射率也会越强。

PBR 理论中,就是重点借助菲涅尔来修正材质的光线关系,这里略枯燥,但很重要哦,看下图!

这是一个黑色的塑料材质,我们就称之为通用的非金属效果,其中,越接近边缘橙色区域,也就是视觉角度达到了90度,材质反射率可以无限趋近100%,而平视角度的反射率接近物体本身的值。对应现实中,水和液体的物理反射率是2%,砖块8%,其他有机材质和塑料是5%,半导体和晶体是15%~50% ,那么金属呢?看下图。

我们可以看到,金属本身的反射率就是60%~90%,而当视觉角度逐渐加大时,金属和非金属都会无限接近100%反射,他们之间的唯一区别也就是效果的跨度感了。所以,制作材质的时候,是不是我们只需要设置物体的起始反射率就行了,剩下的逼近效果就留给系统自己完成,如何?

那么 PBR 中通常就会使用到前面讲到的 Roughness 光泽度属性,为物体提供一个基础反射率,设置其表面的最小反射值,然后剩下就交给系统,让其自动解算菲涅尔曲线,以满足不同角度的效果需求。



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