内容概要
PBR 流行了这么久了，网上各种帖子也非常多，那么从技术角度说，到底什么是 PBR 呢？
【欢迎转载，请注明作者：房燕良，原文出处：游戏程序员的自我修养】
到底什么是 PBR ？
- 能量守恒就是“基于物理”了吗？
- PBR 就是迪斯尼那套金属工作流吗？
- “Metallic, Roughness…”就是 PBR 了吗？
到底什么是 PBR ？ 这个问题值得多问几次，不过，在这里我并不想正面回答这个问题，因为我的理解还不够。
我整理了一些资料放到我的 GitHub 上，看完这些内容你会有自己的答案 
另外，我还在做一个业余的小项目，还没有完成，但也可参考：
我个人一直对“技术发展史”兴趣浓厚，我尝试沿着《Physically Based Rendering》一书中的 A Brief History of Physically Based Rendering 小节来理一下 PBR 的发展历程。
1980年 Turner Whitted 的《An improved illumination model for shaded display》文章中，首次使用 Ray Tracing 来计算反射、折射等全局效果。而 Ray 这个概念可以回溯到 1968 年 Arthur Appel 的 《Some techniques for shading machine renderings of solids》一文。虽然当时 Appel 并没有使用 Ray Casting 这个词，但这篇文章被公认为光线追踪算法的开山之作，他首次把 Ray 作为一种可计算的方式提出，并使用了“光线可逆”假设，还有 Shadow Ray，这些概念都沿用至今。(Ray Casting 这个名词则是 Scott Roth 1980年的文章《Ray Casting for Modeling Solids》中首次提出的)
现在主流的“微表面模型”早在1981年就由 Cook 和 Torrance 在他们的文章《A reflectance model for computer graphics》中提出了。
1984年 Goral 等人提出“辐射度方法”（Radiosity）之后的那几年被称为“Radiosity Years”。这是首先出现的“基于物理”的全局光照方法。记得当年（2005年前后），在开发《功夫世界》的时候，用了 Progressive Radiosity 算法来生成 Light Map，当时就觉得非常震撼。Radiosity 方法基于热能传递(thermal transfer)的思想，这个跟后来基于“辐射度量学(Radiometry)”的方法，明显是有点绕远了。当然，这只是“事后诸葛亮”啦。
就在那几年，另外一批人在沿着光线追踪的路子在研究。1986年 James Kajiya 发表了他的知名文章《The rendering equation》。”渲染方程“，现在被奉为经典，Gold Standard for Rendering。不过，当时并没有“石破天惊”，甚至颇有质疑。首先是这个方法的计算量巨大：渲染两个球的简单场景，256*256像素，在当时价值 28 万美元的 IBM 4341 机器上上需要运行7个小时。来看看当时这么NB的机器长什么样子吧：
其次，蒙特卡洛方法的噪点问题，当时看很难解决。所以，整体上，当时“渲染方程”、“Path Tracing”这个路子，并不像当时热门的 Radiosity 方法那样吸引人。
下图是我尝试写的一个最简单的 Path Tracer（100行左右），你可以直观的理解一下“噪点”的问题。
另外一个有趣的事情是，在 1984 (也就是在 Kajiya 那篇文章发表的前两年)年Robert Cook就发表了《Distributed Ray Tracing》一文。和《The rendering equation》对照的话，会发现这两篇文章的前面一半很像。Cook 率先把之前的所有渲染方法归纳为一个 Reflection Equation，只不过 Kajiya 转向了完全严谨的数学。以至于，现在“渲染也有了正确与否”：理论上说，只有“Unbiased”和“Biased but consistent”这两种情况是正确的。
我尝试复现了 Cook 这篇文章中的算法，渲染效果很不错，而且非常非常简洁：渲染核心代码150行，加上其他通用模块可能也就一千行左右，就实现了“Soft shadow”、“Depth of field”、“Glossy reflection”、“Motion blur”这么多效果。有兴趣的同学，可以看一下我的代码：Distributed Ray Tracing - Robert Cook et al., 1984 。
在 1990 年代，有一批牛人开始沿着蒙特卡洛的路子不断推进，经常出现的名字包括 Arvo、Kirk、Shirley，还有 Veach 。整个过程也是渐进的，包括将经典的 Phong Reflection Model 修改为“能量守恒”的方式、蒙特卡洛方法计算直接光照、BRDF重要性采样等。在 1997 年 Veach 的 “multiple importance sampling”是一个关键性进展。
下面就是修改后的 Phong reflection model，大家可以直观的感受一下：
\[f_r(x, \Theta_i, \Theta_o) = k_d \frac{1}{\pi} + k_s \frac{n + 2}{2\pi} cos^n\alpha\]我把这些早期工作画成了一个时间线：
在 2001 年的 SIGGRAPH 大会上，有一个《State of the Art in Monte Carlo Ray Tracing for Realistic Image Synthesis》的 Course。在这里 Marcos Fajardo 展示了 Arnold 渲染器早期版本生成的图片.
后面 PBR 开始真正流行起来，从 2010 年至今，几乎每年 SIGGRAPH 都有相关的 Course，我已经将相关资料的链接整理到了这个库中，大家可以去看看：Awesome Physically Based Rendering 。
Written on January 11th, 2021 by 房燕良