本文目錄如下。
PBR中的光照
直接光源
間接光源
選擇BRDF
漫反射 BRDF：Lambert光照模型
鏡面反射 BRDF：Cook-Torrance光照模型
術語 ：
在第一部分文章 中，我從美術的角度解釋瞭如何理解基於物理的渲染。如果你是一位研發人員，正在讀這篇文章，你可能已經嘗試過或計劃開發自己的
PBR系統
。倘若你已經開始閱讀了相關的文獻，也許會感嘆算數之複雜，而且會發現並沒有從整體視角分析PBR的文章。
通常，你會發現一些文章著重於對流程中特定某個部分的解釋，但卻較少涉及其他部分（因為他們覺得這部分更簡單，無需說明）。但有時候你需要整合所有的資訊，而我曾有很長一段時間不知道該如何整合我的閱讀知識。大抵其他作者認為這部分只是基本常識，我認為還是有必要對這些內容做出恰當的解釋。
若果你已經打算去實現自己的PBR系統，我覺得這篇文章並不會對你有很大的幫助，但我希望它能為你提供紮實的基礎和理解來閱讀其他文獻，而不是像我一樣，看到每一行字發出“什麼鬼？”的感嘆。
本文的結尾部分是術語表，說明和解釋生詞。
所以，下文是我在3D渲染管線中常用的PBR和光照知識的整理。
光照
首先我們來聊一下游戲中的光照。可以歸結為兩點：
計算
漫反射
：指光線從表面的各個方向反射出去。
計算
鏡面
反射：指光線從表面直接反射至眼睛。
下面維基百科的圖，能幫助你更好、更簡單地理解這兩個概念。
![[譯] 面向美術師的基於物理的渲染(PBR)指南 _2](https://img.bearask.com/upload/website_attach/P3DeXmmxq4X-hB0TMJrqaCGqXcyvzRW1YRI2FMF6FLBic5nymGX_NuiuOd-immNUMBDBFMZ5r5v31rGyM8rkZEvEy.jpeg)
By GianniG46 （Own work） ［CC-BY-SA-3。0 （http：//creativecommons。org/licenses/by-sa/3。0） or GFDL （http：//www。gnu。org/copyleft/fdl。html）］， via Wikimedia Commons
為了計算出這些光照的分佈，我們將使用一個函式。這個函式是
雙向反射分佈函式（BRDF）。
不用慌，這不過是函式的名稱而已。通常它指一個著色器（shader）功能。
當然，根據你想要計算的內容和使用的光照模型不同，對應的BRDF也不一樣。BRDF通常以發明/解釋它們的人名來命名。同樣，在大多數情況下，在實時渲染的工作流程中，考慮效能問題，會對這些BRDF進行近似最佳化。順便說一下，這些近似也都有命名，以人名或技術命名……
PBR中的光照
PBR的光照計算與當前渲染完全相同（現在我們使用的系統包含環境，漫反射，鏡面反射，有時在文獻中叫做ad-hoc系統）：計算每個光源的漫反射係數和鏡面反射係數。主要區別在於使用的BRDF不同，
物理精度
更高，且在輸入很少引數的情況下，在不同光源下正常執行。
那，什麼是光源？
直接光源
指
發光體
。在遊戲中，最常見的直接光源是定向光（太陽），聚光燈（火炬），點光源（燈泡）。這就是ad-hoc系統中常用的光源，PBR中亦如此。
間接光源
指反射光線，間接照亮周圍環境的光源。例如，在大白天，汽車停在紅色的牆壁旁，陽光直射牆壁，牆壁反射紅光，繼而照亮汽車。
ad-hoc系統不能處理這個光照過程，即便處理了，效果也很不好。
PBR流程中提供此功能選擇，這正中你意，因為這些會讓畫面看上去更好看！在遊戲中是使用
環境貼圖
作為光源實現間接光照，此技術叫做
基於影象的照明（IBL）
。
如果考慮完整的光線表現，我們需要為每個光源計算直接或間接的漫反射和鏡面反射的貢獻值。為此，我們需要一個BRDF來實現漫反射，另一個BRDF實現鏡面反射，而且每個光源都要遵循他們，以保持一致性。同時，這些
BRDF函式
也應該能夠接受引數（如美術可調節基色、金屬度、
粗糙度
）和變換後的派生引數的輸入。
因此，完整光照的虛擬碼如下：
//direct lighting
for each directLightSource {
directDiffuseFactor = DiffuseBRDF（directlightSource）
directSpecularFactor = SpecularBRDF（directLightSource）
directLighting += Albedo * directDiffuseFactor + SpecColor * directSpecularFactor
}
//Indirect Lighting， done through Image Based Rendering with an
environment map
indirectDiffuseFactor = DiffuseBRDF（EnvMap）
indirectSpecularFactor = SpecularBRDF（EnvMap）
indirectLighting = Albedo * indirectDiffuseFactor + SpecColor * indirectSpecularFactor
Lighting = directLighting + indirectLighting
我會在接下來的帖文中詳細介紹如何計算各個因素，不會深入介紹。
選擇BRDF
可供選擇的BRDF很多，但在本文中我不會一一討論，我會把重點放在我用過的實現方式上。我會告訴你有哪些其他可選的方案，並提供相關論文和連結。
我選擇了用Brian Karis 文章 中的UE4 BRDF，我完全相信他的判斷。他提供的程式碼給了我很大的幫助，但離最後的整合還差很遠。所以最後我只能靠自己開始全面研究，著手瞭解所有關於BRDF的知識。
漫反射 BRDF：Lambert光照模型
蘭伯特Lambert是遊戲中最常用的漫反射BRDF。它的計算成本非常低，效果好，所以也備受歡迎。這也是計算漫反射方法中最簡單的一種。詳細請參考
![[譯] 面向美術師的基於物理的渲染(PBR)指南 _2](https://img.bearask.com/upload/website_attach/jar+ifcDe6WAhCa0dkYOvgRBXIe8jpbTf2RIHd-Kf7j3cu3I2dUT57eiNnL72WOUfHa3yEl7i7Ms0BY4ddYGuOWW3.jpeg)
黃色表面顏色的直接光源（定向光）的漫反射Lambert因子。
其他可選方案：
Oren-Nayar
： 較之經典的Lambert光照模型，Oren-Nayar模型能實現更佳的視覺效果，還可調節粗糙度引數……請注意，糟糕的是，我個人覺得額外的計算開銷真的不值得 細節請點選
Harahan-Krueger
： 考慮用於漫反射光照的次表面散射（每個材質表面都有很多層，光線從隨機方向散射進入不同的層直至離開材質。）相比Lambert光照模型，Harahan-Krueger模型的計算量更大，但可得到很好的SSS效果，如面板。 更多細節請參考論文
鏡面反射 BRDF：Cook-Torrance光照模型
鏡面反射BRDF相對來說更復雜一些。我們需要一個物理上合理的BRDF。我們用
Microfacet BRDF
。那麼，什麼是Microfacet BRDF？
Microfacet BRDF是指，在
微觀層面
上，表面不是一個光滑的平面，而是由無數方向不同的隨機排列的表面（微表面）構成的面。這些表面視作反射入射光線的微小鏡面。 BRDF背後的概念是，這些表面中只有一部分可以確定朝向，使得入射光線反射至人眼。越光滑的表面，對齊的面越多，光的反射越整齊有序。相反，如果表面粗糙，則微表面的朝向更隨機，光線反射會散射在表面上，使得反射看起來會更模糊。
![[譯] 面向美術師的基於物理的渲染(PBR)指南 _2](https://img.bearask.com/upload/website_attach/_JS=ItuMMvGPca41GGamcf5b3+vF-Uf5e=1Dg-gAOGOyG_4zcsjOGl7o4BSwsZPi2+WyeZeTaEZIbA2_GvaabbFHj.jpeg)
直接光源的微表面鏡面反射因子。左邊是光滑的表面，右邊是粗糙的表面。請注意觀察粗糙表面上的反射是如何散佈的。
我們使用的microfacet BRDF叫Cook-Torrance光照模型。我找不到其他鏡面反射BRDF的實現。Cook-Torrance光照模型好像是所有microfacet BRDF通用的形式。
f = D * F * G / （4 * （N。L） * （N。V））；
N.L
是著色表面法線和光線方向的點積。
N.V
是著色表面法線和視線方向的點積。
其他術語如下：
D 法線分佈函式
（用於分佈）。你也許會發現在有些資料上它叫NDF。用於計算著色表面的微面分布。
F 菲涅爾因數
。 它是由奧古斯丁·菲涅爾（Augustin Fresnel）發現的。（法國人忒聰明瞭）。用於描述光線在兩個不同的介質（最常見於計算機圖形學：空氣和著色表面）的交匯處反射和折射。
G 幾何陰影項
。 用於定義微表面的陰影。
現在開始變複雜了。對於每個術語，都有一些模型和近似來計算他們。
我決定使用這些模型和近似：
D : Trowbridge-Reitz/GGX
法線分佈函式
F : 菲涅爾術語 Schlick
的 近似
G : Schlick-GGX
近似
我大概先過一遍整個流程，但不會詳細介紹所有的可選方案。但在後續文章中，我將深入介紹這些術語涵蓋的更多技術細節。想全面瞭解所有的可選方案，請查閱Brian Karis的 部落格 。
雖然我總結了整個流程，但是還有很多地方值得去一一解釋。在下一篇文章中，我將重點介紹間接光照，這曾是讓我最頭痛的一部分。與此同時，我也將介紹基於影象的渲染（IBL）技術和從環境貼圖中計算漫反射和鏡面反射的方法。
術語：
漫反射：
從表面各個方向反射的光線。
鏡面反射：
從表面向觀察者反射的光線。
雙向反射率分佈函式或BRDF：
用於計算漫反射和鏡面反射的函式。
基於影象的渲染或IBL：
使用影象作為光源的技術。
Microfacet Specular BRDF微面鏡面BRDF :
假設表面的鏡面BRDF是由許多非常小的隨機對齊的表面組成—微表面。它取決於D，F和G這三個因素。
D 法線分佈函式：
（用於分佈）你也許會發現在有些資料上它叫做NDF。用於計算著色表面的微面分布。
F 菲涅爾因數：
它是由奧古斯丁·菲涅爾（Augustin Fresnel）發現的。（法國人忒聰明瞭）。用於描述光線在兩個不同的介質（最常見於計算機圖形學：空氣和著色表面）的交匯處反射和折射。
G 幾何陰影項：
用於定義微表面的陰影。
本文僅限於學習參考交流，請勿做商業用途和隨意轉載。
譯 Qinfei
2019。10。22
