基于物理法则设计材质可以简化着色和照明，即使我们不追求完全的写实。理解和遵循一些原则，可以使图像更可信，以及让材质在不同的照明组合下都有可预见的效果。

在现代渲染器中，基于物理渲染（PBR）是指某些概念，诸如能量守恒定律、物理上可信的散射、材质分层、线性色彩空间（energy conservation, physically plausible scattering and layering in materials and linear color spaces）。虽然阿诺德是基于物理渲染器，但可以根据所需允许你打破这些规则，创造不符合物理法则的材质。在这份文档中，我们会解析基本理论，以及如何使你的shader遵循这些原则。

光子和散射

在渲染中我们模拟光子从灯光中发射，透过空气或体积物，经过表面反射，最终落在相机的传感器上。无数光子在传感器的组合，便形成了渲染出来的画面。

这意味着在物理的观点看来，表面shader描述了表面是如何跟光子相互作用的。光子落在物体上，有可能被吸收、反射、穿过表面折射、或者在物体的内部散射。这些元素的组合，构成了多种多样的材质。

能量守恒定律

除非一个物体是发射光子的光源，否则它不能返回比接收的光线更多的能量。为了材质能量守恒，离开表面的光子数量会少于或等于接收的光子数量。如果一个材质不能量守恒，它会表现得过亮、渲染出更多噪点，特别是开启全局照明（GI）的时候。

为了保证能量守恒，一个材质各元素的分量（weight）和颜色不能超过1，我们也要小心地确保各元素的总合成也遵循能量守恒，之后会进一步解释。

材质

在微观层面，物体表面有复杂的细节。在渲染的时候，我们不需要用几何体表现这些细节，而是使用含有简单易懂的调节参数的统计学模型。阿诺德的Standard Surface shader有1或2个镜面反射层，还有漫反射或透明的内部。这个shader能表现大量的材质，接下看看各个独立的部分。

漫反射和次表面散射

首先考虑漫反射内部。迎面而来的光子会进入物体内部，在里面散射，被吸收或者从别的位置离开物体。如果光子散射了很多次，我们会得到一个漫反射的外观，由于光子从不同的位置和角度离开物体。对于一些物体例如皮肤，光子可以在表面以下散射得相对较远，得到一个柔软的外观，因此使用次表面散射渲染。对于一些物体例如未加工的木头，光子不会散射得太远，造成一个坚硬的外观，所以使用漫反射渲染。对于薄的物体例如树叶，光子可以散射到物体的另一边，所以我们使用sss漫反射渲染，并开启thin_wall。

注意，这些种类的物体根本上都有着相同的深层物理结构，即使我们在shader中提供了独立的控制点。

漫反射内部也对物体整体颜色有着巨大影响。每一个光子有着相关联的波长，取决于材质的属性，拥有某些波长的光子会比其他光子更易被吸收。相反地，某些光子也更容易离开物体表面，这就产生了颜色。