基於物理表現的渲染之一切須知

因為紋理藝術家主要在製作用於表現表面的紋理，所以對他們來說，了解光線與表面物質的相互作用很重要。所製作的紋理和材質都要與虛擬世界中的光相互作用。更加了解光的行為，所製作的紋理看起來會更完美。 

基於物理表現的渲染 (PBR) 有時又稱為基於物理表現的暈渲 (PBS)，是一種更準確呈現光與材質屬性相互作用的暈渲和渲染方法。根據 3D 建模工作流程的討論層面，PBS 通常專指暈渲概念，而 PBR 則是指渲染和打光。這兩個術語都描述了以物理正確的方式來呈現資產的程序。

無論是在電腦圖形中或 3D 影片製作中使用即時渲染系統，運用基於物理表現的渲染方法都將改進工作流程。

• 逼真的資產：PBR 將製作表面屬性 (如透明度) 的不確定性移除，因為其方法論和演算法是以物理正確的公式為基礎，並模擬真實世界的材質。
• 連貫一致的環境：不論所使用的打光系統為何，PBR 環境中的其他資產都會正常呈現。
• 永續工作流程：PBR 是廣為採用的工作流程，即使不同的藝術家也可以建立一致的圖稿。「它縮短了製作時間，」Adobe 創意製作人 Wes McDermott 說道，因此「在工作時可以更專注於創意，而非科學。」

在 PBR 工作流程中工作時，藝術家必須注意基本反射率，或所反射顏色和光的最小數量。

「鏡面反射」是指表面所反射的光。光線從表面反射，並以不同方向前進。它遵循反射法則，即完美平面上的反射角等於入射角。

不過，大多數表面都是不規則的，而反射方向則會因表面粗糙度而異。這改變了光的方向，但是光強度保持不變。

表面如果更粗糙，則表面最亮部分會變得更大且更暗。更光滑的表面將會保持集中的鏡面反射，以正確的角度觀看時會更明亮或更強烈。

「漫射」、「漫射光」或「次表面散射」這些術語都描述了光被吸收或內部散射的作用。光被散射時，光線方向會隨機改變，而偏向量則取決於材質的表面粗糙度，因為粗糙的表面會散射光。散射會隨機決定光的方向，但不會改變其強度。有時散射光可能會重新出現在表面上，使其再次可見。

高散射和低吸收的材質，有時稱為參與媒介 (Participating Media) 或半透明材質 (Translucent Material)。其範例包含煙霧、牛奶、皮膚、翡翠和大理石。

通過半透明材質時，光可能被吸收或散射。光被吸收時，光強度會降低，因為它轉化為另一種能源形式 (例如熱)。這些顏色變化取決於波長，但是光線的方向則不變。

如果沒有散射，而且吸收率低，則光線會直接通過表面 (玻璃便是一例)。想像在清澈的池中游泳。可以張開雙眼，看透清澈的水。不過，如果池子相當髒，塵埃微粒會散射光，而降低水的清澈度和水下的可見距離。

光在這類材質中前進的越遠，就越會被吸收和/或散射。這也是為什麼光的吸收或散射量主要取決於物體的厚度。

菲涅耳效應 (Fresnel Effect) 由法國物理學家 Augustin-Jean Fresnel 率先發現，並由圖形學教授 Wenzel Jakob 引用，表示表面的光反射量取決於其視角。

同樣地，想像一池水。如果向下看，垂直於水面，就會看到池底。以這種方式觀看表面，是零度或正向 (也就是表面法線) 入射。如果以掠入射的角度來看水池，更平行於水面，就會看到水面上的鏡面反射變得更加強烈，可能根本看不到水面底下。

如果您持續處理紋理，勢必會想進一步了解這些重要的 3D 打光概念。這些概念會讓您更深入理解 PBR 運作的技術層面，同時協助您從藝術角度來欣賞。「它會為您完成許多繁重工作，」McDermott 說道，他經常採用 PBR 方法。「我可以有更多時間花在創意上，製作酷炫的事物。」

如需更多有關 PBR 的資訊，請參閱 The PBR Guide (由 Wes McDermott 所著並由 Allegorithmic 出版發行)。