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桐崎千棘

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PBR_Guide-微面元理论 Microfacet Theory

摘要:微面元理论 Microfacet Theory 理论上,漫反射和镜面反射 都依赖于光线相交处表面不 规则的程度。虽然在实际中, 粗糙度对于漫反射的影响更 不可见,因为散射发...

微面元理论 Microfacet Theory 理论上,漫反射和镜面反射 都依赖于光线相交处表面不 规则的程度。虽然在实际中, 粗糙度对于漫反射的影响更 不可见,因为散射发生在材 质内部。结果是,二次散射 出的光线方向相当的独立于 与表面粗糙度以及入射角度。 最常用的漫反射模型 (Lambertian)完全将其忽 略不计。 在这篇文档中,我们将表面 不规则度 (surface irregularities) 称作表面粗糙度 (surface roughness)。实际上,根据所使用PBR工作 流程的不同,它常常被以各种名字代称,例如粗糙度 (roughness),光滑度(smoothness),光泽度 (glossiness)或者微表面(microsurface),但是他 们描述的是表面的同一个性质,即子纹理块几何细节。 这种表面不规则度,根据你所使用的工作流程,由粗糙 度或光泽度贴图来创建。一个基于物理的BRDF(双向反 射分布函数)建立在微面元理论至上,即假设一个表面, 由更具细节的、方向变化的、小尺寸的平面表面组成, 这些小平面称作微表面。每一个小平面沿着一个方向反 射光线,这个方向基于该小平面的法线方向,如图05。 表面法线恰好与光线方向和视角方向的半角向量相同的 微表面会反射可见光。然而,并不是所有的微表面法线 方向与半角向量相等处的微表面都会参与贡献亮度,因 为一些光线会被阴影遮挡(光线方向)或被几何体遮蔽 (视角方向),如图05所示。 微观层次的表面不规则度导致了光的漫反射。例如,模 糊的反射是由光线散射造成的。光线并非平行反射,因 此我们观察到的镜面反射如图06中所示是模糊的。 微观层次的表面不规则度 导致了光的漫反射

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颜色

双向反射分布函数

表面的颜色(即是说我们

看到的颜色)由光源发射

出的光波长、物体吸收的

光波长以及其他被反射

(镜面反射和漫反射)的

光波长共同决定。最终得

到的反射波长转换为我们

看到的颜色。

例如,苹果的外皮主要反

射红光。只有红色波长的

光被散射回到苹果外皮外

侧,其他的光被其吸收了,

如图07所示。

苹果也具有明亮的高光,高光颜色与光源相同,因为类

似于苹果外皮这样的材质是非导体(绝缘体),镜面反

射几乎与波长无关。因此,对于这种材质,镜面反射不

会被上色。在随后的章节中,我们将会讨论更多不同类

型材质(金属和绝缘体)。

使用 GGX 微面分布

Substance PBR shader

双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance

Distribution Function)(BRDF)简单来说是一个函

数,描述一个表面的反射率属性。在计算机图形学中,

有各种不同的BRDF模型,其中一些在物理上并不真实可

信。对于在物理上真实可信的BRDF模型,它必须能量守

恒并且表现出互易率。关于互易律,这里指的是

Helmholtz互易原理,其中阐述了入射和出射光线可以

被考虑为互相的逆转,而不影响BRDF的结果。

Substance PBR shader 中使用的BRDF模型基于迪士尼

原则的反射率模型,而该模型基于GGX微面分布。GGX在

镜面反射分布方面提供了一种更好的解决方案,它在高光

处的峰值更短,并且在衰减

时具有更长的拖尾,即是说

它看起来更加真实,如图08。

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