作为一名3D从业者，你是否经常听说PBR（基于物理的渲染），对其很熟悉却又感到好奇？作为当前渲染领域的一种重要的渲染方法和技术，你是否了解它究竟是如何工作的？
接下来这篇文章，就带你深入探讨PBR的核心原理和关键组成部分、其工作流程，以及在追求逼真渲染这一过程中，这一技术和方法所起到的作用。
相信通过以下内容，你将掌握PBR的相关知识，并帮助你在3D学习和工作中，取得不错的收获和进步。
什么是PBR？
基于物理的渲染（PBR）是一种在计算机图形学中用于模拟光线与材料交互的着色方法，旨在实现高度逼真的视觉效果。PBR通过使用基于物理精确公式的算法来再现现实世界中的材料特性，从而生成一致且逼真的环境。
PBR技术的组成
PBR的实现依赖于诸多关键元素，如着色器、纹理贴图和渲染技术。
着色器：包括顶点着色器和片段着色器，主要用于模拟光线和材质的行为。
纹理贴图：如漫反射/基础色贴图、法线贴图、镜面反射/光泽度贴图、粗糙度/金属度贴图等，均为生成逼真场景贡献了重要力量。
PBR的基本原理
PBR的基本原理构成了逼真渲染的基础。以下则是PBR的几个关键原理：
- 能量守恒：确保表面反射的光总量不超过接收到的光，从而准确表现材料对光的响应。
- 菲涅尔效应：描述了反射率随光线方向和视角变化的规律，决定了材料在不同角度下的反射变化，增加了渲染场景的真实性和视觉丰富度。
- 反照率（Albedo）：表示材料的基础颜色，影响整体外观和视觉保真度。
- 反射：决定材料如何反射光源，包括高光、镜面反射和折射光，增加了场景的深度和真实性。
- 法线贴图：模拟表面细节和不规则性，提升渲染场景的细节层次和逼真度。
- 常态分布：模拟表面法线分布，影响高光与纹理表面的交互作用，描绘材质细节和表面不规则性。
这些基本原理共同构成了PBR的基础，遵循了解并遵循这些原理，3D创作者可以更好的理解创作过程中须注意的事项和细节，从而帮助实现更逼真且有视觉冲击力的渲染效果。
PBR的工作流程
准备PBR的3D资产时，需仔细考虑高模和低模、UV映射、纹理贴图和镜面反射等因素，才能实现逼真且一致的艺术作品。
- 高模 vs 低模：高模可捕捉更多复杂细节，低模则可优化实时渲染和效率。
- UV映射：对准确应用包括基础色、法线、金属度和粗糙度等贴图，传达材质属性和表面细节有重要作用。
通过仔细处理这些方面，创作者可以为PBR工作流程奠定坚实基础，从而打造出视觉震撼和沉浸感强的3D艺术作品。
PBR纹理贴图
在PBR中，几种类型的贴图帮助创建逼真且视觉引人注目的纹理：
- 反照率： 代表材质的基础颜色，影响其整体外观和视觉写实度。
- 法线：模拟表面细节与不规则性，增强渲染场景细节层次。
- 粗糙度：粗糙度贴图可控制反射的锐利度，有助于描绘材质表面。
- 金属度：决定了材质的金属特性，影响其反射率和外观。
- 高光：根据光线方向和视角描述反射率的变化，有助于渲染场景的写实度。
- 高度图：用于对网格进行形变，常用于地形或悬崖等表面。
- 不透明度：确定材质的透明度，影响其视觉外观。
- 环境光遮蔽：影响材质的阴影效果，增加渲染视觉效果的深度。
- 折射：影响光线穿过材质的方式，从而增强材质的视觉效果。
- 自发光：控制材质的光线发射，影响其视觉效果。
这些贴图可准确描绘出材质对光线的反应以及光线对环境的交互作用，在实现逼真渲染中起到了关键作用。
基于物理的着色
符合物理特性的材质在 PBR 中至关重要，因为它可模拟光线与表面的交互作用，以实现逼真的材质渲染。
通过使用各种材质着色（包括顶点着色和像素着色），PBR 可精确复制光线及其周围表面的复杂行为，从而提高渲染材质的视觉保真度与写实度。
这些材质在计算不同波长入射光（包括反射光）的反射、折射和吸收方面十分关键，有助于在 PBR 渲染的场景中对材质进行更逼真的描绘。
通过利用不同类型材质的功能，创作者和开发人员可实现更逼真惊艳的视觉质量和效果，从而达到丰富游戏、虚拟现实、扩增实境等实际的效果和体验。
PBR的优点
基于物理的渲染（PBR）具有众多优点，包括生成逼真的图像、精细的纹理和写实的照明，提升渲染场景的质量和视觉保真度。
- 高度逼真：通过遵循真实世界的物理属性，PBR能够创建与现实生活极为相似的视觉效果，增强沉浸感和真实性，尤其是利用可见光射线和表面法线，准确模拟真实世界的照明。
- 一致性：PBR还可持续促进工作流程，在简化流程的同时，增加创作的一致性，从而减少制作时间，提高效率，包括准确模拟各种表面的反射光和散射光，比如与漫反射真实交互的光滑或粗糙的表面。
基于物理的渲染（PBR）是一个强大的工具，能够实现高度逼真的视觉效果。本篇文章介绍了PBR的核心原理、关键组成部分及其工作流程。无论是在游戏开发、虚拟现实还是其他领域，PBR都能提供卓越的视觉体验和高效的制作流程。
理解并掌握这些原理或规则，有助于创作者充分释放其创意潜力，打造出更逼真、更震撼的3D作品。
下一篇文章，将继续介绍PBR在实际建模和渲染过程中的应用，以及常遇到的一些问题和相应的结局思路或办法。
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