PBR全稱(Physicallly-Based Rendering)。籠統的說(shuō)，就(jiù)字面含義可以看出，這(zhè)是一(yī)種基于物理(lǐ)規律模拟的一(yī)種渲染技術。最早用于電影的照片級真實的渲染。近幾年由于硬件性能(néng)的不斷提高，已經大量運用于PC遊戲與主機遊戲的實時(shí)渲染。
在PBR（Physically Based Rendering）的概念出現(xiàn)前，若想渲染出一(yī)張高質量的圖，需要機械化(huà)的死記各種參數，反複調節光照來(lái)讓材質表現(xiàn)效果看上(shàng)去比較真實。然而由于傳統渲染器(qì)這(zhè)種“真實”是基于烘焙貼圖來(lái)實現(xiàn)的，因此環境光、物體(tǐ)位置必須保持不變。人(rén)們當然不滿足于一(yī)張定格的畫面，尤其是在遊戲引擎中，因此催生(shēng)了(le) Physically Based Rendering 這(zhè)種渲染方法，PBR問世後拯救了(le)千千萬的CG工作(zuò)者，從此隻需分(fēn)析物體(tǐ)自身(shēn)物理(lǐ)屬性即可，無論物體(tǐ)位置、光照如(rú)何改變，你隻要給模型正确的參數設定，它必然不會出錯。目前很多三維軟件已采用了(le)PBR，如(rú)Blender、C4D、Houdini 等，它是實時(shí)渲染的基礎，所以今後三維軟件的發展趨勢絕對離不開PBR。
基于物理(lǐ)的渲染（PBR）是指使用逼真的陰影/光照模型以及測量的表面值來(lái)準确表示真實世界的材料的概念。 PBR更多的是一(yī)個(gè)概念，而不是一(yī)套嚴格的規則，因此，PBR系統的确切實現(xiàn)往往會有所不同。
PBR工作(zuò)原理(lǐ)
了(le)解 PBR 首先從為(wèi)何我們能(néng)看到色彩缤紛的世界開始，現(xiàn)實生(shēng)活中任何光都以電磁波形式在空間(jiān)傳播的一(yī)個(gè)或多個(gè)光子(zǐ)彙聚而成，光子(zǐ)打到物體(tǐ)上(shàng)，進行反射、折射後擊中我們的視(shì)網膜上(shàng)的感光細胞後，經過一(yī)系列的物理(lǐ)化(huà)學變化(huà)，轉換成神經沖動，由視(shì)神經傳入大腦層的視(shì)覺中樞，然後我們就(jiù)看見這(zhè)些(xiē)物體(tǐ)。成千上(shàng)萬的光子(zǐ)在運動過程中方向相似，但(dàn)單個(gè)光子(zǐ)又因擊中物體(tǐ)的角度不同而有差異，我們便能(néng)感受到這(zhè)個(gè)物體(tǐ)的質感。
之所以叫做基于物理(lǐ)的渲染而不是物理(lǐ)的渲染，是因為(wèi)渲染過程基于物理(lǐ)理(lǐ)論，盡管物理(lǐ)理(lǐ)論很接近現(xiàn)實，但(dàn)畢竟不是現(xiàn)實。PBR工作(zuò)原理(lǐ)基于以下(xià)理(lǐ)論：
– 微表面模型 –
所有的PBR技術都是基于微表面的。這(zhè)個(gè)理(lǐ)論是說(shuō)任何表面都可以用無數微小的鏡面來(lái)描述，表面的粗糙程度越高這(zhè)些(xiē)微小的鏡面的朝向區别越大。對于一(yī)個(gè)物體(tǐ)表面來(lái)說(shuō)更粗糙意味着微表面的朝向更無序，當我們討(tǎo)論光線的高光反射時(shí)，這(zhè)些(xiē)鏡子(zǐ)一(yī)樣的微表面會将相同方向的入射光線朝着不同方向反射出去，形成一(yī)個(gè)更為(wèi)寬廣的鏡面反射區域。而對于光滑表面來(lái)說(shuō)，入射光線基本沿着同一(yī)方向反射出去，形成更清晰的反射畫面。
從微觀角度來(lái)說(shuō)，沒有任何表面是完全光滑的。我們這(zhè)裏使用粗糙度這(zhè)個(gè)統計近似數值，來(lái)衡量那些(xiē)比一(yī)個(gè)像素的覆蓋範圍還小的微表面的粗糙程度。我們根據表面的粗糙度，可以計算(suàn)得到單個(gè)微表面的半角向量（halfway vector）平行于平均半角向量的概率（半角向量是指位于入射光 l 與眼睛向量正中間(jiān)的單位向量），越多的微表面半角向量相互平行，高光反射則越清晰和強烈。我們使用統計近似把微表面的各種對齊情況統一(yī)到0到1之間(jiān)，形成一(yī)個(gè)粗糙度參數。粗糙度越高的物體(tǐ)高光部分(fēn)就(jiù)越大越模糊，而光滑表面的高光小且亮。
– 能(néng)量守恒定律 –
微表面模型采用一(yī)種近似的能(néng)量守恒：反射出去的光的能(néng)量不應該超出入射光的總能(néng)量（發光體(tǐ)除外）。從上(shàng)圖中可以看出，随着粗糙度的增加高光範圍的逐漸增大，亮度是在逐漸降低(dī)的，假如(rú)無論高光的範圍多大亮度都一(yī)樣，那麽這(zhè)個(gè)粗糙表面發射的能(néng)量就(jiù)有些(xiē)太多了(le)，違反了(le)能(néng)量守恒定律。這(zhè)就(jiù)是雨夜街道路(lù)面上(shàng)看到的燈光反射要比幹燥的路(lù)面上(shàng)範圍小且明亮的原因。
– 雙向散射分(fēn)布函數 –
我們為(wèi)了(le)讓計算(suàn)機模拟光從物體(tǐ)表面各個(gè)位置反射到我們眼中而産生(shēng)亮度變化(huà)，構建了(le)一(yī)個(gè)光照模型——雙向散射分(fēn)布函數（Bidirectional scattering distribution function，BSDF），可以分(fēn)為(wèi)反射和透射分(fēn)量 – BRDF（雙向反射分(fēn)布函數）和BTDF（雙向透射分(fēn)布函數）。從本質上(shàng)講，它是一(yī)種數學函數，用于确定特定光線在給定角度下(xià)被反射（散射）的概率。每次光線反射時(shí)，BSDF都會确定光線反射的方向。
