引擎世界丨EngineWorld.CN
标题: More DETAILS! PBR的下一个发展在哪里？ [打印本页]
作者: theGIbook 时间: 2018-1-13 21:10
标题: More DETAILS! PBR的下一个发展在哪里？
本帖最后由 theGIbook 于 2018-1-13 22:10 编辑
最近几年图形学社区对PBR的关注非常高，也许是由于Disney以及一些游戏引擎大厂的助推，也许是因为它可以被轻松集成进实时渲染的游戏引擎当中，也许是因为许多人发现现在只需要调几个参数就能实现具有非常精细细节的表面着色了。反正现在知乎上随便一篇PBR的文章都可以引来大量的点赞，不管你有没有讲清楚，也不管我有没有看明白（当然没有调侃谁的意思啦，它们大部分都还不错，而且这篇文章跟他们大部分讨论的内容都不一样）。
那么PBR是否已经足够完美，如果不是，那么它有哪些方面的缺点及限制，以及针对这些不足，它的下一步发展应该是什么？这些问题就是本文会聚焦的内容。对于一个知识点，解释它的基本思路和概念也许并不是最难的，最难的是你知道它的限制和不足在哪里，这部分的理解往往会比它的基本概念要困难一些，你必须更深刻地理解这种知识才能洞悉它的缺点，然后你便清楚它的下一步发展应该是什么。因此，本文其实不仅会讨论PBR的下一步发展，这里对PBR不足的一些分析也许能够让你更深刻地理解它的概念。不信？往下读一读试试！
本文主要分为三个部分，第一部分简要介绍PBR的基本概念，第二部分则分析PBR存在的问题，然后我们结合一些研究成果探讨PBR的下一步发展。
PBR基本概念
这里，我们从两个方面介绍PBR的基本概念：首先介绍它处于渲染中的什么流程或者说哪个环节，或者说它在整个渲染中具有什么样的作用；然后介绍它的基本原理和思路。
在图形渲染中，如果架构抽象的比较好的，我们可以将整个渲染流程划分为四个相对比较独立的部分：
- 光源表述（lighting）：例如是点光源，面积光源或者其它形式的（例如将网格用作一个）光源，是使用辐射强度还是直接使用辐射亮度来表述光源发出的光照。
- 光照传输（light transport）：就是光在场景中是怎么传输的，例如离线渲染中的光线追踪算法，它能模拟比较真实的光子传输行为，就是说能覆盖全部光子传输路径（或空间），但是在实时渲染中使用的一些近似方法也是表述光照传输的，虽然它可能省略掉了一些不重要的路径，但是这仍然是一种光照传输算法。光栅化的整个过程也是模拟了直接光照的传输。
- 着色模型（shading）：就是光与表面相交时发生的光学交互，比如反射和折射等，所有着色相关的数据汇总成一个材质对象，每个物体表面都需要一个材质对象，以便决定光在经过物体表面时应该如何对物体表面进行着色。
- 摄像机模型（camera）：比如投影方式，对景深效果的实现方式，是否支持全景绘制，是否支持对时间采样实现运动模糊等。
其中，光源表述和摄像机模型是相对比较简单的，最耗时间的是光照传输，因为它要执行光线与场景的相交计算，复杂的着色模型也可能比较耗时，但着色模型的最重要作用是决定物体表面所能表述细节（details）的能力。
在术语上，PBR英文全称为Physically based rendering，它是指能够实现接近物理真实的整个渲染算法或过程。但是由于光照的传输算法通常是固定且内置于渲染引擎的（或者说已经具有比较稳定成熟的算法，例如离线渲染领域的路径追踪算法，或者实时渲染领域里的光栅化+其它全局光照算法），剩下对基于物理的渲染算法影响最大的其实是表面的着色（材质）模型。因此，人们通常在讨论或描述PBR时，更多的是指其使用的着色模型。基于物理的着色模型更准确的称呼应该是Physically based shading，但是通常并没有PBS的称谓。
那么物理材质是指什么，“材质”其实就是光在与某个特定表面交互时需要的所有光学交互计算的数据，例如法线，纹理，BRDF等，也就是说，材质定义了最终表面接受光照后的视觉结果。对于物体表面视觉特征的定义，根据尺寸粒度可以划分为三级：
- 基于网格顶点的表述，这种就是只对网格顶点的着色进行描述，然后中间的表面像素则通过插值来计算。
- 基于像素的纹理贴图，这就是最常见的各种贴图，它们能表述像素级别的视觉特征。
- 基于微观粒子的微面元表述，这就是我们这里所关心的物理着色。
上述前两种视觉表述是比较常见的，也是早期使用的一些技术。然而这两种表述远远不能描述物体表面的视觉特征，这是因为一个像素的尺寸远远大于物体表面上微观粒子的尺寸，如下图所示，图像空间中间的黄色方块表示一个像素，下面灰色褶皱部分则是该像素对应的实际微观结构，而光实际上是作用在这些微观结构上的，所以基于像素的着色模型（如直接贴图）反应不出真实物体表面的微观细节，所以这些技术都可以称为不是基于物理的材质。
(, 下载次数: 40)