由淺入深學(xué)習(xí)PBR的原理和實(shí)現(xiàn)part_05(理論知識)轉(zhuǎn)載

2020-03-03 11:09 作者:Game藝視界 0人讀過 | 我要投稿

Hello .大家好

今天是2020年03月03日星期二

01集回顧點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)PBR知識體系_認(rèn)知和應(yīng)用(重要)

02集回顧點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)PBR在游戲引擎的應(yīng)用

03集回顧點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)雙向反射分布和PBR制作

04集回顧點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)PBR的光照實(shí)現(xiàn)

3.3 基于圖像的光照（Image Based Lighting，IBL）

基于圖像的光照（IBL）是對光源物體的技巧集合，與直接光照不同，它將周圍環(huán)境當(dāng)成一個(gè)大光源。IBL通常結(jié)合cubemap環(huán)境貼圖，cubemap通常采集自真實(shí)的照片或從3D場景生成，這樣可以將其用于光照方程：將cubemap的每個(gè)像素當(dāng)成一個(gè)光源。這樣可以更有效地捕獲全局光照和常規(guī)感觀，使得被渲染的物體更好地融入所處的環(huán)境中。

當(dāng)基于圖像的光照算法獲得一些（全局的）環(huán)境光照時(shí)，它的輸入被當(dāng)成更加精密形式的環(huán)境光照，甚至是一種粗糙的全局光照的模擬。這使得IBL有助于PBR的渲染，使得物體渲染效果更真實(shí)。

在介紹IBL結(jié)合PBR之前，先回顧一下反射方程：

如之前所述，我們的主目標(biāo)是解決所有入射光wi通過半球Ω的積分∫。與直接光照不同的是，在IBL中，每一個(gè)來自周圍環(huán)境的入射光ωi都可能存在輻射，這些輻射對解決積分有著重要的作用。為解決積分有兩個(gè)要求：

需要用某種方法獲得給定任意方向向量ωiωi的場景輻射。
解決積分需盡可能快并實(shí)時(shí)。

對第一個(gè)要求，相對簡單，采用環(huán)境cubemap。給定一個(gè)cubemap，可以假設(shè)它的每個(gè)像素是一個(gè)單獨(dú)的發(fā)光光源。通過任意方向向量ωi采樣cubemap，可以獲得場景在這個(gè)方向的輻射。

獲取任意方向向量ωi的場景輻射很簡單，如下：

對要求二，解決積分能只考慮一個(gè)方向的輻射，要考慮環(huán)境貼圖的半球Ω的所有可能的方向ωi，但常規(guī)積分方法在片元著色器中開銷非常大。為了有效解決積分問題，可采用預(yù)計(jì)算或預(yù)處理的方法。因此，需要深究一下反射方程：

可將上述的kd和ks項(xiàng)拆分

拆分后，可分開處理漫反射和鏡面反射的積分。先從漫反射積分開始

3.3.1 漫反射輻照度（Diffuse irradiance）

仔細(xì)分析上面方程的漫反射積分部分，發(fā)現(xiàn)Lambert漫反射是個(gè)常量項(xiàng)（顏色c，折射因子kd和π）并且不依賴積分變量。因此，可見常量部分移出漫反射積分：

因此，積分只依賴ωi（假設(shè)p在環(huán)境貼圖的中心）。據(jù)此，可以計(jì)算或預(yù)計(jì)算出一個(gè)新的cubemap，這個(gè)cubemap存儲了用卷積（convolution）計(jì)算出的每個(gè)采樣方向（或像素）ωo的漫反射積分結(jié)果。

卷積（convolution）是對數(shù)據(jù)集的每個(gè)入口應(yīng)用一些計(jì)算，假設(shè)其它所有的入口都在這個(gè)數(shù)據(jù)集里。此處的數(shù)據(jù)集就是場景輻射或環(huán)境圖。因此，對cubemap的每個(gè)采樣方向，我們可以顧及在半球Ω的其它所有的采樣方向。

為了卷積環(huán)境圖，我們要解決每個(gè)輸出ωo采樣方向的積分，通過離散地采樣大量的在半球Ω的方向ωi并取它們輻射的平均值。采樣方向ωi的半球是以點(diǎn)p為中心以ωo為法平面的。

這個(gè)預(yù)計(jì)算的為每個(gè)采樣方向ωo存儲了積分結(jié)果的cubemap，可被當(dāng)成是預(yù)計(jì)算的在場景中所有的擊中平行于ωo表面的非直接漫反射的光照之和。這種cubemap被稱為輻照度圖（Irradiance map）。

輻射方程依賴于位置p，假設(shè)它在輻照度圖的中心。這意味著所有非直接漫反射光需來自于同一個(gè)環(huán)境圖，它可能打破真實(shí)的幻覺（特別是室內(nèi)）。渲染引擎用放置遍布場景的反射探頭（reflection probe）來解決，每個(gè)反射探頭計(jì)算其所處環(huán)境的獨(dú)自的輻照度圖。這樣，點(diǎn)p的輻射率（和輻射）是與其最近的反射探頭的輻照度插值。這里我們假設(shè)總是在環(huán)境圖的中心采樣。反射探頭將在其它章節(jié)探討。

下面是cubemap環(huán)境圖(下圖左）和對應(yīng)的輻照度圖（下圖右）：