PBR -如何处理多个BSDF和材料类型

Question

所以我正在写我自己的路径跟踪渲染器，现在我只实现了旧的Blinn模型，我们分别计算了材料的漫射和镜面成分，每个物体都有一个镜面和一个漫射颜色。

现在向更一般的方向，我希望能够渲染不同类型的物体--木材，抛光木，完美的镜子，比如反射等等。然而，所有这些信息让我困惑于如何实现这些BSDF，或者换句话说，我应该如何选择何时应用某个BSDF，或者将两者结合起来呢？

这通常是用物质的方法来完成的。材料是扩散，光泽度或完美的镜面定义，我应该使用的BSDF。

我阅读了PBRT的线索，它们将表面反射分解为4种类型。漫射，光斑，镜面和复古反射。然后，他们实现了一个enum，它存储与这些反射对应的类型。

枚举具有以下类型

BSDF_REFLECTION
BSDF_TRANSMISSION
BSDF_DIFFUSE
BSDF_GLOSSY
BSDF_SPECULAR
BSDF_ALL

1. 用户应该选择前两位和下三位的按位组合。其中BSDF_ALL是所有标志的组合。这个界面看起来不错，但有一点混乱。如果BSDF_ALL组合了所有标志，那么这意味着曲面可以是diffuse和specular。然而，这似乎很奇怪，一个完美的镜面不能扩散。虽然Glossy + Diffuse是有意义的(磨光的木头，在粗糙的墙上画画)，但diffuse + specular和glossy + specular对我来说没有意义。
2. 假设我们已经解决了上述问题，那么考虑一个像橙色或柠檬皮一样的glossy+diffuse对象。我们如何计算这个表面的颜色？假设我对漫射表面使用奥兰-纳亚尔模型(ON)，对镜面使用库克·托兰斯 (CT)模型。我应该计算漫射分量通过ON和镜面通过(CT)，然后把它们加在一起吗？然而，这两种模型都有各自的参数，这些参数决定了微面的斜率分布。对于$\sigma^2$，是高斯分布的方差，CT是$m$，wiki将其描述为"RMS微面斜率“(检查各自的链接)。其中哪一个将控制表面的粗糙度？
3. 更进一步说，还有一个更普遍的问题。在较老的模型，如Blinn，我们过去有一个单独的漫射和镜面颜色。据我所知，镜面颜色不过是菲涅耳反射。这是因为菲涅耳反射率与波长有关。如果是电介质，这是不可分辨的，但对于金属，它通常是(黄金赋予一种黄色的色调)。因此，对于电介质，镜面颜色将只是在RGB通道上复制的普通旧菲涅耳反射率，而对于金属，这将是色调的颜色。让我困惑的是漫射和镜面反射率这个挥之不去的概念。考虑库克-托伦斯的原始论文，他们描述他们的模型为。$R = dR_d + sR_s$，其中$d$和$s$分别是漫反射率和镜面反射率的系数，它们必须满足这个条件。$d+s \leq 1$ $R_d$是任何漫射的BRDF (他们假设为lambertian)，而$R_s$是他们新提出的用于镜面的BRDF。这就是我最大的困惑所在。我认为漫射色和镜面颜色是物体在每个通道中各自的反射率。然而，上述方程将颜色与反射率分开。Which概念用于PBR?

Answer 1

虽然库克-托伦斯BRDF的镜面术语在路径跟踪中得到了广泛的应用，但最初的BRDF是用于栅格化的(它是在路径跟踪出现之前提出的)。加权漫射和镜面分量之和(即$R=dR_d+sR_s，d+S \leq 1$)不能代表漫射和镜面物质元素(如折射、塑料菲涅耳等)相互作用可能产生的复杂结果。

实际上，一种更好的基于物理的材料表示模型将是层模型。例如，光滑和粗糙的导体可以通过一个独特的层来模拟，这个层代表的是库克-托兰斯BRDF的镜面项。光滑和粗糙的介质可以通过一个独特的BSDF建模。另一方面，塑料可以通过使用的两层进行建模:最上面的一层表示介电层( BSDF)，第二层在介电层之下，代表一种漫射材料(例如，lambertian或Oren)。这种塑料双层装置能够模拟塑料的菲涅耳反射率(通过介质层)、塑料颜色(通过介质下面的有色漫反射层反射的光)、介质吸收的光(通过实施比尔定律)等。

基于层的材料模型非常接近真实生活中的实际情况。我已经写了一个相关的答案，还有更多的细节，这可能对你有帮助(我在答案中包含了一些参考)：https://computergraphics.stackexchange.com/a/5761/5681

最初的库克-托兰斯没有适当地节约能源(我已经发布了一个关于那个这里的问题)。2007年，Walter等人。已经发表了论文粗糙表面折射的微面模型，其中他们提出了一个基于库克-托伦斯的模型，适合于路径跟踪。

在分层材料方面，我实现了Weidlich和Wilkie，任意分层微面曲面提出的系统，给出了一个比较通用的分层材料模型。在此之后，人们提出了更复杂的层状材料模型。其中之一是温泽尔·雅各布( Wenzel )的一种绘制层状材料的综合框架。有一篇新的论文(我想是在2017年发表的)，它支持表层的地下散射(当我找到它时，我会在这里添加它)。

我认为PBRT也使用基于层的材料，但我不知道它们是如何实现的。