背景
上一篇说到我最近开了一个引擎的坑写了, 所以把自己关于 PBR 的一点体会记录下来, 前篇写了 PBR 的光照部分, 其实 PBR 还有一个特别重要的部分, 那就是 IBL(Image Base Lighting).
IBL 是什么
IBL 主要作用就是模拟我们现实生活中的间接光反射. 想像我们把一个白球放在四面墙壁是红色的屋里, 我们去观察这个白球, 它会有浅浅的红色, 这就是因为球受到红色墙壁的影响. 同理, 如果我们把球放在四面墙壁是绿色的房间, 那球就是呈现浅浅的绿色.
物体最终会呈现出什么颜色, 其实与物体所处的环境相关.
IBL 理论
IBL(Image Base Lighting) 也就是基于图像的光照. 这里的图像就是物体所处的环境. 一般情况下我们会用一个 Cube 纹理来表示. 这个 Cube 怎么来, 可以是天空盒, 也可以是物体所处的环境的实时渲染结果(光照探针就是一种类似的技术).
IBL 也分为漫反射与镜面反射, 而 IBL 中光线来辐射量应该是来源于法线平面所有的像素点, 而计算机中不可能取到现实中所有的光源, 所以我们其实是采样法线半球内的像素点作为光源. 而因为采样的成本很高, 所以我们都会预处理, 先将平面四周的环境全采样后存储到一个 Cube 纹理中, 在 IBL 中, 再直接采用.
IBL 实现
漫反射
环境漫反射是说, 当前点的平面法线所在的半球应该都会对当前点的有辐射, 而我们在计算机, 在每一帧中的每一个点都要去采样当前点的法线半球, 这在性能上几乎不可接受, 所以我们需要做一个预处理, 预先将每个点的所能接收到的环境辐射存储到一个 Cube 纹理中. 这样在实时计算时, 只需要从这个 Cube 纹理中直接取值就好, 而这个 Cube 纹理, 我们一般叫作环境辐射图.
生成辐射图的 glsl
float sampleDelta = 0.025;
float nrSamples = 0.0f;
for(float phi = 0.0; phi < 2.0 * PI; phi += sampleDelta) {
for(float theta = 0.0; theta < 0.5 * PI; theta += sampleDelta) {
// spherical to cartesian (in tangent space)
vec3 tangentSample = vec3(sin(theta) * cos(phi), sin(theta) * sin(phi), cos(theta));
// tangent space to world
vec3 sampleVec = tangentSample.x * right + tangentSample.y * up + tangentSample.z * N;
irradiance += texture(environmentMap, sampleVec).rgb * cos(theta) * sin(theta);
nrSamples++;
}
}
irradiance = PI * irradiance * (1.0 / float(nrSamples));
上面这个 shader 其实就是用两个 for 循环在当前点的法线半球上采样, 然后取平均.
有了上面实时生成的辐照图, 我们在实时实现物体的实时漫反射光源, 就可以直接从辐照图中获取了.
vec3 irradiance = texture(irradianceMap, N).rgb;
vec3 diffuse = irradiance * albedo;
镜面反射
光线在一个点发生反射, 因为微平面与粗糙度这两个概念, 反射出来的光线不会只有一条, 而是以完全镜面反射 r 为中心主要反射的扇瓣形. 同时, 粗糙度的不同也会导致扇瓣大小的不同. 所以我们会生成一个预滤波的环境图, 并以粗糙度为准生成 lod 纹理.
再加上我们生成的以 NdotV 和粗糙度为轴的 LUT , 就可以得到 Fresnel 值.
至此, 高光的相关元素, 我们都集齐了.
vec3 F = fresnelSchlickRoughness(max(-dot(N, V), 0.0), F0, roughness);
F = vec3(0.5);
vec3 kS = F;
vec3 kD = vec3(1.0) - kS;
kD *= 1.0 - metallic;
vec3 irradiance = texture(irradianceMap, N).rgb;
vec3 diffuse = irradiance * albedo;
// sample both the pre-filter map and the BRDF lut and combine them together as per the Split-Sum approximation to get the IBL specular part.
const float MAX_REFLECTION_LOD = 4.0;
vec3 prefilteredColor = textureLod(prefilterMap, R, roughness * MAX_REFLECTION_LOD).rgb;
vec2 brdf = texture(LUTMap, vec2(max(dot(N, V), 0.0), roughness)).rg;
vec3 specular = prefilteredColor * (F * brdf.x + brdf.y);
vec3 ambient = (kD * diffuse + specular) * ao;
更详细的理论可以参考这里
