基于物理的渲染（PBR）白皮书 | 迪士尼原则的BRDF与BSDF相关总结

基于物理的渲染(Physically Based Rendering , PBR)技术，自迪士尼在SIGGRAPH 2012上提出了著名的“迪士尼原则的BRDF(Disney Principled BRDF)”之后，由于其高度的易用性以及方便的工作流，已经被电影和游戏业界广泛使用，并成为了次时代高品质渲染技术的代名词。本文的主要内容，便是对推动了这次基于物理的渲染革命的“迪士尼原则的BRDF(Disney Principled BRDF)”，以及随后2015年提出的“迪士尼BSDF(Disney BSDF)”进行深入的探讨、总结与提炼。

全文主要内容脉络如下：

迪士尼与基于物理的渲染的发展

迪士尼采用的BRDF可视化方案与工具

迪士尼对测量材质数据库的观察结论

Diffuse项的观察结论

Specular D 项的观察结论

Specular F 项的观察结论

Specular G 项的观察结论

布料(Fabric)材质的观察结论

彩虹色(Iridescence)的观察结论

迪士尼原则的BRDF(Disney Principled BRDF)

核心BRDF模型

漫反射项(Diffuse)：Disney Diffuse

法线分布项(Specular D)：GTR

菲涅尔项(Specular F)：Schlick Fresnel

几何项(Specular G)：Smith-GGX

Disney Principled BRDF的理念

Disney Principled BRDF的参数

Disney Principled BRDF的着色模型

迪士尼原则的分层材质(Disney Principled Layers Material)

Disney Principled BRDF的实现代码

迪士尼BSDF(Disney BSDF)

在文章开头，依然是首先放出总结了本文核心内容脉络的两张思维导图(因图片上传后会压缩变模糊影响阅读，公众号后台回复“PBR”即可获得高清图片。)

OK，让我们直接开始正文。

一、迪士尼与基于物理的渲染的发展

正如这个系列前文已经提到的，基于物理的渲染其实早在20世纪就已经在图形学业界有了一些萌芽，2010年在SIGGRAPH上就已经有公开讨论的Course《SIGGRAPH 2010 Course: Physically-Based Shading Models in Film and Game Production》，而直到2012~2013年，才正式进入大众的视野，渐渐被电影和游戏业界广泛使用。

究其原因，一方面是因为硬件性能的限制，另一方面，则是因为早期的基于物理的渲染模型包含大量复杂而晦涩的物理参数，不利于美术人员的理解、使用和快速产出。

迪士尼则是这次PBR革命的重要推动者。在创作电影《无敌破坏王(Wreck-It Ralph)》期间，迪士尼动画工作室对基于物理的渲染进行了系统的研究，最终开发出了一种几乎可以用于电影的每个表面新的BRDF模型(头发除外)，即迪士尼原则的BRDF(Disney Principled BRDF)。

图 迪士尼动画电影《无敌破坏王》(2012)

随后，迪士尼动画工作室的Brent Burley于SIGGRAPH 2012上进行了著名的talk《Physically-based shading at Disney》，正式提出了迪士尼原则的BRDF(Disney Principled BRDF)，由于其高度的通用性，将材质复杂的物理属性，用非常直观的少量变量表达了出来(如金属度metallic和粗糙度roughness)，在电影业界和游戏业界引起了不小的轰动。从此，基于物理的渲染正式进入大众的视野。

图 SIGGRAPH 2012《Physically-based shading at Disney》

在2012年受到Disney Principled BRDF的启发后，主流游戏引擎都开始从传统的渲染工作流转移到基于物理的渲染工作流。

以下是主流游戏引擎转移到基于物理的渲染的时间节点：

【SIGGRAPH 2013】 UE4 ：《Real Shading in Unreal Engine 4》

【SIGGRAPH 2014】 Frostbite(寒霜)： 《Moving Frostbite to PBR》

【GDC 2014】 Unity：《Physically Based Shading in Unity》

下面，让我们正式开始分析、提炼和总结SIGGRAPH 2012上迪士尼进行的talk《Physically-based shading at Disney》，深入了解其能让基于物理的渲染技术普及于游戏和电影工业的背后原因。

二、迪士尼采用的BRDF可视化方案与工具

在BRDF可视化方面，迪士尼在分享中提出了三个方面的工具与资源，可以总结如下：

MERL 100 BRDF材质库。Matusik等人[Matusik et al.2003]捕获的一组100个各向同性BRDF材质样本库。涵盖了各种材质，包括油漆，木材，金属，织物，石材，橡胶，塑料和其他合成材质。对学术与研究免费授权。

MERL BRDF主站

Database地址