PBR（基于物理的渲染）完整指南

原理

PBR 的基本原理是制作逼真且具有视觉冲击力的效果图的基石。能量守恒是一项关键原则，可确保表面反射的光线总量不超过其接收的光线总量，从而准确描绘出材质对光的反应。

Fresnel(菲涅尔)效应是 PBR 的另一个基本原理，它描述了反射率随光线方向和视角的变化。这个属性控制着从不同角度观察时材质反射率的改变，有助于提高渲染场景的写实度与视觉丰富性。

反照率代表材质的基色，在 PBR 中起着举足轻重的作用，反照率影响着整体表面外观和视觉保真度。反照率准确传达材质颜色和反射率的基本组成部分，有助于提高渲染场景的逼真度。

反射是 PBR 的另一项关键原理，描述了材质如何反射光源。这个属性控制着反射表面的行为，决定了光线与材质的交互方式，从而产生逼真的高光、高光反射与折射光线，增加渲染视觉效果的深度与写实度。

在高光反射中，当光线照射到非常光滑的表面时，可以通过物理光学和几何光学这两种模型，轻松了解光线的表现。这些表面可完美地反射和透射光线，这表示所有光线都会朝一个方向传播。当光线从这些表面反射出来时，光线反弹的角度与入射的角度相同。

此外，模拟表面细节和不规则的法线贴图在 PBR 中也至关重要，它可传达复杂的表面特征，并增强渲染场景的整体细节与逼真度。

常态分布函数表示连续随机变量的概率分布，是 PBR 的另一个基本原理。它在模拟表面法线分布方面起着重要作用，影响着高光与纹理表面的交互作用，并有助于逼真地描绘材质细节和表面不规则性。这一功能通过表现表面特征的方向和分布，帮助您创建视觉丰富、准确的渲染效果。

整体来说，这些基本原则是基于物理的渲染技术不可或缺的基础。遵循这些原则，艺术家就能制作出具有视觉冲击力且逼真的渲染效果，准确描绘出光线和材质的行为。

PBR 工作流程

为 PBR 准备 3D 资产时，需要考虑高面数与低面数模型、UV 贴图、纹理贴图和高光反射这些要素，能实现逼真、具有一致性的艺术作品。

艺术家和开发人员必须在捕捉复杂细节的高多边形模型和为实时渲染和效率而优化的低多边形模型之间斟酌考虑。

此外，UV 贴图在拆 UV 三维模型以促进贴图（其中包含反照率贴图、法线贴图、金属度贴图和粗糙度贴图）的准确应用方面起着至关重要的作用，这些贴图对于传达材质属性和表面细节非常重要。

只要细致地处理这些注意事项，创作者可为 PBR 工作流程奠定扎实的基础，为创作出视觉震撼、身临其境的 3D 作品铺平道路。

纹理贴图的类型

在 PBR 中，有几种类型的贴图可帮助创建逼真且具有视觉冲击力的纹理：

1. 反照率： 代表材质的基础颜色，影响其整体外观和视觉写实度。
2. 法线：模拟表面细节与不规则性，增强渲染场景细节层次。
3. 粗糙度：粗糙度贴图可控制反射的锐利度，有助于描绘材质表面。
4. 金属度：决定了材质的金属特性，影响其反射率和外观。
5. 高光：根据光线方向和视角描述反射率的变化，有助于渲染场景的写实度。
6. 高度图（Height）：用于对网格进行形变，常用于地形或悬崖等表面。
7. 不透明度：确定材质的透明度，影响其视觉外观。
8. 环境光遮蔽（AO）：影响材质的阴影效果，增加渲染视觉效果的深度。
9. 折射：影响光线穿过材质的方式，从而增强材质的视觉效果。
10. 自发光（Emissive）：控制材质的光线发射，影响其视觉效果。

这些贴图在实现逼真且具有视觉冲击力的渲染效果方面发挥着至关重要的作用，可准确描绘出材质对光线的反应以及光线对环境的交互作用。

基于物理的着色

符合物理特性的材质在 PBR 中至关重要，因为它包括模拟光线与表面的交互作用，以实现逼真的材质渲染。

通过使用各种材质着色（包括顶点着色和像素着色），PBR 可精确复制光线及其周围表面的复杂行为，从而提高渲染材质的视觉保真度与写实度。

这些材质在计算不同波长入射光（包括反射光）的反射、折射和吸收方面十分关键，有助于在 PBR 渲染的场景中对材质进行身临其境的逼真描绘。

通过利用不同类型材质的功能，艺术家和开发人员可为了实现更高水平的逼真度和视觉质量，最终达到丰富游戏、虚拟现实和扩增实境等应用的整体视觉体验。

使用 PBR 的优势

基于物理的渲染（PBR）具有许多优点，包括生成逼真的影像、复杂的纹理和写实照明，从而提高渲染场景的质量和视觉保真度。

PBR 遵循真实世界的物理特性，可创建与真实世界中的场景极为相似的视觉效果，从而提高沉浸感和写实度。PBR 利用可见光射线和表面法线，有助于准确模拟真实世界的照明。

此外，PBR 还能促进可持续的工作流程，在简化制作流程的同时促进艺术品创作的一致性，最终缩短制作时间并提高效率。包括准确模拟各种表面上的最终反射光和散射光，如与漫射光真实互动的光滑与粗糙表面。

基于物理渲染的应用

PBR 对建筑可视化、游戏视频、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）、电影和动画以及产品设计和广告等各个领域产生了影响。

• 建筑可视化：PBR 在创建逼真的建筑设计和环境可视化方面都是重中之重。
• 游戏视频：PBR 技术被广泛应用于游戏行业，以实现逼真、身临其境的视觉效果。
• 虚拟现实（VR）和增强现实（AR）：PBR 有助于在 VR 和 AR 应用中实现逼真的视觉体验。
• 电影和动画：PBR 对于在电影与动画中创建逼真的视觉效果、提高整体内容质量方面十分关键。
• 产品设计和广告：PBR 可用于创建逼真的产品视觉效果和逼真的广告材质。

软件中的 PBR 技术

各种软件、平台、插件和软件开发工具包（SDK）为 PBR 技术提供了支持，使艺术家和开发人员能够在工作流程中有效地实行 PBR 材质。

这些工具针对 PBR 的需求，提供了一整套功能与性能，使渲染效果具有惊人的视觉冲击力，更加栩栩如生。艺术家和开发人员有多种选择，每种都能提供独特的功能整合，从而简化 PBR 流程。

热门软件平台的 PBR 插件和扩展功能可进一步实现 PBR 工作流程的无缝整合，并创建高质量、物理精确的材质与纹理。这些插件通常提供先进的材质创作、实时渲染和纹理创建功能，使用户能够在自己偏好的软件环境中实现逼真的视觉效果。

此外，NVIDIA MDL（材质定义语言）和 AMD Radeon ProRender SDK 等软件开发工具包为开发人员提供了构建客制化 PBR 解决方案的工具和资源，利用硬件加速和先进的渲染技术实现无与伦比的视觉保真度与逼真度。

各种软件、平台、插件和 SDK 对 PBR 的集体支持，彰显了这些公司对推进 PBR 工作流程的承诺。通过利用这些工具的特性和功能，艺术家与开发人员可简化 PBR 流程，实现更高的逼真度，创建视觉上更吸引人的内容，应用于各行各业，如游戏、娱乐、建筑可视化和产品设计等。

实时 PBR

实时 PBR 给渲染引擎带来了新的考验与进展。在维持高视觉保真度的同时实现实时性能是首要挑战。硬件加速方面的进步（如功能强大的 GPU 和专用渲染内核）解决了这方面的问题，使实时引擎能够处理复杂的光照计算、材质交互和后制效果。

屏幕空间反射、基于影像的照明系统和基于物理的着色模型等技术对于有效实施 PBR 至关重要。屏幕空间反射可提高视觉质量，基于图像的照明可模拟逼真的环境，而基于物理的着色可确保逼真的连贯效果。

将实时 PBR 技术与游戏、虚拟现实和扩增实境技术相结合，已改变了互动娱乐的面貌。这使开发人员能够创造出视觉震撼、栩栩如生的环境，模糊虚拟世界与真实世界之间的界限。

随着实时渲染引擎的进步，极致沉浸式体验在跨平台和跨行业间的潜力不断扩展，为视觉保真度与逼真度设定了崭新的标准。

为 PBR 创建材质

为基于物理的渲染（PBR）创建和优化材质需要对材质创作、纹理创建和参数化进行周全的考虑。材质创建需要开发反照率、金属度(Metalness)、粗糙度和法线贴图等属性，以逼真地表现表面并响应光照条件。

纹理创建可生成高质量的贴图，用于呈现表面细节和属性。材质参数化可根据所需的视觉效果对属性和材质进行微调，这需要对材质属性及其与光线的交互作用有深入的了解。

这一重点可确保材质准确复制真实世界的表面，从而创造出令人着迷的、身临其境的视觉体验。此外，优化材质还能使属性和纹理与节能和光照行为相一致，从而产生视觉上准确的渲染效果。

坚持 PBR 原则并利用先进技术，可实现高水平的视觉保真度和逼真度，提高渲染场景的质量与写实度。

交互式环境中的 PBR

基于物理的渲染（PBR）在交互环境中发挥着举足轻重的作用，可提升各种沉浸式体验（包括交互式媒体装置、虚拟游览和模拟）的逼真度和交互性。

PBR 技术有助于创建视觉上引人注目、栩栩如生的环境，在各种应用中增强用户体验和参与度。通过精确模拟光线和材质的行为，PBR 可实现连贯逼真的视觉内容，增强互动环境中身历其境的临场感。

在交互式媒体装置中，PBR 技术有助于创建具有视觉吸引力的交互式展品，吸引观众的目光。其逼真的渲染威力可增强装置的视觉保真度，带来逼真的动态体验，与观众产生更深层次的共鸣。这项技术能精确模拟光线的照射方式，确保打造身临其境的迷人视觉内容。

无论是在美术馆、博物馆，还是在真实世界的公共空间，PBR 都能让艺术家和创作者制作出打破物理和虚拟世界界线的互动装置，给观众留下持久的印象。

同样，在虚拟游览和互动模拟中，PBR 技术也有助于营造逼真、身临其境的环境，给人深度体验和探索的感觉。透过准确渲染材质、照明互动和环境细节，PBR 增强了虚拟环境的逼真度，为用户提供了令人赞叹连连的真实体验。

不管是浏览建筑空间、探索历史景点，还是参与虚拟模拟培训，PBR 应用都能确保用户进入视觉丰富的互动世界，增强他们在这些环境中的沉浸与互动感。

常见问题

为什么基于物理的渲染很重要？

基于物理的渲染很重要，因为它可创建逼真的影像和连贯的环境，同时还能为一致的艺术品创作提供可持续工作流程，最终提高计算机图学的整体质量。精确模拟光线和折射是基于物理渲染的关键，有助于最终渲染影像的逼真外观。

什么是 PBR材质？

PBR 材质是指为基于物理的渲染而设计和优化的材质，目的在于精确模拟光源和材质的物理行为，以达到逼真的效果。

什么是 PBR 贴图？
PBR 贴图也称为纹理贴图，在基于物理的渲染（Physically-Based Rendering）中用于定义表面属性和模拟光线与材质的交互作用，影响最终的视觉效果。

什么是 PBR 中的粗糙度？

PBR 中的粗糙度(Roughness)是指某个表面属性，粗糙度决定了光滑表面上材质的分布，影响光线与表面反射光的交互方式，并有助于提高渲染场景的整体逼真度。了解粗糙度对于准确描绘各种表面（从光滑的抛光到表面粗糙的材质）至关重要。

什么是法线入射角？

法线入射角是指垂直于表面法线观察表面的视角。在零度或法线入射角时，表面上的高光反射会变得更加强烈，您可能根本无法看到表面下方。这一概念对于理解光线如何与表面交互作用并影响高光反射强度至关重要，有助于在 PBR 中对材质进行整体视觉描绘。

PBR 材质的基本组成部分有哪些，它们对最终渲染输出有何影响？

PBR 材质由基础颜色、金属度、粗糙度贴图和法线贴图等基本组件构成。这些组件通过精确模拟光线和材质的物理行为，共同影响最终的渲染输出，从而带来更逼真的视觉效果。

在计算机图学中使用基于物理的渲染（PBR）有哪些主要优势？

在计算机图学中使用 PBR 的主要优势包括创建逼真的影像、连贯的环境和永续的工作流程，以实现一致的作品创作。PBR 还能更准确地渲染最终反射光与材质属性（包括表面法线）之间的交互作用，最终提高计算机图学的整体质量。

基于物理的渲染技术在电子商务和广告行业的产品可视化中是如何应用的？

基于物理的渲染技术可用于电子商务和广告行业的产品可视化，这种技术能以符合物理的方式精确模拟表面的视觉特性，从而在各种照明条件下获得逼真的效果。经由如实再现真实世界的材质，增强产品展示和营销方面的材料。

传统渲染技术与基于物理的渲染技术的主要区别在哪里？

传统渲染技术与基于物理的渲染技术的主要区别在于，PBR 对光线在半透明材质和表面上的行为进行更详细的推理。基于物理的渲染摒弃了老旧的近似法，能更准确地渲染光线行为以及光线与材质的交互作用，从而获得比传统渲染方法更逼真、更具视觉吸引力的效果。

基于物理的渲染如何提高 3D 建模与渲染软件中材质表现的准确性

基于物理的渲染通过模拟光线和材质的物理行为，提高了 3D 建模与渲染软件中材质表现的准确性，从而获得更逼真、更直观的材质表现。