Unity Shader 学习笔记（31） 基于物理的渲染技术（PBS）、BRDF

Unity Shader 学习笔记（31） 基于物理的渲染技术（PBS）、BRDF

参考书籍：《Unity Shader 入门精要》
【《Real-Time Rendering 3rd》 提炼总结】(六) 第七章 · 高级着色：BRDF及相关技术

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基于物理的渲染技术（Physically Based Shading, PBS）

是为了对光和材质之间的行为进行更加真实的建模。

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光

在物理学上，光是一种电磁波。光与物体相交，一些光线被吸收（absorption），另一些被散射（scattering），最后被感应器（眼镜）吸收成像。

• 对于金属材质，一般所有折射的光线都会被直接吸收。
• 对于非金属材质，则会同时表现吸收和散射两种现象。散射出去的光称为次表面散射光（subsurface-scattered light）。

如下图：蓝色的就是次表面散射。

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双向反射分布函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF）

辐射率（radiance）：通常用L表示，量化光的单位。指单位面积、单位方向上光源的辐射通量。

绕着表面法线旋转入射方向或观察方向不会影响BRDF结果，称作各项同性（isotropic）的BRDF，对应各项异性（anisotropic）。

BRDF可以用 f(I, v)表示，I为入射方向，v为观察方向（双向的含义）。表示一束光延入射方向I到达表面时，能有多少部分的能力会反射到观察方向v上。BRDF的两种理解方式：

• 给定入射角度，BRDF可以给出所有出射方向上，反射和散射光线的相对分布情况。
• 给定观察方向（出射方向），BRDF可以给出所有入射方向上，到该出射方向的光线分布。

反射等式（reflection equation）：出射辐射率L_o(v) = 所有（做积分）入射方向的辐射率（L_i(I)） × 对应观察方向所占权重（BRDF值f(I, v)） × 该表面投影结果（余弦值(n · I)） 。

游戏中通常和精确光源打交道，可以简化公式：I_c为该光源方向，c_light为光源颜色。

判断BRDF是否基于物理：是否满足交换律（ f(I, v) = f(v, l)）和能量守恒（表面反射的能量不能超过入射的光能，即 L_o ≤ 1）。

BRDF两种不同现象：表面反射和次表面散射。

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漫反射项（diffuse term），描述次表面散射

Unity中漫反射项：roughness为表面粗糙度。

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高光反射项（specular term），描述表面反射

微面元理论：物体表面由许多微面元组成，这些微面元被认为是光学平滑的，即有高光反射。
I：入射方向，v：观察方向，m为法线（ I 和 v 的一半h）。

BRDF的高光反射项表示形式：

• D(h)：法线分布函数（normal distribution function, NDF）。用于计算有多少比例的微面元满足m=h。
• G(I, v, h)：阴影-遮掩函数（shadowing-masking function）。用于计算满足m=h中，没被遮挡的，能成功反射到视角的微面元浓度。
• F(I, h)：菲涅尔反射函数（Fresnel reflectance）。上面两步之后，反射光占入射光的比例。
• 4(n · I)(n · v)：校正因子。用于校正从微面元从局部空间到整体宏观表面数量的差异。