PBR流程的基本原理与历史发展

Hello，大家好，今天给大家带来PBR流程的基本原理与历史发展，我是Secohy。

1、什么是PBR？

一、基于物理的材质（Material）

二、基于物理的光照（Lighting）

三、基于物理适配的摄像机（Camera）

以上三个部分都去参照物理理论去做引擎设计，理论上就能得到和真实摄像机基本相同的画面。例如基于物理的摄像机通过调整光圈、快门速度等改变曝光度，灯光采用物理测量单位进行计量，材质使用基于物理测量值的光照模型进行计算。所有的这一切是一个系统，是相辅相成的，今天主要讨论基于物理的材质与贴图，物理光照和物理相机暂时不作过多讨论。

 说完PBR的范畴，我们来聊聊PBR材质，也就是我们平常聊天时说PBR的含义，PBR指一整套基于物理参数的美术流程和渲染流程。美术流程主要是贴图制作上的，一般与PBR流程进行比较的是手绘流程。手绘流程是另一种3D美术制作流程，只使用一张diffuse漫反射贴图来描述模型外观，这就导致阴影和高光信息必须是画在diffuse上的。

也就是说，当场景中的光相对于模型的方向发生改变，或者摄像机位置发生改变，高光和阴影并不会发生改变，并且由于没有高光方面的参数输入，所以材质没有办法构建合理的反射，而金属这些东西如果没有反射，效果就会大打折扣。

在PBR流程成熟之前，手绘流程引入了一些技术，例如通过创建高低模然后通过烘焙输出一张Normal法线贴图，带来模型结构上的凸出和凹陷的阴影，这就是我们所说的次时代美术流程。再比如通过增加一张Specular高光贴图，控制高光颜色和高光强度，带来动态的，可变颜色的高光，手绘流程在过去的端游以及所有的手游上比较常见。例如魔兽世界的模型就只使用diffuse和Specular进行渲染，模型的高光位置可以改变但是阴影位置是不会变化的。

万智牌作为一款诞生于1993年老而弥坚的卡牌游戏，它数年来的游戏宣传动画无疑成了一部CG发展史的缩影，2012年后，我们可以明显看到技术进步和流程规范给这片奇幻大陆里的各类神魔换上了远胜于前的新皮肤，尤其是去年依克黎的新CG，完全可以说是视觉享受了。

而使用Substance Painter等软件制作的PBR贴图，一般包含Diffuse漫反射贴图、Normal法线贴图、Metallic金属度贴图、Smoothness光滑度贴图（即Glossiness光泽度贴图，Roughness粗糙度贴图的反向图）、AO（Ambient Occlusion）环境光遮蔽贴图等提供了大量物理信息，例如Normal提供小凹凸结构的信息，AO提供遮蔽阴影信息，Metallic提供材质在多大程度上贴近金属的信息，Smoothness提供了材质在多大程度上是光滑的信息等等。所有这些信息使基于物理的渲染成为可能，在Shader中我们可以根据这些信息计算出实时的阴影，实时的高光，实时的反射，实时的菲涅尔效应，可以让模型在不同的光照环境下都能得到比较合理的光照表现。今天就闲聊到这里，咱们下次见~

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来源：Thepoly公众号