国外翻译教程:PBR的基础知识以及它与其他渲染手法的区别之处

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2020年6月20日10:48:30 评论 151
本文由格言供稿(3000人技术交流Q群:798874171)
PBR是Physically-Based Rendering(基于物理的渲染)的简称,这个词的字面意思并不容易弄懂,到底什么是PBR呢?本文作者Jeff Russell为你介绍一下PBR的基础知识以及它与其他渲染手法的区别之处,全文并不涉及什么高深的物理工程概念和数学公式。
让PBR材质流区别与其他手法的重要一点是光对表面造成的细腻效果,它有着更为准确的模拟,而且同时不失一定的艺术感。让我们从最基础的概念说起:
漫射与反射
这是两个材质制作里最基本的概念,是光与表面最基础的相互作用,很多人都知道这一点,但不一定知道在物理层面上到底是什么。
当一束光照射到一个表面,有些光会被反射,即从物体表面沿着法线反方向弹射回去。这一过程和一个球打在了墙上或地上反弹回去差不多。在一个光滑的表面上,这会产生一种镜面效果。
也不是所有的光都被物体表面反弹回去,有些会被物体表面吸收,或者散射进了物体内部,有些散射进去的光又会从后面再次穿出去,再次被眼睛或相机捕捉到。
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光的这种被物体表面吸收和散射因光的不同波长而不同,也即颜色的不同而不同。由于这种散射极为不规则,所以看起来给人感觉是来自各个方向。这和镜面效果很不同!要在材质里模拟这种效果,可以通过定义一个漫射颜色来做到。
半透与透明
但有些漫射很复杂,比如皮肤和蜡烛的表面,简单的定义一个漫射颜色是不够的,还需要考虑材质的厚度和形状。如果物体本身很薄,那么就应该能看到透明效果。这时就需要特殊材质才能模拟了。
能量守恒(一)
通过以上对反射和漫射的描述,我们不难得出一个结论:漫射和反射是互斥的。为了能看到漫射颜色,光必须先穿过表面,或者说没能被表面反射回去。那么根据能量守恒法则,就出现这样的情况:越是反射强烈的表面,其漫射越是弱(暗),因为没有那么多的光穿过去,大部分都被反射回去了。一个表面很明亮的物体它不可能有很强的反射。
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能量守恒是PBR材质流的基础,要做出自然逼真的材质来,不可以无视这个规则。
金属
导电体,比如金属材质要特别单独拿出来讲一下。因为:
首先,它们比绝缘体的表面更加具有反射效果,它们的反射率高达60-90%,而绝缘体只有0-20%。高反射率让光无法穿过表面进入物体内部,从而产生了闪光的质感。
其次,金属的反射效果还会随着光谱而不同,这就是说,金属的反射是带有颜色的,而且很不均匀,比如金,铜等。而绝缘体的反射是无色的。
最后,穿过导电体表面的光最后大部分也会被吸收而不是被散射出去,这既是说,理论上导电体是没有漫射颜色的。
菲涅尔
奥古斯汀-让·菲涅尔,这个人的名字是绝对不可能被遗忘的,因为他的名字和反射现象结合到了一起去,不说他的名字谈反射几乎不可能。
在CG里,菲涅尔代表了反射效果因观察角度的不同而不同,也即是物体边缘的反射效果会更加明亮。PBR材质流在这个效果上有几个特色:
首先,对于所有的材质来说,反射效果在接近0度角时最明显,就像镜面反射一样,不管是什么材质都是如此。只要足够光滑能产生反射,那么一定能在某一个角度观察时,看到完美的镜面反射效果!这听起来有点玄乎,但这就是物理。
其次,这种反射效果的变化随着材质的不同而有所不同,如下图:
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这个图的意思是在说:在模拟真实材质时,反射效果必须要稍微有些收敛,至少要在需要弱的地方弱下来。这并不难做到,而且现在的材质系统都能自带这种菲尼尔效果了。PBR材质流是可以带出些艺术处理的,在做出基础反射效果后,你可以再添加一些完全反射的小局部做点缀。
微表面
上面都是基于物体表面说的东西,或者说是物体能被渲染出来的效果。但物体表面并非完美无瑕,小凹痕,裂纹,凹凸,这些无法被眼睛看到,也无法在法线贴图里被体现出来的微小细节,确实左右漫射和反射效果的真正因素。
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上图中,平行照射到物体表面的三道光线被反射到不同的方向上去了,因为它们所照到的物体表面具有不同的方向,使得这种反射的角度变得不可预测,这就产生了模糊反射效果。
但要从物理级别上模拟出这种无规则的反射需要大量的内存和计算量,在CG里只能大概模拟一个整体效果,我们一般叫反射光泽度或反射模糊度。
这是材质制作里一个重要的部分,因为真实世界里到处充满了这种模糊反射效果。
能量守恒(二)
现在渲染器都有了这种虚拟的模糊反射的模拟,正确的参数能让效果更加逼真,比如粗糙的表面会产生更大更柔和的高光区,请看下图:
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图中的小球具有相同的反射强度,但因为不同的反射模糊度而表现出不同的质感,高光随着光滑度越来越清晰明亮。这又是能量守恒的法则体现之一。
微表面反射也同样遵守菲涅尔效果
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