基于物理的渲染(PBR)：BRDF与BSDF详解_2024-07-21_04-21-45.Tex

最新推荐文章于 2025-10-13 18:09:10 发布
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基于物理的渲染(PBR)：BRDF与BSDF详解

1. 基于物理的渲染(PBR)基础

1.1 PBR的起源与重要性

基于物理的渲染（PBR，Physically Based Rendering）是一种旨在使计算机图形更加真实的技术。它的起源可以追溯到20世纪80年代，但直到最近几年，随着硬件性能的提升和渲染理论的发展，PBR才成为主流。PBR的重要性在于它能够更准确地模拟现实世界中的光照和材质表现，从而在游戏、电影、建筑可视化等领域提供更高质量的视觉效果。

1.2 PBR的关键组件

PBR的关键组件包括BRDF（双向反射分布函数）和BSDF（双向散射分布函数），以及光照模型和渲染方程。这些组件共同作用，以实现对真实世界光照和材质的模拟。

BRDF与BSDF

  • BRDF（双向反射分布函数）：描述了表面如何反射光线。BRDF是一个四维函数，输入是入射光方向和出射光方向，输出是反射光的强度。在PBR中，BRDF通常用于模拟非金属材质的反射行为。

  • BSDF（双向散射分布函数）：是BRDF的扩展，不仅考虑反射，还考虑了透射和散射。BSDF适用于更复杂的材质，如玻璃、水或半透明物体。

光照模型

光照模型是PBR中用于

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在PBR工作流程中，材质定义是通过一组特定的贴图来完成的。基础颜色贴图 (Base Color): 控制材质的基本颜色。金属度贴图 (Metallic): 控制材质的金属感。粗糙度贴图 (Roughness): 控制材质表面的粗糙程度。法线贴图 (Normal): 提供材质表面的微表面细节。环境光遮蔽贴图 (Occlusion): 模拟环境光对材质表面的遮蔽效果。
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BRDF：双向反射分布函数
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随笔：迪士尼原则的BRDF与BSDF一图以概之
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色彩模型是描述色彩的一种方式，它通过一组数值来表示不同的颜色。RGB模型：基于红、绿、蓝三种原色的混合。在计算机图形学中，RGB模型是最常用的色彩模型，因为它直接对应于显示器的色彩生成方式。CMYK模型：基于青、品红、黄、黑四种颜色的混合，主要用于印刷行业。HSB模型：基于色调（Hue）、饱和度（Saturation）和亮度（Brightness）三个维度。这种模型更接近人类对色彩的感知方式。CIE XYZ模型：由国际照明委员会（CIE）定义，是一种基于人眼对色彩感知的模型，用于色彩转换和色彩匹配。
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BSDF
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BSDF全称是Bidirectional Scattering Distribution Function，即双向散射分布函数，它是一个统称，由Bartell, Dereniak在1980年提出，一般包括BRDF（反射）和BTDF（透射），反映了一个面上不同方向的散射强度。有些还有BDDF(衍射)。 可以看到，光线经过一个物体面...
Physically-Based Shading at Disney 迪士尼的Principled BSDF着色器说明文档(英文)
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计算机图形学【GAMES-101】10、材质(BRDF)(折射、菲涅尔项、微表面模型、各向异性材质)
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Lec171 自然界中的材质2 计算机图形学中的材质2.1 漫反射材质(BRDF)2.2 抛光/毛面金属材质(BRDF)2.3 完全镜面反射+折射材质(BRDF) 1 自然界中的材质 首先了解自然界中的材质 如上这幅图，不同的物体、场景、组合，会让我们看到不同的效果 但是归根到底就一个核心：光线如何传播的，又是如何跟物体作用的。 研究自然界中的材质，就是在研究光线如何传播 2 计算机图形学中的材质 由于渲染方程是几乎100%正确的，那么方程中一定有一项是描述材质的，材质==BRDF 如下3D的由四边形
图形学笔记（十五）材质和外观 —— 菲涅尔项、常见材质（微表面材质、各向同性与各向异性）、BSDF、BRDF的性质、测量BRDF
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图形学笔记（十四）光线追踪4——蒙特卡洛（Monte Carlo）积分、路径追踪详细过程（Whitted-Style的问题于RR（俄罗斯轮盘赌）算法、Ray Generation）、照片级真实感渲染 文章目录1 外观和材质2 反射和折射2.1 Perfect Specular Reflection 完全镜面反射2.2 Specular Refraction 折射2.2.1 Snell's Law 折射定律2.2.2 Snell's Window / Circle2.3 Fresnel Refectio.
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基于物理的渲染（Physically Based Rendering , PBR）技术，自迪士尼在SIGGRAPH 2012上提出了著名的“迪士尼原则的BRDF（Disney Principled BRDF）”之后，由于其高度的易用性以及方便的工作流，已经被电影和游戏业界广泛使用，并成为了次时代高品质渲染技术的代名词。 本文的主要内容，便是对推动了这次基于物理的渲染革命的“迪士尼原则的BRDF（Disney Principled BRDF）”，以及随后2015年提出的“迪士尼BSDF（Disney BSD
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### Metal 框架与金属材质渲染的解释 Metal 是苹果推出的高性能图形和计算框架，旨在利用现代 GPU 的强大功能进行高效的渲染和计算任务。在 Metal 中，材质（Material）是描述物体表面属性的关键部分，包括颜色、反射率、透明度等。以下是对 Metal 框架中金属材质渲染的相关信息的详细说明： #### 1. 渲染管线中的材质处理 Metal 的渲染管线定义了从顶点数据到最终像素输出的整个过程。材质属性通常在片段着色器（Fragment Shader）中被处理，用于计算每个像素的颜色[^2]。以下是材质渲染的基本流程： - **顶点着色器**：负责将 3D 模型的顶点数据转换为屏幕空间坐标。 - **片段着色器**：根据材质属性（如颜色、反射率等）计算每个像素的最终颜色。 #### 2. 金属材质属性的设置 在 Metal 中，材质属性可以通过 `MTLRenderPipelineDescriptor` 和自定义着色器代码来定义。以下是一个简单的材质属性设置示例： ```swift // 创建渲染管线状态描述符 let pipelineStateDescriptor = MTLRenderPipelineDescriptor() pipelineStateDescriptor.vertexFunction = vertexFunction // 设置顶点着色器 pipelineStateDescriptor.fragmentFunction = fragmentFunction // 设置片段着色器 // 定义材质颜色 let materialColor: SIMD4<Float> = [1.0, 0.0, 0.0, 1.0] // 红色 // 在片段着色器中使用材质颜色 func fragmentShader(inVertex: VertexIn, uniformBuffer: buffer<Uniforms>) -> SIMD4<Float> { let color = materialColor * uniformBuffer.reflectance // 结合反射率计算最终颜色 return color } ``` 上述代码展示了如何在 Metal 中通过片段着色器定义材质颜色，并结合反射率计算最终的像素颜色[^3]。 #### 3. 光照模型与金属材质 金属材质通常具有较高的反射率，因此光照模型对其渲染效果至关重要。Metal 支持多种光照模型，例如 Phong、Blinn-Phong 和 PBR（基于物理的渲染）。以下是一个简单的 Blinn-Phong 光照模型实现： ```swift struct Light { var position: SIMD3<Float> var intensity: Float } func fragmentShader(inVertex: VertexIn, light: Light, materialReflectance: Float) -> SIMD4<Float> { let lightDirection = normalize(light.position - inVertex.position) let halfVector = normalize(lightDirection + inVertex.viewDirection) let diffuse = max(dot(lightDirection, inVertex.normal), 0.0) let specular = pow(max(dot(halfVector, inVertex.normal), 0.0), materialReflectance) let finalColor = SIMD4<Float>(diffuse + specular, diffuse + specular, diffuse + specular, 1.0) return finalColor } ``` 上述代码实现了 Blinn-Phong 光照模型，其中 `materialReflectance` 表示材质的反射率[^5]。 #### 4. 渲染管线状态的创建 为了将材质属性应用到渲染管线中，需要创建一个 `MTLRenderPipelineState` 对象。以下是一个示例： ```swift do { pipelineState = try device.makeRenderPipelineState(descriptor: pipelineStateDescriptor) } catch let error { print("Failed to create pipeline state, error \(error)") } ``` 通过上述代码，可以将材质属性与渲染管线绑定，从而实现高效的金属材质渲染[^1]。 ---
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