由淺入深學(xué)習(xí)PBR的原理和實現(xiàn)part_01(理論知識)轉(zhuǎn)載
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今天是2020年02月26日星期三
前言
1.1? pbr ?
PBR全稱Physically Based Rendering，譯成中文是基于物理的渲染，是當(dāng)今非常流行的一種擬真渲染技術(shù)。
國內(nèi)外研究它的人數(shù)不勝數(shù)，由此出現(xiàn)的書籍、論文、文章等資料也非常多，其中最富盛名的非《Physically Based Rendering From Theory to Implementation》莫屬，它非常系統(tǒng)全面深入地介紹了PBR的底層原理、渲染實現(xiàn)、公式推導(dǎo)、進(jìn)階主題等內(nèi)容
上圖：《Physically Based Rendering From Theory to Implementation, 3rd Edition》的封面，總頁數(shù)1270。
但是，這些資料大多存在一些問題，它們要么太簡單太籠統(tǒng)，不能系統(tǒng)全面地介紹PBR的原理和實現(xiàn)；要么太全面太復(fù)雜，動輒上千頁，對剛踏入PBR技術(shù)領(lǐng)域的人不夠友好，令人望而卻步。
1.3 本文內(nèi)容及特點
本文有以下特點：
章節(jié)分層，層層遞進(jìn)，承上啟下。
引入大量精美配圖，使PBR教學(xué)生動有趣。
采用Markdown語法，圖文編排更精美和統(tǒng)一。
采用LATEX表達(dá)數(shù)學(xué)公式。
語句精煉，淺顯易懂。
豐富多樣的舉例。
緊緊圍繞PBR的核心原理，避免節(jié)外生枝。
本篇文章主要有以下章節(jié)內(nèi)容，分別從不同層次不同側(cè)重點描述了PBR的原理、實現(xiàn)、應(yīng)用，面向的群體也不一樣：
初階：PBR基本認(rèn)知和應(yīng)用
初級程序員
美術(shù)
初級TA（技術(shù)美術(shù)）
想初步了解PBR基本認(rèn)知和應(yīng)用的人
介紹PBR的概念、歷史、應(yīng)用。
內(nèi)容：
面向：
中階：PBR基本原理和實現(xiàn)
中級程序員
TA
想了解PBR實現(xiàn)的人
介紹PBR的基本原理和商業(yè)引擎的實現(xiàn)。
內(nèi)容：
面向：
進(jìn)階：PBR核心理論和原理
進(jìn)階程序員
對PBR底層原理感興趣的人
深入介紹PBR的核心理論和渲染原理。
內(nèi)容：
面向：
高階：PBR關(guān)聯(lián)理論和推導(dǎo)
高階程序員
想全面且透徹了解PBR底層原理及理論的人
介紹跟PBR核心理論相關(guān)的理論原理及推導(dǎo)。
內(nèi)容：
面向：
從上面可以看出，每個章節(jié)都是承上啟下，層層遞進(jìn)地剖析PBR原理及實現(xiàn)，從而達(dá)到由淺入深介紹PBR的目的。讀者可以根據(jù)目前的水平，以及想要了解的程度，有針對性有選擇性地閱讀不同的章節(jié)。其實本文標(biāo)題更適合取為《分層漸進(jìn)式學(xué)習(xí)PBR的原理和實現(xiàn)》，但，還是現(xiàn)在的標(biāo)題淺顯易懂。
需要注意的是，本文將圍繞PBR的核心理論做闡述，以實時渲染領(lǐng)域的Cook-Torrance的BRDF光照模型為實現(xiàn)案例。其它旁系理論不在本文探討的范圍，可以查閱其它文獻(xiàn)。
二. 初階：PBR基本認(rèn)知和應(yīng)用
2.1.1 PBR概念
PBR（Physically Based Rendering）譯成中文是基于物理的渲染。它是利用真實世界的原理和理論，通過各種數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)或簡化或模擬出一系列渲染方程，并依賴計算機硬件和圖形API渲染出擬真畫面的技術(shù)。
2.1.2 與物理渲染的差別
那它為什么不叫物理渲染（Physical Rendering）呢？
物理渲染（Physical Rendering）是指跟真實世界完全一致的計算機渲染效果。
為了回答這個問題，先了解一下真實世界的成相原理。
真實世界的物體有著各自的材質(zhì)屬性和表面特征，它們受到各種局部燈光和全局環(huán)境光的影響，而且它們之間又相互影響，最終這些信息通過光波的形式進(jìn)入復(fù)雜的人眼構(gòu)造，刺激視神經(jīng)形成生物信號進(jìn)入大腦感光皮層，最終讓人產(chǎn)生視覺認(rèn)知。（下圖）
有論文指出，絕大多數(shù)人的眼睛可以接收相當(dāng)于5億~10億個像素的信息量。目前主流的分辨率才百萬~千萬級別，加上顯示器亮度范圍和屏幕像素間距的限制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到億級像素的渲染和亮度表示范圍。
基于現(xiàn)階段的知識水平和硬件水平，還不能渲染跟真實世界完全一致的效果，只能一定程序上模擬接近真實世界的渲染畫面，故而叫基于物理的渲染（Physically Based Rendering），而非物理渲染（Physical Rendering）。
2.1.3 PBR的特征
這節(jié)闡述的是PBR呈現(xiàn)的效果特征，而非底層物理原理的特征。
相比傳統(tǒng)的Lambert著色和Phong著色，PBR著色在效果上有著質(zhì)的提升，可以表示更多更復(fù)雜的材質(zhì)特征：
表面細(xì)節(jié)
物體粗糙度
區(qū)別明顯的金屬和絕緣體
物體的渾濁程度
菲涅爾現(xiàn)象：不同角度有不同強度的反射光
半透明物體
多層混合材質(zhì)
清漆效果
其它更復(fù)雜的表面特征
Phong模型著色效果，只能簡單地表現(xiàn)理想模型的漫反射和高光，渲染出的效果跟真實世界相差甚遠(yuǎn)。
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