PBR Anisotropy,ClearCoat,Subsurface,sheen

2021-08-14 1,217 阅读3分钟

(8条消息) 着色模型简介和实现（上）_子宽的专栏-CSDN博客_着色模型

现象总结(个人总结)

Anisotropy是高光部分,横纵比
clearcoat 是第二层specular
Subsurface 是第二层diffuse
sheen 是加强版的菲涅尔

Anisotropy

上图左：各向同性金属球；右：各向异性金属球。
如上图, 高光部分被打横了, 菲尼尔效应更强了.

Clear Coat

Clear Coat模型是多层材质的一种最简单的形式。
Clear Coat Layer一般是透明的，光线会透过Clear Coat Layer照射到Base Layer，为了模拟Clear Coat材质，一般将这两层材质按照下图的方式建模：
Clear Coat Layer会产生Specular反射，剩余的光线照射到Base Layer产生Specular和Diffuse反射。
因此，相比于基础BRDF模型，Clear Coat模型多一个由Clear Coat Layer产生的specular项。
Clear Coat模型，需要两个额外的参数，一个是ClearCoat系数，另一个是ClearCoatRoughness，指明Clear Coat Layer的粗糙度。

Subsurface

Subsurface模型也是一种多层材质，它可以很复杂（如用于绘制皮肤的SSSS模型），也可以很简单（如Disney在Principled BRDF中的实现）。
Subsurface模型描述的是名为次表面散射（subsurface scattering）的物理现象。
次表面散射现象指的是光线进入材质内部，经过多次反射、吸收，最终折射出材质表面的现象。
这个物理现象在BRDF模型中我们是用Diffuse分量来描述的，但是无论是Lambert模型还是Burley模型，都无法表现材质对光线的吸收作用，或者说，无法表现出“通透”效果。
下图展示了采用Subsurface scattering模型的皮肤（右上）和未采用（右下）的对比。
subsurface模型都是通过添加一层额外的diffuse layer来近似表现次表面散射现象。这一点刚好跟Clear Coat模型相反——Clear Coat模型添加了额外的specular层，而subsurface添加了额外的diffuse层。

Cloth(sheen)

因为布料的组成形式是纤维相互堆叠，纤维之间还存在空隙，不符合微表面理论。
模拟Cloth的BRDF模型大致可以分为三类：
- 基于观察的empirical models
- 基于微表面理论的模型
- 微圆柱体模型（micro-cylinder model）
基于微表面理论的模型
- 常用的布料模型中的法向分布函数是Ashikhmin[3]提出的，用逆高斯分布来拟合法向分布，经过后续的补充，最终的形态为：
α控制逆高斯函数的宽度kamp控制幅度。f(l,v,h)已经包含了diffuse和specular两部分。

float D_Ashikhmin(float roughness, float NoH) {
    // Ashikhmin 2007, "Distribution-based BRDFs"
	float a2 = roughness * roughness;
	float cos2h = NoH * NoH;
	float sin2h = max(1.0 - cos2h, 0.0078125); // 2^(-14/2), so sin2h^2 > 0 in fp16
	float sin4h = sin2h * sin2h;
	float cot2 = -cos2h / (a2 * sin2h);
	return 1.0 / (PI * (4.0 * a2 + 1.0) * sin4h) * (4.0 * exp(cot2) + sin4h);
}

另一种布料模型是Estevez和Kulla提出的Charlie模型，Charlie模型采用的是正弦函数的幂来拟合，而不是逆高斯函数。它的实现更简单、外观更柔和。

float D_Charlie(float roughness, float NoH) {
    // Estevez and Kulla 2017, "Production Friendly Microfacet Sheen BRDF"
    float invAlpha  = 1.0 / roughness;
    float cos2h = NoH * NoH;
    float sin2h = max(1.0 - cos2h, 0.0078125); // 2^(-14/2), so sin2h^2 > 0 in fp16
    return (2.0 + invAlpha) * pow(sin2h, invAlpha * 0.5) / (2.0 * PI);
}