physically based shading@tri-ace

tri-ace studio，日本的一个工作室，<星海>的开发商，多次在siggraph上做presentation，内力深厚。

这个paper是tri-ace在“SIGGRAPH 2010 Course: Physically BasedShading Models in Film and Game Production”上的一个。

links:

http://renderwonk.com/publications/s2010-shading-course/gotanda/slide_practical_implementation_at_triace.pdf

http://renderwonk.com/publications/s2010-shading-course/gotanda/course_note_practical_implementation_at_triace.pdf

这个video相信很多人都看过，就是tri-ace的杰作：

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传统的blinn phong模型：

这里谈到fresnel的物理意义的一些解释，关键是里面参数的含义，f0(fresnel coefficient)是指viewDir与lightDir在成0度时候与90度时候的比值，在schlick的公式中可以明显的看到这一点。

f0是一个和材质物理属性相关的系数：

这里的n是refractive index，这里可以看看wiki上的解释，http://en.wikipedia.org/wiki/Refractive_index，其实是中学时候学的一个物理量：折射率。

所以其实一个材质就对应一个f0，这个都是定死的。

所以这个值需要针对物理材质有一个正确的设定，比如说质感比较“乌”的一个材质，那么f0就需要比较小，这样成0度角的时候反射较弱的，成180度时候是将近镜面反射，应该是比较强的。

但是如果美术根据直觉来设置就会比较麻烦，因为人眼识别亮度不是线性的而是一个log space的high dynamic range的，所以实际上specular亮1000倍的情况，可能直觉上是10倍。

tri-ace除了可以让美术直接添参数之外，还加了很多预置好的材质template来让美术有一个快速方便的选择。

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为什么physically based？

大家逐渐口径一致了：

• 更加的写实
• 更少的参数
• 面对不同光照环境更一致的表现

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BRDF模型

tri-ace的BRDF模型是：

fresnel使用的是schlick fresnel approximation:

tri-ace的brdf是基于blinn phong model进行一些改进，其中有用来做能量守恒的normalize项，它的推导过程：

这里是一个关键的优化，也是常用的方法，就是曲线近似：

所以最后公式优化修订为：

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ambient brdf

tri-ace希望在ambient中也追求质感，所以也做了个ambient的brdf。

由于ambient lighting一般被认为是一个area lighting，所以brdf公式是一个半球积分：

这面的p(n,f0,w,w`)这个函数就是上面的那个BRDF函数。

这个积分肯定不具有实时计算性，所以tri-ace把它给存到一个volume texture里了。

为了性能，specular term是使用这个半球积分算的，diffuse就变成diffuseColor*(1-specularTerm)这样。

实际使用中incoming light color还是往常一样，比如sh lighting就用normal来算，env map就用reflect vector来算。

看下对比图，效果还是很显著的：