【BIM教学】基于物理的渲染(PBR)基础理论知识

注:基于物理的渲染(PBR)是一种在游戏及电影行业广泛的行业标准,在建筑业中应用较少。从REVIT 2019版本开始新增PBR材料功能,使得即使是普通的设计师也可以简单的进行渲染,从而得到照片级的效果图。需要PBR材料的可以直接跳到文末阅读。

【BIM教学】基于物理的渲染(PBR)基础理论知识

基于物理的渲染(PBR)是一种令人兴奋的(如果定义不严谨的话)最近实时渲染的趋势。这个词有很多词条,经常在含义上引起混淆。简短的答案是:“很多东西,而且取决于它”,这是不令人满意的,因此,我不得不自己尝试尽力解释PBR代表什么以及它与旧的渲染方法有何不同。本文档供非专业工程师使用(很可能是艺术家),并且不会提出任何数学或代码。
使基于物理的着色系统与之前的着色系统不同的许多原因是关于光线和表面行为的更详细的推理。阴影功能已经足够先进,现在可以安全地丢弃一些旧的近似值,以及与它们一起使用的一些旧的艺术制作方法。这意味着工程师和艺术家都应该了解这些变化的动机。
我们必须先从一些基础知识入手,以便在我们着重介绍新内容之前对基础知识进行明确定义,但是如果您对这些基础知识有所了解,您可能已经知道,我认为您会觉得很有价值阅读。

扩散与反射

扩散和反射(分别称为“扩散diffuse”和“反射specular”光)是描述表面/光相互作用的最基本分离的两个术语。大多数人会在实践上熟悉这些想法,但可能不知道它们在物理上有何不同。

当光线照射到表面边界时,其中一些会从表面反射(即反弹),并沿表面法线的相对侧的方向前进。这种行为与将球扔到地面或墙壁上非常相似,它将以相反的角度反弹。在光滑的表面上,这将导致镜子般的外观。经常用来描述效果的“镜面反射specular”一词源自拉丁语中的“镜面mirror”(看来“镜面反射”听起来不如“镜面反射”笨拙)。

但是,并非所有的光都从表面反射。通常,一些物体会渗入被照明物体的内部。在那里,它会被材料吸收(通常转化为热量)或在内部散布。这些散射光中的一部分可能会从表面返回,然后再次被眼球和相机看到。众所周知,这有很多名称:“漫射光Diffuse Light”,“扩散Diffusion”,“次级散射Subsurface Scattering” –都描述了相同的效果。

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对于不同波长的光,散射光的吸收和散射通常是非常不同的,这就是赋予对象颜色的原因(例如,如果对象吸收最多的光但散射为蓝色,则它将显示为蓝色)。散射通常是如此均匀地混乱,以至于在各个方向上看起来都是相同的–与镜子的情况完全不同!使用此近似值的着色器实际上仅需要一个输入:“反照率albedo”,该颜色描述了各种颜色的光的一部分,这些光会从表面散射回去。“漫反射颜色Diffuse color”是有时有时作为同义词使用的短语。

半透明与透明

在某些情况下,扩散会更加复杂-在具有较远散射距离的材料中,例如皮肤或蜡。在这些情况下,通常不会使用简单的颜色,并且阴影系统必须考虑被照物体的形状和厚度。如果它们足够薄,则此类对象通常会看到光从背面散射,然后可以称为半透明。如果扩散甚至更低(例如在玻璃中),那么几乎根本看不到散射,整个图像可以从物体的一侧穿过到另一侧。这些行为与典型的“接近表面”扩散足够不同,因此通常需要使用唯一的着色器来模拟它们。

节约能源

通过这些描述,我们现在有足够的信息可以得出重要的结论,即反射和扩散是互斥的这是因为,为了使光扩散,光必须首先穿透表面(即无法反射)。这在阴影中被称为“节能”的一个例子,这仅意味着离开表面的光永远不会比最初照射在其上的光更亮。

这在阴影系统中很容易实施:只需在允许漫反射阴影发生之前减去反射光即可。这意味着高反射率的物体将几乎不显示漫反射光,或者根本不显示漫射光,这仅仅是因为几乎没有反射光会穿透大部分已反射的表面。反之亦然:如果物体具有明亮的扩散,则不能特别反射。

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这种节能是基于物理的阴影的重要方面。它允许艺术家使用材料的反射率和反照率值工作,而不会意外违反物理定律(这种定律看起来很糟)。虽然在代码中强制执行这些约束对于生成美观的艺术品不是绝对必要的,但它确实起着一种“保姆式物理学家”的作用,可以防止艺术品在不同的照明条件下弯曲得过大或变得不一致。

金属制品

由于一些原因,在这一点上值得特别提及的是导电材料,尤其是金属。

首先,它们往往比绝缘体(非导体)更具反射性。导体的反射率通常高达60-90%,而绝缘体的反射率通常要低得多,在0-20%的范围内。这些高反射率可防止大多数光线进入内部并散射,从而使金属具有非常“闪亮”的外观。

其次,导体上的反射率有时会在可见光谱范围内变化,这意味着它们的反射看起来是有色的。反射的这种颜色即使在导体中也很少见,但是在某些日常材料(例如金,铜和黄铜)中确实会发生。通常,绝缘子不会表现出这种效果,并且它们的反射不会着色。

最后,电导体通常会吸收而不是散射任何穿透表面的光。这意味着从理论上讲导体不会显示任何散射光的迹象。但是实际上,在金属表面上经常会散布一些氧化物或其他残留物,这些氧化物或其他残留物会散射少量的光。

正是金属与几乎所有其他事物之间的这种双重性导致某些渲染系统采用“金属性”作为直接输入。在这样的系统中,艺术家指定材料表现为金属的程度,而不是仅明确指定反射率和反射率。有时,这是首选的创建材料的简单方法,但不一定是基于物理的渲染的特征。

菲涅耳

奥古斯丁让·菲涅尔(Augustin-Jean Fresnel)似乎是我们不大可能会忘记的那些老死白人,主要是因为他的名字贴在他第一个准确描述的一系列现象上。如果没有他的名字,就很难对光的反射进行讨论。

在计算机图形学中,菲涅耳一词是指以不同角度出现的不同反射率。具体而言,以掠射角落在表面上的光比击中表面死光的光更有可能反射。这意味着使用适当的菲涅耳效果渲染的对象在边缘附近看起来将具有更亮的反射。我们大多数人对此已经熟悉了一段时间,并且它在计算机图形学中的存在并不新鲜。但是,PBR着色器在菲涅耳方程的评估中进行了一些重要的更正。

首先是,对于所有材料,反射率对于掠射角而言都是合计的-在任何光滑物体上观察到的“边缘”都应充当完美的(无色)镜,而与材料无关。是的,的确如此- 如果任何物质光滑并以正确的角度观看,任何物质都可以充当完美的镜子这可能是违反直觉的,但物理原理是明确的。

关于菲涅耳性质的第二个观察结果是,各材料之间的角度之间的曲线或梯度变化不大。金属是最不同的,但也可以从分析上加以考虑。

对于我们来说,这意味着,假设需要现实主义,通常应该减少而不是扩大艺术家对菲涅尔行为的控制或者至少,现在我们知道在哪里设置默认值!

这是一个好消息,因为它可以简化内容生成。现在,阴影系统几乎可以完全自己处理菲涅尔效果;它仅需参考其他一些预先存在的材料属性,例如光泽和反射率。

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在PBR工作流程中,美术师通过一种或多种方式指定“基本反射率”。这提供了最小量的反射光和颜色。菲涅尔效果一旦渲染,将在艺术家指定的值之上添加反射率,在掠射角时达到100%(白色)。从本质上讲,内容描述了基础,而菲涅耳方程式从那里开始,使表面在需要时可以在各种角度下更具反射性。

菲涅耳效应有一个很大的警告-随着表面变得越来越不光滑,它很快变得不那么明显。有关此交互的更多信息将在稍后给出。

微表面

上面对反射和扩散的描述均取决于表面的方向。在很大程度上,这是由渲染的网格的形状提供的,也可以利用法线贴图来描述较小的细节。有了这些信息,任何渲染系统都可以使用,可以很好地渲染扩散和反射。

但是,仍有一大片遗漏。大多数实际表面的瑕疵非常小:微小的凹槽,裂缝和结块太小,肉眼看不见,也太小而无法在任何理智的分辨率的法线图中表示。尽管用肉眼看不见,但这些微观特征仍会影响光的扩散和反射。

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微观表面细节对反射的影响最明显(对地下扩散的影响不大,在此不再赘述)。在上图中,您可以看到从较粗糙的表面反射时,入射光的平行线开始发散,因为每条光线以不同的方向射向表面的一部分。球/墙类比中的类比可能是悬崖或类似的凹凸不平:球仍会弹起,但角度是无法预测的。简而言之,表面越粗糙,反射光发散或出现“模糊”的程度就越大。

不幸的是,就艺术品生产,存储器使用和计算而言,评估每个微表面特征的阴影将是禁止的。那么我们该怎么办呢?事实证明,如果我们放弃直接描述微观表面细节,而是指定粗糙度的一般度量,则可以编写相当准确的着色器,产生相似的结果。该度量通常被称为“光泽度”,“平滑度”或“粗糙度”。可以将其指定为纹理或给定材质的常数。

对于任何材料来说,这种微表面细节都是非常重要的特征,因为现实世界充满了各种各样的微表面特征。光泽度贴图并不是一个新概念,但它确实在基于物理的着色中起着举足轻重的作用,因为微表面细节对光反射的影响很大。正如我们将很快看到的,PBR着色系统改进了一些与微表面特性有关的考虑因素。

节能(再次)

由于我们假设的遮光系统现在已考虑到微表面的细节,并适当地分布了反射光,因此必须小心以反射正确数量的光。遗憾的是,许多较旧的渲染系统都犯了这个错误,它反射的光太多或太少,具体取决于微表面的粗糙度。

当方程式正确平衡后,渲染器应将粗糙表面显示为较大的反射高光,而不是平滑表面的较小,较锐利的高光。亮度的明显差异是关键:两种材料都反射相同数量的光,但是较粗糙的表面将其沿不同方向散布,而较光滑的表面则反射更集中的“光束”:

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除了前面描述的扩散/反射平衡之外,这里还有第二种形式的能量守恒。对于任何渴望“基于物理”的渲染器来说,正确实现这一点都是更重要的一点。

所有微面

正是基于以上知识,我们才意识到,实际上是一个很大的事实:微表面光泽度直接影响反射的表观亮度这意味着艺术家可以将各种变化直接绘制到光泽度图中-划痕,凹痕,磨损或抛光的区域,无论如何-PBR系统不仅显示反射形状的变化,还显示相对强度。无需“规格遮罩” /反射率更改!

这是很重要的,因为现在第一次在艺术内容和渲染过程中将与物理相关的两个现实世界数量(微表面细节和反射率)正确地结合在一起。这很像前面所述的扩散/反射平衡操作:我们可以独立编写两个值,但是由于它们是相关的,因此仅通过尝试分别对待它们就使任务变得更加困难。

此外,对现实世界材料的调查将显示反射率值变化不大(请参见前面有关电导率的部分)。水和泥浆就是一个很好的例子:两者的反射率都非常相似,但是由于泥浆非常粗糙并且水坑的表面非常光滑,因此它们的反射效果会非常不同。在PBR系统中创建这样一个场景的艺术家将主要通过光泽度或粗糙度贴图而不是调整反射率来创作差异,如下所示:

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微观表面特性对反射也有其他微妙的影响。例如,“边缘较亮”的菲涅耳效果在较粗糙的表面上有所减弱(粗糙表面的混沌性质使“菲涅耳”效果“分散”,使观看者无法清楚地分辨出来)。此外,大的或凹入的微表面特征会“捕获”光线-使其多次反射在表面上,从而增加吸收并降低亮度。不同的渲染系统以不同的方式和程度来处理这些细节,但是粗糙表面出现调光器的大趋势是相同的。

结论

当然,基于物理的渲染还有很多要说的。本文档仅作为基本介绍。

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原文始发于微信公众号(海南省BIM中心):【BIM教学】基于物理的渲染(PBR)基础理论知识

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