[sig12][pbs]《机器人总动员》和《飞屋环游记》中的光照模型

http://blog.selfshadow.com/publications/s2012-shading-course/smits/s2012_pbs_pixar_model_slides_v2.pdf

http://blog.selfshadow.com/publications/s2012-shading-course/smits/s2012_pbs_pixar_model_notebook_v2.pdf

siggraph2012的practical physically based shading in films and game production中的一篇。

pixar带来。

很喜欢wall-e，终于可以探知其光照模型的究竟了。

pixar在<Wall-E>中使用了新的光照模型，我们可以对比<Wall-E>与pixar之前的动画，可以发现品质有了不小的提升，之前是比较Q版的，到了Wall-E动画的感觉更多体现在里面模型的风格上，画面简直真的一样。

必要性

换到现在这个光照系统（其中包含physical based shading部分，也有其他的改进）的几个原因：（基本也耳熟能详了）

• 需要更真实的观感
• 更加高效的渲染速度---也就加快了迭代时间
• 简化光照模型
• 原先基于拼凑的方法过于复杂，导致shader参数调整的时间很长
• 包括diffuse，specular, rim, 其他的组成部分
• 而且和各种不同的类型的光进行计算
• 
  
• 原先很多多层的材质，渲染巨费

那么新模型的需求也就简单明了了：

• 更简单的参数，易于使用
• 大部分材质的参数简化到：
• color, roughness, metal
• 
  
• 必要的时候也可以进行一些hack
• 更真实稳定的观感
• 更真实的fresnel现象
• higher dynamic range
• 基于物理的BRDF
• 光的亮度也更高
• 能量守恒
• 对于材质在各种光照环境下保持稳定的观感比较重要

• 不同材质之间对于光照的计算结果能够保持稳定和一致
• 在一种光照环境下，调出一个比较真实的或者说好的效果是比较简单的，但是在所有环境下都适用则极其困难，可以说只能通过正确的基于物理的数学模拟来做到
• 也能做一些简单明了的hack来调整
• 在材质和光照上都有一些

光照

光的行为，包括：

• 在材质表面反射：specular/reflection
• 漫反射和散射

那么我们可以通过两个参数表达：

• roughness：很多模型里面roughness和specularpower都是可以互相转换，物理意义也比较像了
• metallic：这个比较少见，控制subsurface diffuse和镜面反射（这个说的不是很明白，从下面这个图上感觉还就是在能量守恒的前提下，控制subsurface diffuse）
• 
  

Diffuse

对于非金属来说，有两个来源：

• subsurface scattering，这个也是主要来源, 受fresnel现象影响比较多，
• multiple interface reflection，随着roughness的增加而增加

金属类：

只是来源于multiple interface reflection。

透明（transparency）

包括三个部分：

• transmitted diffuse
• transmitted specular
• refraction

同时也和subsurface scattering相关。

多层（layering）

tri-ace也提到了，看来这个的确是一个进一步发展的时候会面临的课题。

也就是两层这样的：

合成一个这样的：

一般的原理就是光线经过一个transmission函数，透到下一个layer。

transmission的过程中就包含scattering，光线进入和反射出都会经过这样的过程，这样就类似一个blur filter。

记得能量守恒。

最后的结果：

最后的结果

WALL-E和UP（飞屋环游记）都是用这一套系统，很容易得到basic material。并且也易于创建大量复杂的材质。

光照上稳定一致，打光的哥们不用去改shader了，那么进度也就很快。

简化和灵活性都非常重要。