PBR的两种常见工作流程以及底层用法

Hello，大家好，今天给大家带来PBR的工作流程，我是几维。万物皆可PBR。最近觉得PBR里面一些底层逻辑没有吃透，所以又再次学习巩固了一下。整理了一套更加简练的学习笔记。参考了很多网上的文章并不是原创，主要还是提炼官方信息为主。具体内容还是围绕PBR的两种常见工作流程以及底层用法。

一、什么是PBR

PBR是一种着色和渲染的方法，可以更加准确表达光是如何与表面互相作用。是基于物理渲染（PBR)或者基于物理着色(PBS)的过程。PBS通常指着色概念。而PBR指渲染和照明。

二、PBR的优势

1. 不再需要猜测材质纹理，算法基于物理上的准确公式。

2. 任何光照条件看起来都很准确。

3. 一致的工作流程。

三、了解流程之前需要涉及的一些概念

F0（Fresnel Reflectance at 0 Degrees) 在0度的菲尼尔反射率：

当光线笔直或垂直（以0度角）撞击表面时，该光线的一部分会被反射为镜面反射。使用表面的折射率（IOR)，可以推导出反射量。这被称为F0。

BRDF双向反射分布函数：

描述了光线如何在物体表面进行反射，可以用来描述材质属性。就是当光线沿着入射方向到达表面某点时，有多少能量被反射到观察（反）方向上函数形式Fr(wi,wr)，其中wi为入射方向、wr为出射方向，(N是法线方向）。

非导体（电介质）的F0：

PBR中通常模拟为0.04（线性）,也就是4%。常见的电介质F0范围为0.02-0.05（线性）,导体的F0范围为0.5-1.0。

四、PBR的两种工作流程

通用部分：

1. AO（Ambient Occlusion）环境光遮蔽：只影响漫反射结果，不遮挡镜面反射。

2. Normal法线：用于模拟表面细节。贴图中RGB通道分别对应的是表面上不同部位法线的XYZ坐标。

3. Height高度：用于视差映射，为凹凸/法线贴图提供了更明显的深度。

Metallic - Roughness 金属度和粗糙度流程：

在Metallic-Roughness工作流程中，金属的反射率值与电介质的反射颜色一起放置在basecolor中。掠射角的反射由BRDF处理。它的作用就像一个遮罩来区分在basecolor中找到金属和电介质数据。电介质F0值是由着色器(shader)处理的。当着色器（shader）在Metallic贴图中看到黑色时，会将basecolor中的相应区域看作电介质并使用4%（0.04）反射率值。

1. BaseColor（RGB三通道-sRGB空间) = 漫反射（电介质反射颜色）+金属反射。

2. Matallic(Grayscale灰度图-Linear线性空间) 作为一个0-1的黑白值遮罩调整金属与非金属。

3. Roughness（Grayscale灰度图-Linear线性空间）灰度图值 0代表光滑表面，而1代表粗糙表面。

优点：纹理占用内存少，因为金属和粗糙度贴图都是灰度图（单通道）。

缺点：F0不容易自己指定，但是Substance中提供了一个“Specular Level”节点来解决。白边现象比较明显,尤其是在低分辨率的情况下。

Specular - Glossiness 镜面反射和光泽度流程：

1. Diffuse（RGB三通道-sRGB空间) 包含Albedo Color，但不包含任何反射率信息。

2. Specular（RGB三通道-sRGB空间) 灰度值，表示非金属F0 RGB值。

3. Glossiness（Grayscale灰度图-Linear线性空间）与Roughness相反，值为0代表粗糙表面，而1代表光滑表面。

优点：可以自己控制非金属F0值。

缺点：F0可能用错从而导致破坏PBR原则，因为工作流程有些名词和传统的工作流太相似，但实际对应的数据可能是不一样的。RGB贴图多，占用内存多。

五、结论

有听到过一种说法是：Substance智能材质让大家做的东西都有趋同的倾向。这里我觉得官方说的一段话很有价值。

作为艺术家，我们需要以不同的方式去思考描述一个材质表面的属性，因为计算机硬件和渲染的进步使我们可以更加密切地模拟光的物理特性。我们需要从传统渲染工作流程中摒弃漫反射和镜面反射贴图的概念，因为这些贴图仅用作近似光与材料的交互解决方法。

在PBR中，着色器通过能量守恒和BRDF处理繁重的物理规则，而作为艺术家，我们创建的贴图是基于物理原则的引导。PBR的科学方面消除了对材质值的猜测，让我们可以将更多的时间花在纹理的创造性方面。虽然正确遵守指南很重要，但这并不意味着必须无视我们的艺术直觉。正是艺术视角真正为材质赋予了个性。通过精心制作的细节和表达方法来揭示其故事。这个过程永远不应该是艺术家的主要关注点。仅仅因为我们在物理上更精确的环境中工作并不意味着我们不能创造风格化的艺术。例如，迪士尼基于物理的反射模型被设计为一种有原则的方法。也就是说，它更倾向于艺术方向，而不是严格的物理模型。重要的是要了解原则并使用指南，把有效信息提炼出来举一反三。而不是成为他们的奴隶。

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来源：Thepoly公众号