最近在學習LearnOpengl，經過不懈的努力，終於閱讀到了PBR的章節，接下來會寫一系列博客來總結自己從中學到的理論，並嘗試實現其中的算法。
PBR，全稱為Physically Based Rendering，是一套嘗試用物理的方式來描述現實中渲染效果的技術。相比於前人提到的Phong光照模型，利用PBR的方式可以渲染出更為真實的場景。
利用Phong模型和PBR的效果有一個很直觀的對比，上圖是古劍奇譚一的游戲截圖，它的人物渲染是利用的很基礎的Phong模型（甚至可能沒怎么看到高光的成分），下圖是古劍三的效果，采用了PBR后可以明顯看到人物身上閃爍的配飾、衣服布料的材質，相比於古劍一是翻天覆地的變化，甚至在一定程度上逼近了真實的物理世界。
微面元模型
關於PBR，最基礎的概念就是微面元模型（Microfacet Model）。該理論將一個物體的平面看作是一個個極其微小、凹凸不平的表面所構成。越是平滑的面，它的微表面就越是朝着同一個方向；相反表面越是粗糙，它的微表面就越是面對不同的方向，如下圖所示：
我們利用一個參數：粗糙度(roughness)來描述平面的的各個微表面朝向的離散程度。根據之前提到的Blinn-Phong模型，我們可知隨着平面越朝着h向量(視角向量和光線向量的和)，則高光的部分越強，再結合粗糙度，我們可以完整地描述模型的高光反射：
可以看到，在同樣的視角下，隨着粗糙度降低，則平面越來越平滑，則高光越來越強，且高光的區域越來越聚焦。
反射與折射
在之前的Phong模型中，我們知道除了高光反射，還有漫反射。PBR理論指出，深入研究光打到物體平面上的運行后可以發現，有一部分光會直接從表面反射出去，這其實就是我們前面提到的高光發射。與此相對，有一部分光則會進入物體表面，產生折射，這一部分光有一些會被吸收，產生熱能，另外一些則會和在物體內部進一步碰撞、反射，最終以隨機的方向再次反射出去。是不是覺得似曾相識？沒錯，這其實就是漫反射。PBR理論假設這個折射並反射出去的過程發生在一個非常小的范圍內（相對應的，有一種理論叫做“次表面散射”，它沒有局限於上面的假設，進一步研究了光線折射后的行為，在皮膚、蠟燭等物體上有着更為真實的渲染效果）。下圖展示了光線在打到平面上時所發生的反射和折射現象：
不過有一種物體是需要特殊對待的，就是金屬。對於金屬來說，它只有高光反射而沒有漫反射。
另外需要注意的一點是，PBR模型實際上省略了由於碰撞轉化為熱能的那一部分光的能量，那么根據能量守恆定律，就可以得知入射能量和出射能量是相等的，並且出射光反射部分的能量和折射部分的能量是互斥的。
因此，對於出射光，我們設kd為漫反射比例，ks為高光反射比例，那么必然可得：
kd + ks = 1.0