材质系统:关于PBR(Physically Based Rendering)需要知道的一些事

目录

前言

1. 什么是PBR?

2. 为什么PBR在近期开始流行

3. PBR材质与其他渲染器中材质(如Vray材质、Enscape中的材质)的区别是什么?

4. 为什么Vray之类的渲染器从一开始没有使用PBR材质系统?


前言

本文内容基于对图形学中PBR相关知识的理解而写,属于材质系统中PBR内容的前置知识。主要内容来源为计算机图形学核心知识、本人项目经验以及GPT辅助。如有错误烦请指正。

1. 什么是PBR?

PBR全称为Physically Based Rendering,即基于物理的渲染。是一种在计算机图形学中模拟光线与物质相互作用的方法,旨在提供一种通用的材质创建和渲染流程,适用于不同的渲染引擎和平台。PBR的核心目标是创建更加真实和一致的渲染效果,它基于物理原理来近似真实世界中光的行为。在渲染过程中保持能量守恒,确保材质的反射和吸收行为符合物理定律。

2. 为什么PBR在近期开始流行?

  • (1)技术成熟:PBR作为一种标准化的渲染流程,提供了一套统一的材质参数和光照模型,使得渲染效果更加逼真和一致。在实时渲染(如游戏开发)和非实时渲染(如电影制作)之间的桥梁作用,提供了统一的渲染解决方案。在一些实际项目,如游戏和电影领域,取得了不错的效果。
  • (2)硬件发展:GPU和CPU的性能提升,使得实时渲染复杂的PBR材质成为可能。
  • (3)简化工作流程:PBR提供了一种简化的材质创建和渲染流程,减少了艺术家在材质属性调整上的工作量,提高了生产效率。
  • (4)跨平台一致性:PBR材质可以在不同的渲染器和渲染引擎中使用,而保持相似的视觉效果,这对于跨平台项目尤为重要。

3. PBR材质与其他渲染器中材质(如Vray材质、Enscape中的材质)的区别是什么?

VRay的早期版本并不是基于PBR材质系统构建的,但它们确实提供了广泛的材质属性和控制,允许用户实现各种逼真的渲染效果,这一套材质系统也被继承了下来。VRay材质系统从一开始就设计得非常灵活和强大,能够模拟复杂的光照和材质交互,这与PBR的目标是一致的,但方法和具体的实现细节有所不同。VRay的后续版本增加了对PBR工作流的支持,允许用户更容易地创建和管理基于物理的材质。
(1)材质属性:

  • PBR:通常使用一组基于物理的参数,如反照率(Albedo)、金属度(Metalness)、粗糙度(Roughness)、法线(Normal)贴图等,这些参数能够广泛适用于不同的渲染器和场景,提供一致的视觉效果。
  • VRay/Enscape:可能使用不同的参数集,如漫反射(Diffuse)、镜面(Specular)、光泽度(Glossiness)、IOR(折射率)等,这些参数更侧重于艺术家的直观控制,而不是严格的物理准确性。

(2)光照模型:

  • PBR:采用基于物理的光照模型,如使用能量守恒和双向反射分布方程(BRDF)来确保渲染结果的物理真实性。
  • VRay/Enscape:可能使用更传统的光照模型,虽然也可以模拟真实世界的光照效果,但不一定严格遵循物理法则。

(3)工作流程:

  • PBR:强调标准化的工作流程,使得材质可以在不同的渲染器和平台之间移植,提高了材质制作和渲染的效率71。
  • VRay/Enscape:可能提供特定的工作流程和界面,这些工作流程可能更适合特定类型的项目或用户群体,但可能不具备PBR那样的通用性。

4. 为什么Vray之类的渲染器从一开始没有使用PBR材质系统?

  • (1)发展阶段错位:PBR作为一种渲染技术,是在21世纪初才开始流行的,特别是在游戏和实时渲染领域。而像VRay这样的渲染器在PBR流行之前就已经存在,并且拥有自己的一套成熟的材质系统。VRay等渲染器主要是为建筑可视化、电影制作和其他非实时渲染任务设计的。这些领域在PBR流行之前,已经使用了一套行之有效的材质和光照模拟方法。当PBR兴起后不是特别必要完全切换成PBR体系。
  • (2)渲染人员可控性与灵活性:VRay等渲染器提供了高度的灵活性和控制,允许用户自定义材质和光照效果。PBR虽然提供了一种标准化的方法,但它可能并不适合所有类型的渲染任务或艺术风格,例如风格化的表现形式。许多用户和公司已经习惯了VRay等渲染器的现有工作流程和材质系统,对于这些用户来说,改变到PBR材质系统可能需要重新学习和适应。
  • (3)硬件需求:如(1)中所述,Vray等渲染器在PBR兴起之前就已存在,受限于当时计算机硬件的算力限制,Vray的材质系统对硬件需求不高。而PBR材质和光照模型可能需要较高的计算资源,尤其是在实时渲染中。
  • (4)软件自身渲染算法:VRay等渲染器可能采用了一些特殊的渲染技术和算法,这些算法在某些方面与PBR的原则不完全一致,但在特定情况下能够提供更好的渲染效果或性能。随着市场对PBR材质的需求增加,VRay等渲染器也开始提供PBR材质选项,以满足用户的需求。

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