LearnOpenGL.PBR.IBL

概述：

IBL：image based lighting，一种间接光照(indirect lighting)技术，将周围的环境存在一张环境贴图（基于现实世界或3D场景生成）里面，然后将环境贴图上的每一个像素都当做一个光源发射器。这样我们能有效地捕捉环境的全局光照环境和大体感觉，让渲染物体有一种沉浸在环境中的视觉效果。在PBR pipeline中引入IBL环境光照可以让渲染结果更加的物理可信。

    那么如何在PBR中实现IBL光照计算了，我们先来回忆一下PBR的反射率方程：

    IBL和直接光照不一样（光照来源可枚举），每个材质表面上的点都需要计算半球领域上的所有入射光线。

    那么两点：

    （1）根据某个方向得到该方向上光照对应的辐射率？方法：贴图采样

    vec3 radiance = texture(_cubemapEnvironment, w_i).rgb;

    （2）需要解决实时积分运算的效率问题？方法：预处理卷积

    首先将反射率方程的反射和折射部分分开计算：

    那么我们就可以分开讨论两部分的优化实现方法。

 

一 折射部分，漫反射辐照度 Diffuse irradiance：

    我们将不依赖积分因子的常量移出积分部分：

    这样积分就只和wi入射光方向有关系了（在IBL计算中我们假设p处于环境的中心位置）。然后我们通过 预计算的方式， 生成一个新的cubemap(irradiance cubemap, convoluted cubemap)，通过 卷积计算将每个采样方向漫反射积分结果(diffuse integral's result)存储在cubemap对应的像素上。

    卷积是将一些计算应用于数据集中的每一个条目，同时考虑到数据集中的所有其他条目。也就是说，新生成的cubemap每一个方向的采样结果，都已经直接考虑了半球领域里其他所有方向的采样值（最后取平均值），这样采样一次，就可以得到diffuse irradiance，效率问题解决。

    左边是环境贴图cubemap，右边是预计算生成的irradiance map（辐照图贴图）：

    图片来源： https://www.indiedb.com/features/using-image-based-lighting-ibl

    从任何方向采样这张辐照度贴图，都能得到该方向受到的场景辐照度(irradiance)。

        vec3 irradiance = texture(irradianceMap, N);

PBR和HDR:

    PBR和HDR紧密相联。irrandiance map使用每个像素存储indirect light intensity（间接光照强度）。物理上的环境光照范围很广，灯泡和太阳的光照强度差异非常之大，所以environment map光照强度的取值范围很广，也就是说这张环境贴图必须是HDR的。

    普通的cubemap是LDR的（每个面各存储了一张普通LDR贴图），在使用时直接从某个面上的贴图采样颜色（颜色范围从0.0-1.0），这个小范围的值用来做颜色输出是没任何问题的，但是，当用来作PBR的物理输入参数时，0.0-1.0的取值范围就明显不够用了。

HDR辐射率格式文件(The radiance HDR file):

    格式：***.hdr

    存储： 不使用每通道32位存储，而是使用每通道8位存储，然后使用alpha通道作为指数。不过这样确实会损失一些精度。

    使用：需要手动做一次转换，将采样到的颜色值转换为对应的浮点值。

    HDR下载地址： http://www.hdrlabs.com/sibl/archive.html

    equirectangular map：从一个球体投射到平面上所得到的一张单一的图。多数情况，都采用水平视角来进行投影，不过也有从底部或顶部视角来投影的。

    基本所有的HDR贴图都是默认处在线性空间。

diffuse lighting计算过程（重要）：

    因为IBL计算的是周围环境的光照影响，没有任何的直接光照，所以IBL计算出来的diffuse成分和specular成分都被当做ambient lighting（环境光）的组成部分。

    首先引入预计算的irradiance map：

    uniform samplerCube irradianceMap;

    按照直接光照PBR的计算过程：

    vec3 kS = fresnelSchlick(max(dot(N, V), 0.0), F0);
    vec3 kD = 1.0 - kS;
    vec3 irradiance = texture(irradianceMap, N).rgb;
    vec3 diffuse    = irradiance * albedo;
    vec3 ambient    = (kD * diffuse) * ao;

（1）因为光照来自于半球领域的所有方向，所有就没有直接光照的半角向量的概念，于是为了模拟Fresnel，我们使用法线和观察向量的夹角来计算Fresnel系数；

（2）因为没有考虑到roughness，所以反射率会偏高，按照直接光照的经验，我们希望粗糙的表面反射会弱一些，所以我们在计算菲涅尔系数时直接引入粗糙度， https://seblagarde.wordpress.com/2011/08/17/hello-world/：

    vec3 fresnelSchlickRoughness(float cosTheta, vec3 F0, float roughness)
    {
        return F0 + (max(vec3(1.0 - roughness), F0) - F0) * pow(1.0 - cosTheta, 5.0);
    }   

    引入粗糙度以后的计算过程：

    vec3 kS = fresnelSchlickRoughness(max(dot(N, V), 0.0), F0, roughness);
    vec3 kD = 1.0 - kS;
    vec3 irradiance = texture(irradianceMap, N).rgb;
    vec3 diffuse    = irradiance * albedo;
    vec3 ambient    = (kD * diffuse) * ao;

从Equiretangular到Cubemap的转换（了解即可）：

    直接使用equirectangular map对比使用cubemap要耗费一些，因为需要额外的转换过程。

cubemap卷积计算思路（了解即可）：

    在半球领域按照立体角dw来计算有点困难，可将半球领域按照经纬度划分成小格子，然后根据经纬度计算积分：