PBR的兩種常見工作流程以及底層用法

Hello，大家好，今天給大家帶來PBR的工作流程，我是幾維。萬物皆可PBR。最近覺得PBR裏麵一些底層邏輯沒有吃透，所以又再次學習鞏固了一下。整理了一套更加簡練的學習筆記。參考了很多網上的文章並不是原創，主要還是提煉官方信息為主。具體內容還是圍繞PBR的兩種常見工作流程以及底層用法。

一、什麼是PBR

PBR是一種著色和渲染的方法，可以更加準確表達光是如何與表麵互相作用。是基於物理渲染（PBR)或者基於物理著色(PBS)的過程。PBS通常指著色概念。而PBR指渲染和照明。

二、PBR的優勢

1. 不再需要猜測材質紋理，算法基於物理上的準確公式。

2. 任何光照條件看起來都很準確。

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度的菲尼爾反射率：

當光線筆直或垂直（以0度角）撞擊表麵時，該光線的一部分會被反射為鏡麵反射。使用表麵的折射率（IOR)，可以推導出反射量。這被稱為F0。

BRDF雙向反射分布函數：

描述了光線如何在物體表麵進行反射，可以用來描述材質屬性。就是當光線沿著入射方向到達表麵某點時，有多少能量被反射到觀察（反）方向上函數形式Fr(wi,wr)，其中wi為入射方向、wr為出射方向，(N是法線方向）。

非導體（電介質）的F0：

PBR中通常模擬為0.04（線性）,也就是4%。常見的電介質F0範圍為0.02-0.05（線性）,導體的F0範圍為0.5-1.0。

四、PBR的兩種工作流程

通用部分：

1. AO（Ambient Occlusion）環境光遮蔽：隻影響漫反射結果，不遮擋鏡麵反射。

2. Normal法線：用於模擬表麵細節。貼圖中RGB通道分別對應的是表麵上不同部位法線的XYZ坐標。

3. Height高度：用於視差映射，為凹凸/法線貼圖提供了更明顯的深度。

Metallic - Roughness 金屬度和粗糙度流程：

在Metallic-Roughness工作流程中，金屬的反射率值與電介質的反射顏色一起放置在basecolor中。掠射角的反射由BRDF處理。它的作用就像一個遮罩來區分在basecolor中找到金屬和電介質數據。電介質F0值是由著色器(shader)處理的。當著色器（shader）在Metallic貼圖中看到黑色時，會將basecolor中的相應區域看作電介質並使用4%（0.04）反射率值。

1. BaseColor（RGB三通道-sRGB空間) = 漫反射（電介質反射顏色）+金屬反射。

2. Matallic(Grayscale灰度圖-Linear線性空間) 作為一個0-1的黑白值遮罩調整金屬與非金屬。

3. Roughness（Grayscale灰度圖-Linear線性空間）灰度圖值 0代表光滑表麵，而1代表粗糙表麵。

優點：紋理占用內存少，因為金屬和粗糙度貼圖都是灰度圖（單通道）。

缺點：F0不容易自己指定，但是Substance中提供了一個“Specular Level”節點來解決。白邊現象比較明顯,尤其是在低分辨率的情況下。

Specular - Glossiness 鏡麵反射和光澤度流程：

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

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

3. Glossiness（Grayscale灰度圖-Linear線性空間）與Roughness相反，值為0代表粗糙表麵，而1代表光滑表麵。

優點：可以自己控製非金屬F0值。

缺點：F0可能用錯從而導致破壞PBR原則，因為工作流程有些名詞和傳統的工作流太相似，但實際對應的數據可能是不一樣的。RGB貼圖多，占用內存多。

五、結論

有聽到過一種說法是：Substance智能材質讓大家做的東西都有趨同的傾向。這裏我覺得官方說的一段話很有價值。

作為藝術家，我們需要以不同的方式去思考描述一個材質表麵的屬性，因為計算機硬件和渲染的進步使我們可以更加密切地模擬光的物理特性。我們需要從傳統渲染工作流程中摒棄漫反射和鏡麵反射貼圖的概念，因為這些貼圖僅用作近似光與材料的交互解決方法。

在PBR中，著色器通過能量守恒和BRDF處理繁重的物理規則，而作為藝術家，我們創建的貼圖是基於物理原則的引導。PBR的科學方麵消除了對材質值的猜測，讓我們可以將更多的時間花在紋理的創造性方麵。雖然正確遵守指南很重要，但這並不意味著必須無視我們的藝術直覺。正是藝術視角真正為材質賦予了個性。通過精心製作的細節和表達方法來揭示其故事。這個過程永遠不應該是藝術家的主要關注點。僅僅因為我們在物理上更精確的環境中工作並不意味著我們不能創造風格化的藝術。例如，迪士尼基於物理的反射模型被設計為一種有原則的方法。也就是說，它更傾向於藝術方向，而不是嚴格的物理模型。重要的是要了解原則並使用指南，把有效信息提煉出來舉一反三。而不是成為他們的奴隸。

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來源：Thepoly公眾號