Cocs Creator 3.x 开始，PBR 就作为了标准材质，本文和大家一起学习一下 PBR的 渲染。

unsetunset为什么会出现PBR？unsetunset

从古至今，每一个新东西的出现，一定伴随着它的存在价值。要么是为了提高产能，要么是为了解决某个问题，PBR 渲染也是如此。

PBR 全称 Physically Based Rendering，基于物理的渲染。

长期以来，图形学一直信奉着一句话：“如果看起来是对的，那么就是对的”，这是因为当时的技术有限。

在 PBR 出现之前，主流的是 Blinn-Phong 这类传统光照模型属于经验模型，美术人员一般是凭感觉来调整参数，制作贴图，行业内并没有一个固定的标准。

（暴雪使用传统光照模型开发的游戏《魔兽世界》）

那如果制作出来的美术效果符合 A 的审美，但不符合 B 的审美，又该如何处理呢？这就产生了第一个问题：没有统一的美术标准。

由于制作出来的贴图是固定的，当光照位置变化或者视线调整的时候，就需要重新制作贴图，这会产生第二个问题：游戏开发工作效率低下。

传统光照模型毕竟是由“人为经验”产生的，它并不符合真实的物理原则，渲染出来的效果也差强人意，因此产生了第三个问题：渲染缺乏真实感。

与此同时，硬件技术也在不断发展，人们开始不满足于当前的画面表现，开始追求更加真实的渲染，于是 PBR 渲染应运而生。

unsetunset迪士尼白皮书创造统一标准unsetunset

2012年，迪士尼发布PBR 白皮书（《Physically Based Shading at Disney》），为行业创造了一个共同的标准。

Disney PBR 提供了一组标准化的材质参数，通过调整 subsurface, metallic, specular, roughness, sheen 等参数的值，就能控制物体的材质效果。

这给行业提供了一个共同的使用框架，让美术调节起来更加方便。

然而，虽然有了固定的标准，但 Disney PBR 却不一定符合物理规则。但白皮书的发布推动了 PBR 在游戏开发、电影制作等领域的广泛应用。

发展到我们现在使用的 PBR，它模拟的就是真实世界中光线和材质之间的相互作用，以呈现出更加真实的效果。

需要注意的是，这里基于物理的渲染，依然是对现实世界的近似，只是它更加贴近我们真实的物理世界。

PBR 的主要核心有两个：

• 基于物理的光照
• 基于物理的材质

通过模拟光照和材质的物理特性，就可以渲染出更加逼真的图形效果。

unsetunsetPBR的两套工作流unsetunset

在谈光照和材质之前，我们先来了解 PBR 的工作流。

PBR 有两套工作流：

• Metallic-Roughness Workflow（金属度-粗糙度工作流）：

通过调整 Metallic 和 Roughness 的值来调整材质，Metallic 和 Roughness 是一个0~1之间的值。

• Specular-Glossiness Workflow（反射率-光泽度工作流）：

通过调整 Specular（高光）和 Glossiness（光泽度）的值来调整材质。Specular 用 RGBA 颜色来表示 ，Glossiness 是一个0~1之间的值。

主流游戏引擎如 Cocos 等用的 Metallic-Roughness 工作流；而有一些引擎则同时支持 Specular-Glossiness 工作流和 Metallic-Roughness 工作流。

这两种工作流都是用来定义材质表现的，区别是两者用于处理材质的参数不同。

（两种工作流）

从上图中可以看到，在 Specular-Glossiness 工作流中, Specular 是通过调整 RGBA 颜色来控制的，而在 Metallic-Roughness 中，只需要调整 0~1 的值。

相比起来，Specular-Glossiness 不够简捷方便。因此在实际中，用的更多的还是 Metallic-Roughness 这一套工作流。

unsetunsetPBR 几个理论unsetunset

PBR 遵循几个基本理论：

1. 微平面理论

在微观下，没有任何平面是完全光滑的，表面都有小凹凸。越粗糙的物体，微表面的凹凸越多，越光滑的物体，微表面的凹凸越少，这个很好理解。

2. 能量守恒

能量守恒规定，在不考虑自发光的情况下，出射光线的能量永远不能超过入射光线的能量。

换句话说，当一束光照射到物体表面后，要么产生了能量损耗，要么没有。

即：反射光的能量 ≤ 入射光的能量。

这就可以解释我们平时看到的一些现象。

比如当物体表面的粗糙度比较高时，由于微表面的凹凸不平，镜面反射形成的高光区域会变大；但为了保持能量守恒，镜面反射的亮度就会下降。而粗糙度低的时候，则刚好相反。

所以我们可以看到，表面越光滑的物体，镜面反射越强烈，而表面越粗糙的物体，反射却越昏暗。

3. 菲涅尔反射

菲涅尔反射也比较好理解。

当我们看一潭水时，看离视线越近的地方，水面反射越弱，容易看到水底；而看离视线越远的地方，水面反射越强，越看不到水底。

这就是菲涅尔反射，它和光线的入射角度以及物体的材质有关。

基于物理的贴图
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上面提到，一个物体要渲染出真实感，离不开 PBR 材质 和 PBR 光照。

而 PBR 材质，通常依赖于 PBR 贴图。

（通过PBR贴图渲染的闹钟）

PBR 贴图可以描述材质的各种属性。通过 PBR 贴图，就可以模拟物体的基础颜色、金属度、粗糙度、法线方向、环境遮蔽等。

对于不同的工作流，需要用到的 PBR 贴图也有所不同。

• Metallic-Roughness Workflow：

BaseColor + Roughness + Metallic + Ambient Occlusion + Nomal + Height

• Specular-Glossiness Workflow：

Diffuse + Glossiness + Specular +  Ambient Occlusion + Normal + Height

两种工作流在贴图制作中，主要是前三张图不同，如 Ambient Occlusion、Normal、Height 贴图是可以共用的。

unsetunset基于物理的光照unsetunset

在聊光照之前，首先我们要明确一个概念，无论是经验光照模型 Blinn-Phong，还是基于物理的光照 PBR，都遵循最基本的光照模型：

物体最终颜色 = Ambient（环境光）+ Diffuse（漫反射）+ Specular（高光反射）+ Emissive（自发光）

只是不同模型在处理这四个部分的计算时，采用的方法不同。

（不包含自发光的 Blinn-phong 光照模型）

PBR则使用了 渲染方程 来计算物体的最终颜色。

渲染方程是目前用来模拟光和材质的交互表现时，视觉效果最好的模型。

渲染方程的公式如下图所示。

它使用的是数学建模的方式来处理光照中的四个组成部分 —— Ambient、Diffuse、Specular 和 Emissive。

使用数学的方式可以让渲染的画面更加贴近真实的物理世界，PBR 渲染做的就是这么一件事。

渲染方程不需要我们自己计算，游戏引擎会帮我们做好一切，自动计算好 Ambient、Diffuse 和 Specualr 的光照，然后根据引擎内置的公式，分配给 Roughness, Metallic 等参数。

因此，我们在调整 PBR 材质时，可以通过调整这几个值，来调整材质的参数，从而实现想要的材质效果。

而 Emissive 被认为是物体主动发出的光，所以在游戏引擎中通常单独计算。

各个游戏引擎都提供了一种方式来独立配置和处理自发光，它不会与其他光照项混合，而是单独影响物体的外观。我们也可以在材质的属性中自行设置自发光的颜色和强度。

虽然说渲染方程不需要我们自己手动计算，但玉兔还是觉得有必要介绍它的含义。不想看数学的朋友，理解到这里就够了，可以直接划到文章的“写在最后”。

unsetunset渲染方程与BRDFunsetunset

渲染方程看上去好像有点复杂，但是不要慌，下面玉兔就带大家来理解这个方程。

我们要观察到某个物体，需要以下几个动作：

1. 有光照：没有光照，物体看上去是黑的。
2. 用眼睛看：有看的方向。
3. 要看到物体：有物体的颜色表现。

整个渲染方程，做的就是一件事 —— 计算人眼在某个观察点上，看到的物体的颜色。

整个方程由3个部分组成，等号左边 1 个，等号右边 2 个。

• 等号左边：Lo(v) ，表示到达观察点的总光照。
• 等号右边第一项：Le(v)，表示物体的自发光
• 等号右边第二项：∫ fr(ωi, v)(Li(p,ωi)(n·ωi)) dωi，表示物体表面真正接收到的，来自各个入射方向上的入射光线。

直接解释可能不太好理解，我们再回顾一下刚刚上面提到的光照模型公式：

物体最终颜色 = Ambient（环境光）+ Diffuse（漫反射）+ Specular（高光反射）+ Emissive（自发光）

我们可以把渲染方程中的各项，和光照模型对应起来：

• Lo(v)  -->  物体最终颜色

• Le(v)  -->  Emissive

• ∫ fr(ωi, v)(Li(p,ωi)(n·ωi)) dωi  -->  Ambient + Diffuse + Specular

其中，比较难理解的是积分部分 ∫ fr(ωi, v)(Li(p,ωi)(n·ωi)) dωi，我们把积分拆成三个部分，来具体理解：

1. 内项1：fr(ωi, v)
2. 内项2：Li(p,ωi)(n·ωi)
3. 积分项：∫ ( 内项1 * 内项2) dωi

先来看 Li(p,ωi)(n·ωi)。

Li(p,ωi)，表示来自方向ωi的入射光线的光照。

由于入射光线的方向不同，物体表面接收到的能量也不同。当光线和物体法线的夹角呈 θ 角时，物体表面的受光其实是 光照 * cosθ，写成点积的形式，即：n·ωi。

因此，Li(p,ωi)(n·ωi) 表示：物体表面真实接收到的，来自ωi方向上的入射光线。

而 fr(ωi, v)表示：表面反射模型。

什么是表面反射模型呢？

不同的材质，对光线的反射程度不同，而表面反射模型，考虑是材质表面如何反射光线，应该反射多少。

（不同的材质对光线的反射程度不同）

fr(ωi, v) 描述的是：来自入射方向ωi的光，有多少反射到了出射方向v上。这就是大名鼎鼎的 BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）—— 双向反射分布函数。

最后在入射光所形成的半球 Ω 上，对所有可能的入射方向 ωi 进行积分求和，就可以计算出最终的出射光光照。

∫ fr(ωi, v)(Li(p,ωi)(n·ωi)) dωi 表示的就是：物体表面真正接收到的，来自各个入射方向上的入射光线。

物体接受到的来自外部的光线（∫fr(ωi, v)(Li(p,ωi)(n·ωi))dωi） + 物体的自发光（Le(v)），就可以计算出到达观察点的总光照（Lo(v)）。

这就是渲染方程。

今天的目的是科普扫盲，不再给大家细讲具体的公式计算，因为还需要补充辐射度量学的知识，文字太多，不方便大家消化，玉兔把这部分放在了 知识星球 里。

不同的游戏引擎可能使用不同的 BRDF 模型，来计算 Diffuse，Specular 和 Ambient，这里不多加赘述。

渲染方程不需要我们自己计算，大家了解即可，游戏引擎通常会帮我们做好一切，自动计算光照。我们在材质中，调节 Metallic, Roughness 等值，就能实现想要的材质效果。

（Metallic = 1.0, Roughness = 0.0~1.0时的材质表现）

看到这里，你有没有感觉，数学其实也没那么难。

unsetunset写在最后unsetunset

想要更深入体会 PBR 与传统光照模型的区别，建议大家看一下我之前的视频：基础光照，可以在玉兔的 视频号：-不捣药的玉兔-，复习回顾。