GAMES104-渲染中光和材质的数学魔法

绘制的核心是什么？
光：光子、反射反弹
材质：光和物质怎么反应
渲染：Shader 如何去做一些复杂的计算

渲染宗师，James Kajiya
1986年，提出了渲染方程 BRDF 双向反射方程
观察角度：模拟人眼
观察点：是否自发光？其他的光反射出的效果是什么？

真实世界的光照非常复杂
直射光、阴影、反射光、折射

是否可见，阴影效果，非常难，如果做不好不能体现层级
复杂的光源：直射光、电光源、面光

最初简单的光照：
主光源：Main Light，均匀的环境光
环境光：Ambient Light，使用一个混合参数代替
环境反射：环境贴图，根据眼睛看的角度和法向做贴图采样

Blinn-Phong Materials
环境光+漫反射+高光 = 材质模型（光可叠加原理）
优点：简单
缺点：
1.能量不保守，光线追踪会反复叠加
2.不够真实，看什么都很塑料

Shadow
场景中每个点对于光是否可见
ShadowMap 原理：
从光的视角渲染一张图，深度图，表示到光的距离
每一个点反向和光源做距离，如果大于最靠近光的遮挡物的距离，就代表是光源
优点：简单
缺点：采样率不一样，自遮挡问题

3A的光照：
预计算（空间换时间）
全局光照 Global IIIumination
模拟室内效果，体现真实感的刻画
可以预计算全局光照，球面模拟

傅里叶变换
可以用少量参数大概表示图片是什么样子的
替换土方法：加权平均
卷积：投影到屏幕空间的几个参数

Spherical Harmonics 球面投影技术

LightMap 光照贴图模拟 GI
把整个场景的光照烘培到一张贴图
需要先对环境进行几何简化
优点：
1.Runtime 效率很高
2.烘培可以得到很细致的效果
缺点：
1.预计算时间很长
2.只能处理静态物体和静态光
3.占用存储空间（几十M-几百M）

Light Probe+Refection Probe 模拟 GI
Light Probe 光照探针（空间体素化）
对每个 Probe 采样光场，可以理解为对周围拍六张照片拼成一个图
场景中放很多很多，精度不高
对于游戏的每个元素，找到最近的几个探针，做差值
如何摆这些 Probe ？太麻烦了，改了关卡之后就变了
（现在游戏都是自动化生产）
Refection Probe 反射探针
放的不多，但是精度很高
优点：
1.效率也不错
2.可以支持静态和动态物体
缺点：
1.效果不如光照贴图

材质
Physical-Based Material 基于物理的材质
中心思想：一个表面就是以无数反射组成的，法向分散的随机度（roughness）
比如，金属表面：表面光滑，反射基本上一个方向

GGK
Frensnel 菲涅尔
眼睛视线靠近表面切线方向，反射系数会急剧增加，会造成反射效果

Physical Measured Material
Disney Principled BRDF
1.每个参数要复合设计者的直觉
2.尽可能少的参数
3.所有参数的范围尽可能是0-1
4.如果超过了0-1，必须要有意义
5.随便调参数，不会产生很诡异的效果

常用 PBR 模型
1.PBR Specular Glossiness ，SG 模型
几乎没有什么参数，用图表达
Diffuse+Specular（菲涅尔参数）+Glossiness（粗糙光滑）
缺点：SG 模型对图的参数要求比较高，容易出错，可以再封装一层

2.RBR Metallic Roughness， MR 模型
BaseColor+Roughness+Metallic
缺点：非金属和金属过度会产生小小白边

Image-Based Lighting，IBL
核心思想：对真实环境光照做预处理，快速把环境光照卷积运算出来

LUT：Look up table

Shadow 阴影
解决方案：Cascade Shadow
因为 ShadowMap 精度不够，把 Shader 分成几层
10米的高精度
100米的一般精度
2公里的垃圾精度
保证近处看的清晰，近处看的稀疏（符合人眼）
问题：
不同的层级之间做差值，否则会有撕裂感

Hard Shadow & Soft Shadow 方案
PCF、PCSS
Variance Soft Shdow Map，效率高

技术总结：
Lightmap + LightProbe
PBR + IBL
Cascade shadow + VSSM

新技术：
实时光追，Real-Time Ray-Tracing
Real-Time Global IIIumination
Screen-space GI
SDF Base GI
Voxel-Based GI（SVOGI/VXGI）
RSM/RTX GI
皮肤材质、毛发渲染
Virtual Shadow Map

大量 Shader 管理
Shader 变体，各种宏定义分出各种条件，最后会编译很多分支的 Shader
跨平台编译
vulkan、metal、opengl、dx11,12

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