什么是PBR？
一. 預(yù)備知識
PBR就是Physically-Based Rendering的縮寫，意為基于物理的渲染。它提供了一種光照和渲染方法，能夠更精確的描繪光和表面之間的作用。以前是模擬燈光的外觀，現(xiàn)在是模仿光的實際行為。
使用PBR有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：
第一，PBR提供了一種穩(wěn)定的美術(shù)工作流程
第二，材質(zhì)在所有光照條件下看起來都是沒有明顯的錯誤。
第三，用PBR方法創(chuàng)建材質(zhì)更容易，創(chuàng)建材質(zhì)屬性時不再僅僅依靠經(jīng)驗依靠直覺，而是根據(jù)真實數(shù)據(jù)設(shè)置。
二、PBR組成部分
燈光屬性：直接照明、間接照明、直接高光、間接高光、陰影、環(huán)境光閉塞
表面屬性：基礎(chǔ)色、法線、高光、粗糙度、金屬度
1). 燈光屬性
I.? 光線類型?
入射光? ? ? ? ? ? ??
直接照明：直接從光源發(fā)射陰影物體表面的光
?間接照明：環(huán)境光和直接光經(jīng)過反彈第二次進(jìn)入的光
反射光
鏡面光：在經(jīng)過表面反射聚焦在同一方向上進(jìn)入人眼的高亮光
漫發(fā)射：光被散射并沿著各個方向離開表面
II.? 光與表面相互作用類型
直接漫反射：從源頭到四面八方散發(fā)出來的直接高光
直接高光：直接來自光源并被集中反射的光
間接漫反射：來自環(huán)境的光被表面散射的光
間接高光：來自環(huán)境光并被集中反射的光
a. 直接漫反射
直接來自光源的光
撞擊表面后散落在各個方向
在著色器中使用簡單的數(shù)學(xué)計算
b. 直接高光
直接來自光源的光
反射在一個更集中的方向上
在著色器中使用簡單的數(shù)學(xué)計算
直接鏡面反射的計算成本比漫反射低很多
c. 間接漫反射
來自環(huán)境中各個方向的光
撞擊表面后散落在各個方向
因為計算昂貴，所以引擎的全局照明解決方案通常會離線渲染，并被烘培成燈光地圖
d. 鏡面反射
來自環(huán)境中各個方向的光
反射在一個更集中的方向上
引擎中使用反射探頭，平面反射，SSR，或射線追蹤計算
2) 表面屬性
（1）基礎(chǔ)色
定義表面的漫反射顏色
真實世界的材料不會比20暗或比240 sRGB亮
粗糙表面具有更高的最低~ 50srgb
超出范圍的值不能正確發(fā)光，所以保持在范圍內(nèi)是至關(guān)重要的
基礎(chǔ)色貼圖制作注意點(diǎn)：
不包括任何照明或陰影
基本顏色紋理看起來應(yīng)該非常平坦
使用真實世界的度量或獲取最佳結(jié)果的數(shù)據(jù)
（2）法線
定義曲面的形狀每個像素代表一個矢量
該矢量指示表面所面對的方向即使網(wǎng)格是完全平坦的
法線貼圖會使表面顯得凹凸不平
用于添加表面形狀的細(xì)節(jié)，這里三角形是實現(xiàn)不了的
因為它們表示矢量數(shù)據(jù)，所以法線貼圖是無法手工繪制的
（3）鏡面
用于直接和間接鏡面照明的疊加
當(dāng)直視表面時，定義反射率
非金屬表面反射約4%的光
0.5代表4%的反射
1.0代表8%的反射但對于大多數(shù)物體來說太高了
在掠射角下，所有表面都是100%反射的，內(nèi)置于引擎中的菲涅耳項
鏡面貼圖制作注意點(diǎn)：
高光貼圖應(yīng)該大多在0.5
使用深色的陰影來遮蓋不應(yīng)該反光的裂縫
一個裂縫貼圖乘以0.5就是一個很好的高光貼圖
（4）粗糙度
表面在微觀尺度上的粗糙度
白色是粗糙的
黑色是光滑的
控制反射的“焦點(diǎn)”
平滑=強(qiáng)烈的反射
粗糙=模糊的，漫反射
粗糙度貼圖制作注意點(diǎn)：
沒有技術(shù)限制-完全藝術(shù)的選擇
藝術(shù)家可以使用這張地圖來定義表面的“特征”，并展示它的歷史
考慮一下被打磨光滑、磨損或老化的表面
（5）金屬度
兩個不同的著色器通過金屬度混合他們
基本色變成高光色而不是漫反射顏色
金屬漫反射是黑色的
在底色下，鏡面范圍可達(dá)100%
大多數(shù)金屬的反光性在60%到100%之間
確保對金屬顏色值使用真實世界的測量值，并保持它們明亮
當(dāng)金屬為1時，鏡面輸入將被忽略
金屬度貼圖制作注意點(diǎn)：
將著色器切換到金屬模式
灰度值會很奇怪，最好使用純白色或黑色
當(dāng)金屬色為白色時，請確保使用正確的金屬底色值
沒有黑暗金屬這回事
所有金屬均為180srgb或更亮
3). 金屬度與非金屬單對比
非金屬
基礎(chǔ)顏色=漫反射
鏡面反射=0-8%
金屬
基礎(chǔ)顏色=0-100%的鏡面反射
鏡面=0%
漫反射總是黑色的
三. PBR的兩種工作流程
Metallic/Roughness（金屬值/粗糙度）；
Specular/Glossiness（鏡面反射/光澤度）
1.Albedo
可以理解為物體的基礎(chǔ)色Base Color,即該物體本身顏色，也是漫反射光的顏色。
其實該顏是色光的折射被物質(zhì)吸收并形成漫反射后，成為不同波長的光，這就賦予了物體顏色。比如說物體呈現(xiàn)藍(lán)色，是因為其把除了藍(lán)色的光都吸收了，散射出來的光的波長是在藍(lán)色所在范圍內(nèi)。
2.Metallic
即金屬度，表示了反射時發(fā)生鏡面反射和漫反射的光線的占比。
Metallic度越大，發(fā)生鏡面反射的占比越大，漫反射diffuse占比越小，一般金屬物體的金屬度比較大：70% ~ 100%之間；
Metallic越小，發(fā)生鏡面反射的占比越小，漫反射diffuse占比越大，一般非金屬物質(zhì)金屬度比較??；2% ~ 5%之間，寶石的大概8%；
金屬是沒有漫反射的，折射進(jìn)表面的光照全部被吸收。但是一些腐蝕性的金屬，其腐蝕的部分具有漫反射。
3.Specular
這個沒什么好說的，就是鏡面反射，對于非金屬物質(zhì)，其鏡面反射的sRBG范圍在40 ~ 75；對于金屬物質(zhì)，其sRGB范圍在155 ~ 255
其也是表示0度時的菲涅爾系數(shù)RF（0°）。
4.Roughness
即粗糙度，其與Smoothness（光滑度，也稱為Glossiness光澤度）相反。其表示了物體表面的不規(guī)則程度，決定了在發(fā)生鏡面反射時入射光線與法線的夾角大小。
粗糙度roughness越大，鏡面反射的出射光線分散的角度就越大，光照越模糊；
粗糙度roughness越小，鏡面反射的出射光線分散的角度就越小，光照越尖銳；
5.Metal-Roughness
在Metal-Rougnness流程中，分別對應(yīng)BaseColor，Roughness，Metallic這三個參數(shù)；
在Metal-Roughness流程中，只要按照流程，分別設(shè)置好BaseColor，Roughness，Metallic，就可以基本確定物體材質(zhì)的視覺效果；
6.Specular-Glossiness
在Specular-Glossiness流程中，參數(shù)發(fā)生了變化，分別為Diffuse，Glossiness，Specular三個參數(shù)；
在Specular-Glossiness流程中，Diffuse和Specular共同決定了物體的basecolor，和表面鏡面反射和漫反射的比例，與第一種流程的區(qū)別在于，此流程直接指定確定的占比值，第一種是根據(jù)Metallic屬性，自動匹配相應(yīng)的占比值；
通過上面的介紹，我們可以只知道，在真實的生活中，視覺效果的呈現(xiàn)，主要取決于：
自然光照下，物體呈現(xiàn)的顏色（BasedColor/Albedo）；
物體表面對光線的鏡面反射角度(Roughness)；
物體表面對光線鏡面反射和漫反射的比例(Metallic/Specular)；
兩個流程的共同貼圖
最右側(cè)三張貼圖 AO，normal，height都是為了增加材質(zhì)貼圖的細(xì)節(jié)，使得其看起來更真實。
AO貼圖 （ambient occlusion map）AO貼圖會根據(jù)模型某一部分相對于其他組成部分或者其他模型之間的幾何距離，模擬模型的光影效果，比如一些夾角會更暗或者更亮，某一些面因為其他模型部分的影響，可能光照更少。
法線貼圖（normal map）normal貼圖會根據(jù)光照環(huán)境，優(yōu)化模型表面的光影效果，比如一些凸起凹陷等細(xì)節(jié)；
高度貼圖（height map）height貼圖會給模型本身根據(jù)實際需要增加凸起或者凹陷的幾何效果。比如木質(zhì)模型，某處被敲打而導(dǎo)致的凹陷效果。
四、各自的優(yōu)劣
1、Metal/Roughness工作流：
優(yōu)勢：
非導(dǎo)體的F0都是固定的，所以美術(shù)在使用時不容易出錯。
紋理緩存壓力小，因為Metallic和Roughness都是灰度貼圖。
是目前兼容性最好的工作流。
劣勢：
非導(dǎo)體的F0固定為0.04，但其實想要改動也是可以的。
白色邊緣問題明顯，尤其是低分辨率下。
2、Specular/Glossiness工作流
優(yōu)勢：
產(chǎn)生的黑邊較于M/R工作流的白邊更能接受，沒有那么明顯。
可以在鏡面反射貼圖中對F0自由調(diào)整。
劣勢：
因為F0可以自由調(diào)整，所以可能會導(dǎo)致美術(shù)輸入錯誤的值從而打破能量守恒。
因為有兩張RGB貼圖，對性能要求更大。
需要美術(shù)對PBR的理解更高，才能正確制作各種貼圖。
linear模式
在PBR流程中，環(huán)境光線效果需要使用linear模式，原來的gamma模式不再適用。因為gamma模式本身是為了使其他技術(shù)渲染出來的模型具有更真實而效果，對環(huán)境光進(jìn)行了修正。但是在pbr中，貼圖在設(shè)計的時候，完全是按照真實的環(huán)境中的光照去計算的，所以此處不再需要修正。
這里補(bǔ)充一些色彩空間的知識：
linear（線性色彩空間）和srgb,HDR區(qū)別
人眼有光線自適應(yīng)的特性，這樣也是能讓人在暗的場景里看到更多東西，在亮的場景里能分辨更多東西，這種效果一般從電影院這樣昏暗的場所里走出來更能體會，眼睛會有一個慢慢適應(yīng)的過程?，F(xiàn)在攝像頭一般也會自適應(yīng)曝光度，但是工業(yè)需求的有些還是需要不自動的，三維渲染之中，如果把這種真實完全模擬的圖像給人眼看到，會感覺比我們?nèi)搜劭吹交野档亩?，所以一般會在硬件方面做一個反曲線最后變成srgb的色彩空間讓人看到。
游戲引擎里面最終效果給人看到，當(dāng)然是這種強(qiáng)化過的適應(yīng)人眼的色彩空間，但是我做光照計算和貼圖就不行，因為會由于多次的色彩強(qiáng)化導(dǎo)致最終畫面強(qiáng)烈失真，這時候就是需要linear的色彩空間，計算時候用真實色彩，直到輸出這一步把色彩強(qiáng)化一遍以適合人眼。unity很早就是linear的色彩空間，但是由于后期最后一部的矯正方面很多從業(yè)人士的素養(yǎng)不足，或者完全沒有這個意識，做出來的效果完全是不正確，或者缺乏調(diào)整彈性的。而unreal則在工作流上面幾乎是整合和后期的色表，去解決這個問題。
而HDR是模擬人眼的過程,能看到更廣范圍的光（就是亮的時候能更亮瞎），HDR圖像的一般色域也超過普通的RGB色域（但也可以不超過）。HDR在unity中需要勾選攝像機(jī)上的HDR選項和使用延遲渲染deferred才能（否則會有濾鏡提示The camera is not HDR enabled 這是沒使用延遲渲染），要看出效果還要加個bloom之類的
Unity中的PBS
先來看看PBR和PBS的關(guān)系：
PBR（Physically Based Rendering）是一種渲染方式，它使用的材質(zhì)是PBS（Physically Based Shader），中文名：基于物理的渲染技術(shù)?？梢詫夂筒馁|(zhì)之間的行為進(jìn)行更加真實的建模。（之前我們已經(jīng)聊過一種簡單的建模，標(biāo)準(zhǔn)光照模型）PBS只考慮材質(zhì)在真實物理環(huán)境下應(yīng)該有的效果。PBR包括的范圍會更廣一些，比如GI/AO/SUN等復(fù)雜情況，這些東西加上PBS，才是PBR。
Unity中的PBS即是把PBR算法（具體算法實現(xiàn)請等待下回分解）封裝起來，只用修改PBS的參數(shù)就能達(dá)到PBR的效果。
在Unity中，PBS分為兩類，一個叫做Standard，一個叫做Standard（Specular Setup）,我們把它稱為標(biāo)準(zhǔn)著色器的高光版，它們共同組成了一個完整的PBS光照明模型，而且非常易于使用。
Standard(Specular Setup)
其使用流程為：
可以發(fā)現(xiàn)Standard(Specular setup)對應(yīng)的即是我們上面講的Specular-Glossiness流程。
其中Albedo貼圖即是物體的BaseColor，Specular貼圖反映了物體的Specular值，Smoothness反映了物體的光滑度（即Roughness）。
Standard
其使用的流程為：
可以發(fā)現(xiàn)其與Standard(Specular Setup)不同的是Specular貼圖替換成了Metallic貼圖。Metallic貼圖對應(yīng)的是材質(zhì)的金屬度，Standard所對應(yīng)的即是我們上面提到的Metal-Roughness流程。
Standard與Standard(Specular setup)比較
下面借用UWA的一張圖，綜述一下Unity中PBS的工作流程。如果把standard shader想成一個黑盒子，想要計算材質(zhì)球在不同光照情況下的顏色。PBS最核心是BRDF函數(shù)，輸入分為兩類：第一類是材質(zhì)的屬性（幾何信息、位置、法線等），材質(zhì)的顏色信息（不管用金屬工作流還是高光工作流，本質(zhì)上都是為了得到漫反射顏色和高光顏色）。這樣材質(zhì)信息就準(zhǔn)備好了。第二類輸入是光照部分，光照部分分為兩類，直接光照（平行光/點(diǎn)光/聚光燈的顏色和方向），間接光照。間接光照又分為兩類，一類是漫反射光源（Unity的光照探針和lightmap），第二類是高光光源（Unity的反射探針）。
技術(shù)引用：
?pbr: http://richbabe.top/2018/06/25/%E6%8E%A2%E7%A9%B6PBR%E7%9A%84%E4%B8%A4%E7%A7%8D%E6%B5%81%E7%A8%8B%E4%BB%A5%E5%8F%8AUnity%E4%B8%AD%E7%9A%84PBS/
PBRUE4理論:
https://zhuanlan.zhihu.com/p/342484575
BRDF算法:?
https://zhuanlan.zhihu.com/p/307858836
