教程-理解阿诺德基于物理渲染

基于物理法则设计材质可以简化着色和照明，即使我们不追求完全的写实。理解和遵循一些原则，可以使图像更可信，以及让材质在不同的照明组合下都有可预见的效果。

在现代渲染器中，基于物理渲染（PBR）是指某些概念，诸如能量守恒定律、物理上可信的散射、材质分层、线性色彩空间（energy conservation, physically plausible scattering and layering in materials and linear color spaces）。虽然阿诺德是基于物理渲染器，但可以根据所需允许你打破这些规则，创造不符合物理法则的材质。在这份文档中，我们会解析基本理论，以及如何使你的shader遵循这些原则。

在渲染中我们模拟光子从灯光中发射，透过空气或体积物，经过表面反射，最终落在相机的传感器上。无数光子在传感器的组合，便形成了渲染出来的画面。

这意味着在物理的观点看来，表面shader描述了表面是如何跟光子相互作用的。光子落在物体上，有可能被吸收、反射、穿过表面折射、或者在物体的内部散射。这些元素的组合，构成了多种多样的材质。

能量守恒定律

除非一个物体是发射光子的光源，否则它不能返回比接收的光线更多的能量。为了材质能量守恒，离开表面的光子数量会少于或等于接收的光子数量。如果一个材质不能量守恒，它会表现得过亮、渲染出更多噪点，特别是开启全局照明（GI）的时候。

为了保证能量守恒，一个材质各元素的分量（weight）和颜色不能超过1，我们也要小心地确保各元素的总合成也遵循能量守恒，之后会进一步解释。

在微观层面，物体表面有复杂的细节。在渲染的时候，我们不需要用几何体表现这些细节，而是使用含有简单易懂的调节参数的统计学模型。阿诺德的Standard Surface shader有1或2个镜面反射层，还有漫反射或透明的内部。这个shader能表现大量的材质，接下看看各个独立的部分。

漫反射和次表面散射

首先考虑漫反射内部。迎面而来的光子会进入物体内部，在里面散射，被吸收或者从别的位置离开物体。如果光子散射了很多次，我们会得到一个漫反射的外观，由于光子从不同的位置和角度离开物体。对于一些物体例如皮肤，光子可以在表面以下散射得相对较远，得到一个柔软的外观，因此使用次表面散射渲染。对于一些物体例如未加工的木头，光子不会散射得太远，造成一个坚硬的外观，所以使用漫反射渲染。对于薄的物体例如树叶，光子可以散射到物体的另一边，所以我们使用sss漫反射渲染，并开启thin_wall。

注意，这些种类的物体根本上都有着相同的深层物理结构，即使我们在shader中提供了独立的控制点。

漫反射内部也对物体整体颜色有着巨大影响。每一个光子有着相关联的波长，取决于材质的属性，拥有某些波长的光子会比其他光子更易被吸收。相反地，某些光子也更容易离开物体表面，这就产生了颜色。

能量守恒

单个光子只可以参与漫反射、次表面散射、背光这些元素的其中之一。为了物理正确性，我们不希望离开表面的光子比进来的多。Standard Surface shader会自动确保这些元素的总量不会高于1。

粗糙度

镜面层是使用微片面分布（microfacet distribution）来模拟的。我们假设表面是无数随机指向的小平面组成。一个低粗糙度的平面例如镜子，小平面之间的差异非常小，导致一个清晰的反射。而高粗糙度的平面由各种朝向不同的小平面构成，得出的反射就非常柔软。

粗糙度贴图

让表面的高光得到更丰富效果，需要用到粗糙度贴图。这不仅会影响高光的亮度，而且影响环境反射的清晰度。

穿透（Transmission）

光子不仅在表面反射，还会穿过表面折射。光子会透过镜面反射层，在另一边离开时通常会改变方向，这通过折射系数控制（IOR）。

如果物体内部是透明的，例如干净的玻璃，光子会穿过物体并从另一端出来。如果是一个漫反射内部，光子会在物体内散射，被吸收或透过另一边离开。镜面反射层的折射越强，深层的漫反射内部越容易看得见。对于金属物体，光子透过镜面折射后会立刻被吸收，所以内在的漫反射是不可见的。

菲涅尔（Fresnel)

光子被镜面层反射或折射的百分比取决于视角。当观察迎面的表面，大部分光被折射了，同时在边角的大部分光被反射了。这就是菲涅尔效应。折射系数精确控制了这个效果随着视角变化而变化的程度。

透明度和穿透

使用贴图来做表面建模时透明度是最容易理解的。这不影响光子和表面的相互作用，而是直接表明哪里的几何体是不可见的，光子可以直接穿过。

对透明度一个典型的使用是面片类的效果（sprite type），例如从多边形面片上切出树叶的形状，或使毛发的尖端变透明。注意如果使用了太多透明的面片，会减慢渲染速度。

穿透深度（Transmission depth）类似，不过相比表面，它控制了物体内部的密度。密度高的体积物会吸收更多的光子，使物体深度越深颜色越暗。

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