PBR流程的基本原理與歷史發(fā)展

什么是PBR？

一，基于物理的材質(zhì)（Material）

二，基于物理的光照（Lighting）

三，基于物理適配的攝像機(jī)（Camera）

以上三個(gè)部分都去參照物理理論去做引擎設(shè)計(jì)，理論上就能得到和真實(shí)攝像機(jī)基本相同的畫面。例如基于物理的攝像機(jī)通過調(diào)整光圈、快門速度等改變曝光度，燈光采用物理測(cè)量單位進(jìn)行計(jì)量，材質(zhì)使用基于物理測(cè)量值的光照模型進(jìn)行計(jì)算。所有的這一切是一個(gè)系統(tǒng)，是相輔相成的，今天主要討論基于物理的材質(zhì)與貼圖，物理光照和物理相機(jī)暫時(shí)不作過多討論。

說完P(guān)BR的范疇，我們來聊聊PBR材質(zhì)，也就是我們平常聊天時(shí)說PBR的含義，PBR指一整套基于物理參數(shù)的美術(shù)流程和渲染流程。美術(shù)流程主要是貼圖制作上的，一般與PBR流程進(jìn)行比較的是手繪流程。手繪流程是另一種3D美術(shù)制作流程，只使用一張diffuse漫反射貼圖來描述模型外觀，這就導(dǎo)致陰影和高光信息必須是畫在diffuse上的。

也就是說，當(dāng)場(chǎng)景中的光相對(duì)于模型的方向發(fā)生改變，或者攝像機(jī)位置發(fā)生改變，高光和陰影并不會(huì)發(fā)生改變，并且由于沒有高光方面的參數(shù)輸入，所以材質(zhì)沒有辦法構(gòu)建合理的反射，而金屬這些東西如果沒有反射，效果就會(huì)大打折扣。

在PBR流程成熟之前，手繪流程引入了一些技術(shù)，例如通過創(chuàng)建高低模然后通過烘焙輸出一張Normal法線貼圖，帶來模型結(jié)構(gòu)上的凸出和凹陷的陰影，這就是我們所說的次時(shí)代美術(shù)流程。再比如通過增加一張Specular高光貼圖，控制高光顏色和高光強(qiáng)度，帶來動(dòng)態(tài)的，可變顏色的高光，手繪流程在過去的端游以及所有的手游上比較常見。例如魔獸世界的模型就只使用diffuse和Specular進(jìn)行渲染，模型的高光位置可以改變但是陰影位置是不會(huì)變化的。

萬智牌作為一款誕生于1993年老而彌堅(jiān)的卡牌游戲，它數(shù)年來的游戲宣傳動(dòng)畫無疑成了一部CG發(fā)展史的縮影，2012年后，我們可以明顯看到技術(shù)進(jìn)步和流程規(guī)范給這片奇幻大陸里的各類神魔換上了遠(yuǎn)勝于前的新皮膚，尤其是去年依克黎的新CG，完全可以說是視覺享受了。

而使用Substance Painter等軟件制作的PBR貼圖，一般包含Diffuse漫反射貼圖、Normal法線貼圖、Metallic金屬度貼圖、Smoothness光滑度貼圖（即Glossiness光澤度貼圖，Roughness粗糙度貼圖的反向圖）、AO（Ambient Occlusion）環(huán)境光遮蔽貼圖等提供了大量物理信息，例如Normal提供小凹凸結(jié)構(gòu)的信息，AO提供遮蔽陰影信息，Metallic提供材質(zhì)在多大程度上貼近金屬的信息，Smoothness提供了材質(zhì)在多大程度上是光滑的信息等等。所有這些信息使基于物理的渲染成為可能，在Shader中我們可以根據(jù)這些信息計(jì)算出實(shí)時(shí)的陰影，實(shí)時(shí)的高光，實(shí)時(shí)的反射，實(shí)時(shí)的菲涅爾效應(yīng)，可以讓模型在不同的光照環(huán)境下都能得到比較合理的光照表現(xiàn)。