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PBR GUIDE by Allegorithmic vol.1 for Chinese.(Translate)
Published 3 months ago
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PBR GUIDE by Allegorithmic vol.1 for Chinese.(Translate)
光和材.
.于基于物理渲染&着色.理(Shading)的理.
光本身就是...的.象,因..是由波.和粒子的.象一起呈.出.的。..果.看,.多模型都是.了解.光的行.而做出.的。作.Texture artist,我..于解.光和材..的相互作用的Light Ray Model.感.趣。.我...,理解光.和表面材.是..反.的尤.重要。因.我.的工作就是做描.表面的理。我.要理解我..造的假想世界里面,.理和材.是..反.的,光是..行.的,.理看起.是...的。在本.程中,我...解.基于物理渲染的模型,物理.背后理.。我...定.光.和PBR里面一些重要的要素.始。
光.(Light Rays)
光.模型主.的是光.在和空.同.透明的媒.里面.有直..道。光.模型也主.光.和不透明的物..生.突,或者像.空.到水..,.移到不同的
媒..,能...向。.着光.的出.点.始,到....相同的其.形.的能量.止,使...程能用肉眼能.看到。和表面相.的光.叫作incident Ray, incident Ray的角度,被.作Incidence of Angle(入射角),在figure 01里面有。 光..到表面的.候,..生...象。
1. 光.表面被反射,改..播方向又返回原物.。此.,入射角等于反射角,遵循反射法.。(光被反射)
2. 光.一.媒.,以直.通..一.媒.。(光被折射) ....点我.可以.光.分.反射和折射..。在表面光.是被反射或者被折射。根据不同的媒.也有被吸收的可能。但是吸收不..生在表面。
The comprehensive PBR Guide by Allegorithmic . vol. 1 written by Wes McDermott | .. vich
吸收和.散(透明和半透明)
..不同的介.或者..半透明介..,光被吸收或者.散。
1. 吸收的情.,.着光..成其.形.的能量(.乎是.),光的强度也..少。.有.着.色,或者波.的不同,吸收的量不同。但是光.的方
向是不.生.化的。
2. .散的情.,光.的方向.着材.的偏差的量的不同,任意改.。.散的.,.然任意改.光.的方向,但是不改.强度。耳.就是.好的例子。耳.因..薄(吸收.少),耳.背部的光被.散出.。如果.有.散,吸收.少的.,光.就和.璃.材.一.,能.直通.。..例子,.在非常干.的游泳池里面,那...眼睛就能看得..楚。但是如果水..的.,.的粒子..光.生.散,..水就.得不透明了。光在..的材.,或者介.里面,..得越.害,.散或者吸收就越.害。所以物.的厚度.于光的.散或者吸 收起着.重要的作用。Thickness..,如figure 02里面看到的,在Shader里面用.表.物.的厚度。
漫反射和正反射(Diffuse and Specular (Reflection)
Specular Reflection是我.上面所.的光.主.中提到的在表面.生的反射。光.在表面被.射,往其.方向出去。..完全遵循在平面上,入射角和反射角相同的反射法.。但是,.乎所有的材.都是不..的,反射的方向取.于表.的粗.程度。光的方向.然.生了改.,但是强度不.。表面越粗.,生成的highlight就越大越暗。表.越光滑,在一定角度看的.候,看起.更亮,或者更强。.,specular是比.集中的。 .者光的.量如figure03所示被反射。Diffuse reflection,光被折射。
光..一.介.去.一.介..,在物.里面.生多次.散。如figure04中所示,.光第一次通.介.,然后又往原介.方向.生折射。
Diffuse材.具有.强的吸收力。..被折射的光.在Diffuse材.里面...逗留能被完全吸收提供了.好的.件。意思就是光..些材.往外出.的可能.入口.始,不需要太多的移.。.就是.什.入口和出口点可以无了。用于表...的Diffuse反射的lambert model,.算的.候是不考.表面的粗.程度的。但是也有像Oren-Nayar一.,考.表面粗.程度的Diffuse 反射 model。
同..有高分散和低吸收的材.,有..的可能是'participating media'或者 'translucent material'。.些材.有烟、牛.、皮.、玉、大理石等。
渲染后面三.材.(皮.、玉、大理石).,可以通.不忽.光.入射点和出射点的subsurface scattering(SSS)的modeling..行。如果想正.得渲染具有各..散和.低的.散和吸收的媒介(烟、.等)的.,就需要如Monte Carlo simultaion一.更.的方法了。
微面元理.(Microfacet Theory)

在.理.中,diffuse和specular reflection在所有光.交叉表面是不..和.立的。通...,我.知道diffuse reflection的粗.程度的效果因.材.
.部.生的.散而看起.要更少。.果就是,光.的出射点,和入射方向.有表面的粗.程度是相..立的。我..常使用的Rambert model就.好的.明了.一点。 其....象叫法.多,有roughness, smothness, glossiness,或者micro-surface。但.些描.的都是表面的同一..面(sub-texel geometric detail)。.些表面的不..,用大家在使用的roughness或者 glossiness..就能做出.。基于物理的BRDF,表面被.作microfacet的小的planner是基于微面元理.(Microfacet Theory用多.多.的角度.表.表面的..部分。..的小的平面,如figure 05中看到的所示,用物.的法..反射光。
表面法.光的方向和看的方向的中.方向的微面元,使visible light.生反射。Microsurface法.和half法.不..同等的所有微面元用作用。如Figure 05所示,..是根据shadowing(light direction).遮盖,..是被masking(view direction)。微.水准的表面不..性..致diffusion。..例子,模糊的反射是因.光.的漫反射。因.光.不能平.地被反射,所以看起.
如figure 06所示,就.有模糊的specular reflection。
色(Color)
表.的.色(我.看到的.色)是因.各自的波..光.始被散.出.所以呈.出.色的。有些光.被吸收,有些光.被反射。剩下的那些被反射的波.就是我.看到的.色。..例子,.果的表面.乎只有.色被反射。只有.色的波.在.果表面被漫反射,其.的如figure 07所示,被吸收
.同.具有和光一..色的亮的specular high light.因..果皮不是..。
(意思是.不流通的物.)Specular reflection.乎是.波.中.立出.的。
正因如此,..物.的specular reflection,是...有.色的。我..材的其...以后再看。
BRDF
.向反射分布函.(BRDF)是描.表面的反射率特性的。...面中有.多其的BRDF模型,有些.物理上是非近似的。BRDF如果要做到在物理上可以的.,.的energy保存和展示要是相互的(exhibit reciprocity)。.于相互,我就要.到主.光.的入射点和出射点不.BRDF的.果起影.,.可以相反的
helmholtz 互易原理(Helmholts Reciprocity principle).
在Substance的PBR Shader里面使用的BRDF,是立足于Disney 的GGX微面元分布最基.的..的反射模型。GGX.于specular漫反射提供了一.最准.
的解.方法。如Figure 08所示,...,更短的highlight和在更.的fall off中的tail。(得看.才能理解)
能量守恒(Energy Conservation)
能量守恒在PBR rendering solution里面..着重要的作用。.主.表面
反射的光的.量比吸收的光的.量要少。.句..,在表面被反射的光,..不
.比在和表面.撞之前的光.得强烈。作.artist,.于控制能量守恒不用.心。
能量守恒根据Shader.自.守恒的,.是PBR的一..好的方面。.是基于物
理的模型的一部分,.我...,比起物理..,可以更集中于美..作。
菲涅..象(Fresnel Effect)
菲涅.反射.于作.基于物理的Shader的BRDF的系...,有非常重要的作用。根据法.物理.家ugustin-Jean Fresnel所..的菲涅.效果是表面被反射的光的量,受.看.的角度的影.。..例子,想象一下水坑。如果是.直的往下看的.,可以看到池底。
..看的.候,.看的法.和表面的法.是一.的。.在,平行地看水的表面,.能感.到水表面的specular反射增强了,完全看不到水的底面。
在PBR里面.理菲涅.,不能像之前..shading方式一..理了。.句..,.是PBR shader里面自.管理的物理要素。如果以90度的入射角.看的.,表面.乎是百分之百反射的。
.然在粗.的表面反射率..得更specular,但是我..不是100%能控制反射率的。..不是因.macrosurface和光的角度,而是因.各自的微面元的法.
角度和光的角度。因.光.向其.方向漫反射,反射.得..或者模糊了。.在macroscopic level上能得到,和在所有微面元上得到的菲涅.效果的平均.一
F0 (Fresnel Reflectance at 0 Degrees)

光和表面以0的角度.撞的.候,光存在以specular反射的.率。如果用Index of Refraction(IOR)的.,可以..被反射回.的光的量,..如figure
09所示,叫作F0。表面被折射的光的亮叫作1-F0。

最常.的.介.的F0范.是0.02 . 0.05,..的范.是0.5 . 1.0。表面的反射率,如同在figure 10里面.到的,是根据Sebastien Lagarde的“Feeding
a Physicially-based Shading Model”里面展示的方程式.的。..F0是我.
在制作..的.候要考.的反射率.。非金.(.介./非..)具有灰色色.
.,金.(..)具有彩色.。PBR和反射率美.上的解.就是我.在一般的.
.的非..表面上,F0是反射2%到5%程度的光,如果接近水平的.,100%的光被反射。非..的反射率.,其..化得.有那.急.。非金.的反射率范.也不
是.化得.激烈。.石的原石具有.高的.,是例外。.于.系..和非..的
F0,我.一..再看。
.和非..(Metals and Non-Metals)
我.PBR做材.的.候,.事先想是金..是非金.。我.先.自己是金.
.是非金.。如果正.的.,.按照一.guideline .,如果不是的.,按照其..。.和准金..似,.些.西不.于..范.,以此.前提的.,就更接近了。制作材.的.候,.整.上看,.分.些是金..些是非金.,已..接近了,准金.是例外。.置.于材.的guideline的.候,我.首先要理解的是,我.要理解我.要做的是什..西。如PBR,我..于金.和非金.的特性,可
以通.guideline理解。
折射的光被吸收。金.的色.是被反射的光。所以.于我.的....,.
于METAL,我.不添加diffuse.色。

金.(Metals)
金.是..和..的..。..的.,..金.的electric field..是0,
.和磁.表面接.的.候,生成的入射光的波.,部分被反射,所有折射的光都被吸收。被磨得.光的金.的反射率,如figure 12所示,高.70-100%左右。
有些金..其.波.里面吸收光。..例子,金因.在visible spectrum(可
.光.)的高.率端吸收的.光,所以.果看起...。
但是,因.折射光是被吸收的,金.的.色是.反射光中.的,我.不.金.添加diffuse color.。
..例子,在specular/gloss流程上,完全得金.的.,diffuse..黑色的,折射率.,是specular map的.色.。金.里面,折射率.可以成.RGB,也可以成..色。因.我.的模型是基于物理的,所以我..于我.的..有必
要使用金.的..中.算的折射率.。
在.金.做texturing的.候,.有一点.重要,就是金.是要被腐.的。
所以..腐.(.化)要素在金.的反射..下占据了重要的作用。如果.例金
.被腐.了,就要.化金.的折射率,如figure 13所示,被腐.的部分要使用非..材.。
而且,被着上色的金.和非..一.,不.做金..理。Paint的作用就是在金.表面添加了..的作用。..是.有染色的.金..做金...理。
沾在金.材.上面的灰.或者遮住金.的一些.西也是同.(不.金.看待) 我.人主.要.常.自己,材.是金..是非金.。但是,如果再..点的.,就是是否染色,是否被腐.,是否沾有灰.等,包含金.的..如何。材.不是.金.,或者根据腐..看,在金.和非金.之....着什..西的.候,
.做非...看待。
非金.(Non-Metals)
非金.(非..).乎不..。被折射的光.被.散或者吸收。正是因此,
他.比金.更能反射小的光.,具有反射率的.色(albedocolor)。我.之前把
非..的平均..做.F0.始2-5%程度。.些.如figure 14所示,包含了0.017
. 0.067的linear range。除了.石,.乎所有非..的.不超.4%。
如果金.一.,我.得使用在..中.定的.。但是,要.出不透明的物.
的IOR.是.困.的。但是,.常.的非..材.的.,不是.常.化的。因此,
.于折射率,我..用volume2里面使用的少.的guide-line。
Linear Space Rendering
Linear space rendering的.,比起本文中介.的..,.可以控制.多的
量。所以我.就.得不..深入了。但重要的是,是以linear space..算的。

..的.,linear space rendering.于光.算,.提供准.的..。..
.光在..中.有相同的..提供了.境。在Linear space里面,伽.是1.0。
但是,.了能.我.眼里能正.的看到,得修正linear gamma。
Gamma-encodedspace(sRGB)修改..在..上的照片。照片的..了..,需要
修改。

.行.算机.算色.和.色相.功能的.候,所有.算都用linear space.
行。看....的方法是,万一照片看起.是基本.色或者diffues的.,那.
要把.些...置成.sRGB。照片.置成.sRGB的.候,Substance.了.算照
片,...成linear,.了再次..,..化成sRGB。但是,如果..了在texture

上面表.表面粗.或者金..性的.,如果想保存...的.,.些..一定要
.置成linear。(意思是非.色的,.有0~1.的grey-scale的..)
Substance的.,不.能.理linear/sRGB space之.的.化,.能自..理
rendering-viewport.算.果的伽.修正。作.美.,就.有必要.心在
linear-space.算和substace pipelinel里面.生的.化。通.Substance合.
.件,如果使用Substance材.的.,.了linear space,.自..理..。
但是,把Substance...出后.bitmap.用,所以不再是Substance
material的.候,理解...程.重要。各位可能得.根据.用的渲染器..行
手...。base color/difuse maps.些是sRGB,剩下的linear.些得知道。

重要要素(Key Factors)、
我...看了物理.的基本理.,.在可以.出PBR的核心要素了。
1. 能量守恒,被反射的光...不能比第一次撞.表面的.候要亮。
能量守恒是在Shader里面.理的。
2. Fresnel。BRDF是根据shader.理的。F0反射率..乎在所有非..
上面,只能看到小的.化,范.在2%-5%。金.的F0.是70-100%
3. Specular.通.BRDF..整。.受到Roughness or glossiness..,
.有反射率.的影.。
4. 光的.算是在linear space里面.算的。所有..具有伽..,base
color或者diffuse.些,一般都在shader里面..。但是,大家把照片.入到
引擎或者渲染器里面的.候,..要勾.正.,要...果是否正.。描.表
面的roughness, glossiness, metallic.有height.些必.是linear。

References
1. Physically-Based Shading at Disney Brent Burley, Walt Disney Animation Studios.

https://disney-animation.s3.amazonaws.com/library/s2012_pbs_disney_brdf_notes_v2.pdf

2. Microfacet Models for Refraction through Rough Surfaces

http://www.cs.cornell.edu/~srm/publications/EGSR07-btdf.pdf

3. Feeding a Physically-Based Shading Model by Sebastien Lagarde

http://seblagarde.wordpress.com/2011/08/17/feeding-a-physical-based-lighting-mode/

4. An Introduction to BRDF Models by Dani. Jimenez Kwast

http://hmi.ewi.utwente.nl/verslagen/capita-selecta/CS-Jimenez-Kwast-Daniel.pdf

LEEGOONZ
Technical art director and researcher. - Programmer
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