逻辑模型和物理模型_基于物理的光照模型实现

概要介绍

随着计算机性能的提升和3D技术的发展，现代3D游戏不断追求对现实世界的真实模拟。在这种背景下，原来被广泛使用的blinn-phong光照模型由于其模拟度不够，已经无法满足新一代游戏要求。需要采用新的基于物理的光照模型，来模拟高光反射，提升画面质量

技术方案

光照模型使用了微表面BRDF，环境高光的大量采样使用预处理并储存在一张cubemap多层mipmap中来模拟

我们知道，计算高光光照的基本公式如下：

其中，关键部分是双向反射分布函数(BRDF)。根据微表面BRDF的理论，其BRDF表示为:

其中F为费涅耳系数，G是几何遮蔽函数，D是法线分布函数。

在本次的实现中，对费涅耳系数的模拟我们采用Schlick公式；几何遮蔽函数使用Schlick修改过的Smith模型；法线分布函数使用GGX。

以上是单条入射光的计算方式，为了计算所有方向的入射光，需要对入射半球做蒙特卡洛积分。

由于需要的采样数过多，不可能采用实时采样的方式，所以需要做数据的预处理。为了做到这一步，第一步是

这里把光照剥离出来，把环境光照根据GGX的分布函数采样之后，再按照roughness从0~1储存到一张cubemap的mipmap中。

对于第二个部分，通过分析，可以把BRDF分割成两个部分:

因此我们可以考虑将这两个部分预先计算，放到一张贴图里，使用cos(v,h)，roughness作为横纵坐标。预计算结果如下：

最后使用的时候，只要把cubemap和这张贴图结合使用，即可得到环境高光的结果。

效果

使用cubemap来储存多次采样预处理结果，在实际使用中一次采样即可得到很好的结果，消耗非常小。
具体效果如下：

使用原始的phong光照模型

使用新的光照模型，无环境高光

新光照模型，且应用环境高光：

改进计划

cubemap可以有多张，分布在场景的多个角落，且可以切换

转载自公司内部创新