PBRT笔记(7)——反射模型
基础术语
表面反射可以分为4大类：
- diffuse 漫反射
- glossy specular 镜面反射高光
- perfect specular 完美反射高光
- retro-reflective distributions 后反射分布
几何坐标系以及工具函数
pbrt中的反射是在反射坐标系中进行计算的。坐标系由着色点处法向量与两个切向量组成，也就是
正交基向量（s,t,n），分别于x，y，z相对齐。以\(( \theta ,\phi)\)球体坐标系来表达方向。
从图8.3中可以了解到以下内容，代码在reflection.h中
inline Float CosTheta(const Vector3f &w) { return w.z; }
inline Float Cos2Theta(const Vector3f &w) { return w.z * w.z; }
inline Float AbsCosTheta(const Vector3f &w) { return std::abs(w.z); }
inline Float Sin2Theta(const Vector3f &w) {
return std::max((Float)0, (Float)1 - Cos2Theta(w));
}
inline Float SinTheta(const Vector3f &w) { return std::sqrt(Sin2Theta(w)); }
inline Float TanTheta(const Vector3f &w) { return SinTheta(w) / CosTheta(w); }
inline Float Tan2Theta(const Vector3f &w) {return Sin2Theta(w) / Cos2Theta(w);}
inline Float CosDPhi(const Vector3f &wa, const Vector3f &wb) {
return Clamp((wa.x * wb.x + wa.y * wb.y) /std::sqrt((wa.x * wa.x + wa.y * wa.y) *(wb.x * wb.x + wb.y * wb.y)),
-1, 1);
}
基本接口
BRDF与BTDF共享公共基类BxDF。BxDFType为反射属性枚举（按照不同的子类修改里面部分枚举的值）
MatchesFlags()用于确定当前BxDF的标签是否与用户提供的一样。
f()返回分布函数值。
完美反射物体例如镜子、玻璃、水之类只能从一个入射方向散射到另一个出射方向，对于这些光线散射情况，就需要特殊处理。这样的BxDF最好是使用delta分布来表示，在此PBRT提供了Sample_f()函数，可以用来处理散射的随机方向采样问题。(使用这个函数氛围使用delta分布与不适用)
virtual Spectrum Sample_f(const Vector3f &wo, Vector3f *wi,const Point2f &sample, Float *pdf,BxDFType *sampledType = nullptr) const;
反射率
半球方向反射率(半球方向上的全反射)：
$\rho_{hd}(\omega_o)=\int_{H^2(n)}f_r(p,\omega_o,\omega_i) \left|cos\theta_i \right| d\omega_i $
virtual Spectrum rho(const Vector3f &wo, int nSamples,const Point2f *samples) const;
半球-半球反射率（当前半球方向上所有光线都是一样的情况下,类似兰伯特材质）：
$\rho_{hh}=\frac{1}{\pi}\int_{H2(n)}\int_{H2(n)}f_r(p,\omega_o,\omega_i) \left|cos\theta_i cos\theta_i \right|d\omega_o d\omega_i $
如果没有提供\(w_o\),计算ρhh，则使用：
virtual Spectrum rho(int nSamples, const Point2f *samples1,const Point2f *samples2) const;
PS.之前看《ray tracing from the ground up》都不知道rho这个函数是啥意思
BxDF缩放适配器
用于取得BxDF的值，并把它缩放至光谱的贡献值。类名为ScaledBxDF
反射高光与透射
在光滑表面（理想状态下）中，反射的出射角与入射角大小相同，遵守菲尼尔定理。一般情况下，计算计算机图形学中的常见操作都会忽略色散现象，以此极大地简化光线传输计算（色散：折射率随着光的波长而变化）。Snell定律：
\(\eta_i sin\theta_i =\eta_t sin \theta_t\)
菲涅尔方程描述了光线接触到表面后反射与透射的比，它实际上Maxwell方程在光滑表面上的求解。
因为在现实环境中光的偏振现象较少，所以在PBRT假设光不偏振。在这个假设下，菲尼尔反射率表示为平行和垂直偏振项的平方的平均值。我们使用\(\eta\)表示折射率
\(r_\parallel=\frac{\eta_t cos\theta_i-\eta_i cos\theta_t}{\eta_t cos\theta_i-\eta_i cos\theta_t}\)
\(r_\bot=\frac{\eta_i cos\theta_i-\eta_t cos\theta_t}{\eta_i cos\theta_i-\eta_t cos\theta_t}\)
对于非偏振光的菲尼尔反射率：
\(F_r=\frac{1}{2}(r_\parallel^2+r_\bot^2)\)
存在几个重要类别需要加以区分：
- 第一类是绝缘体(非金属)，即不导电的材料。它们有真实的折射率(通常在1-3范围内)，并能透射一部分入射光。例如玻璃、矿物油、水和空气。
- 第二种是导体(金属)，比如金属。导体的导电性会对电磁波中的电子产生一定影响，所以与介质不同，导体的折射率较为复杂：·\(\overline{\eta}=\eta+ik\),k为吸收系数。
- 第三种是半导体，本书暂时不考虑。
因为能量守恒的关系，所以绝缘体中透射的能量为1-\(F_r\),FrDielectric函数计算了非偏振光对于绝缘体的菲尼尔反射：
Float FrDielectric(Float cosThetaI, Float etaI, Float etaT) {
cosThetaI = Clamp(cosThetaI, -1, 1);
//为了计算透射角的cos值，必须确定是在介质内还是外
bool entering = cosThetaI > 0.f;
if (!entering) {
std::swap(etaI, etaT);
cosThetaI = std::abs(cosThetaI);
}
// Snell定律计算cosThetaT
Float sinThetaI = std::sqrt(std::max((Float)0, 1 - cosThetaI * cosThetaI));
Float sinThetaT = etaI / etaT * sinThetaI;
if (sinThetaT >= 1) return 1;
Float cosThetaT = std::sqrt(std::max((Float)0, 1 - sinThetaT * sinThetaT));
Float Rparl = ((etaT * cosThetaI) - (etaI * cosThetaT)) /
((etaT * cosThetaI) + (etaI * cosThetaT));
Float Rperp = ((etaI * cosThetaI) - (etaT * cosThetaT)) /
((etaI * cosThetaI) + (etaT * cosThetaT));
return (Rparl * Rparl + Rperp * Rperp) / 2;
}
导体与绝缘体分界面处的菲尼尔反射率为：
\(r_\bot=\frac{a^2+b^2-2acos\theta+cos^2\theta}{a^2+b^2+2acos\theta+cos^2\theta}\)
\(r_\parallel=r_\bot\frac{cos^2\theta(a^2+b^2)-2acos\theta sin^2\theta +sin^4\theta}{cos^2\theta(a^2+b^2)+2acos\theta sin^2\theta +sin^4\theta}\)
其中：
\(a^2+b^2=\sqrt{(\eta^2-k^2-sin^2\theta)^2+4\eta^2k^2}\)
\(\eta + ik = \overline {\eta_t}/\overline{\eta_i}\)为这个复杂计算后的折射率。但是因为\(\overline{\eta_i}\)是绝缘体的关系，这个部分的计算可以被代替。
Spectrum FrConductor(Float cosThetaI, const Spectrum &etai,
const Spectrum &etat, const Spectrum &k) {
cosThetaI = Clamp(cosThetaI, -1, 1);
Spectrum eta = etat / etai;
Spectrum etak = k / etai;
Float cosThetaI2 = cosThetaI * cosThetaI;
Float sinThetaI2 = 1. - cosThetaI2;
Spectrum eta2 = eta * eta;
Spectrum etak2 = etak * etak;
Spectrum t0 = eta2 - etak2 - sinThetaI2;
Spectrum a2plusb2 = Sqrt(t0 * t0 + 4 * eta2 * etak2);
Spectrum t1 = a2plusb2 + cosThetaI2;
Spectrum a = Sqrt(0.5f * (a2plusb2 + t0));
Spectrum t2 = (Float)2 * cosThetaI * a;
Spectrum Rs = (t1 - t2) / (t1 + t2);
Spectrum t3 = cosThetaI2 * a2plusb2 + sinThetaI2 * sinThetaI2;
Spectrum t4 = t2 * sinThetaI2;
Spectrum Rp = Rs * (t3 - t4) / (t3 + t4);
return 0.5 * (Rp + Rs);
}
为了方便起见，PBRT抽象了一个Fresnel类，并且提供一个Evaluate()方法，用于估算并且返回菲尼尔反射率。在此基础上创建了FresnelConductor、FresnelDielectric、FresnelNoOp类。
FresnelConductor类存储了入射折射率、透射折射率以及吸收系数k。
FresnelDielectric类存储了入射折射率与透射折射。
FresnelNoOp类为菲尼尔反射率为1的情况。在现实生活中不太可能，但为一些操作提供便捷。
反射
SpecularReflection类继承自BxDF类。
其反射公式：
\(L_o(\omega_o)=\int f_r(\omega_o,\omega_i)L_i(\omega_i) \left| cos\theta_i \right| d\omega_i=F_r(\omega_r)L_i(\omega_r)\)
如果使用狄拉克分布来构造这个BRDF，则有：
\(\int f(x)\delta (x-x0)dx=f(x_0)\)
如果希望BRDF在除了完美反射的地方，别的地方皆为0，就建议使用狄拉克分布，则有：
\(f_r(\omega_o,\omega_i)=\delta(\omega_i-\omega_r)F_r(\omega_i)\)
将其带入方程后得：
\(L_o(\omega_o)=\int \delta(\omega_i - \omega_r)F_r(\omega_i)L_i(\omega_i) \left| cos \theta_i\right| d\omega_i=F_r(\omega_r)L_i(\omega_r) \left| cos \theta_r\right|\)
然而它并不正确，因为有了个额外参数\(\theta_r\)，将因子分离出来，得到正确结果：
$f_r(p,\omega_o,\omega_i)=F_r(\omega_r)\frac{\delta(\omega_i-\omega_r)}{\left| cos\theta_r\right|} $
因为对于任意方向，delta函数不会返回散射值的原因，所以f()返回0.
然而PBRT确实实现了Sample_f()方法，它根据delta分布选择适当的方向。它将输出变量wi设置为提供的方向wo在表面法线附近的反射。*pdf值设置为1;
Spectrum SpecularReflection::Sample_f(const Vector3f &wo, Vector3f *wi,const Point2f &sample, Float *pdf,BxDFType *sampledType) const {
*wi = Vector3f(-wo.x, -wo.y, wo.z);
*pdf = 1;
return fresnel->Evaluate(CosTheta(*wi)) * R / AbsCosTheta(*wi);
}
如何求反射向量?参看图8.8就明白了。代码：
inline Vector3f Reflect(const Vector3f &wo, const Vector3f &n) {
return -wo + 2 * Dot(wo, n) * n;
}
因为由于在BRDF坐标系系统中，法向量为(0,0,1)所以：*wi = Vector3f(-wo.x, -wo.y, wo.z);
透射
我们使用τ来表示光线透射过介质的能量（别的都被反射了）:
\(\tau = 1- Fr(\omega_i).\)
则该介质透射的辐射通量的微分为：
\(d\Phi_o=\tau d\Phi_i\)
使用辐射学的定义代替后：
\(L_ocos\theta_odAd\omega_o=\tau( L_i cos\theta_idAd \omega_i)\)
将平面角度坐标系转换到球面角坐标后：
\(L_ocos\theta_odAsin\theta_od\theta_od\phi_o=\tau( L_i cos\theta_idAsin\theta_id\theta_id\phi_i)\)
将Snell定律进行变换，对于θ有：
\(\eta_ocos\theta_od\theta_o=\eta_icos\theta_id\theta_i=>\frac{cos\theta_od\theta_o}{cos\theta_id\theta_i}=\frac{\eta_i}{\eta_o}\)
将其代入公式8.7中则有：
\(L_o\eta_i^2d\phi_o=\tau L_i\eta_o^2d\phi_i\)
因为\(\phi_i=\phi_o+\pi\)所以\(d\phi_i=d\phi_o\),从而得到：
\(L_o=\tau L_i\frac{\eta_o^2}{\eta_i^2}\)
对于BRDF，我们需要约去一个\(cos\theta_i\)去取得一个正确BTDF用于透射计算。
\(f_r(\omega_o,\omega_i)=\frac{\eta_o^2}{\eta_i^2}(1-F_r(\omega_i))\frac{\delta(\omega_i-T(\omega,n))}{\left| cos\theta_i\right|}\)
其中\(T(\omega_o,n)\)为函数通过法向量与出射角计算出来的透射向量。
因为BTDF是一个缩放后的狄克拉函数，所以f()返回0。
inline bool Refract(const Vector3f &wi, const Normal3f &n, Float eta,
Vector3f *wt) {
Float cosThetaI = Dot(n, wi);
Float sin2ThetaI = std::max(Float(0), Float(1 - cosThetaI * cosThetaI));
Float sin2ThetaT = eta * eta * sin2ThetaI;
if (sin2ThetaT >= 1) return false;
Float cosThetaT = std::sqrt(1 - sin2ThetaT);
*wt = eta * -wi + (eta * cosThetaI - cosThetaT) * Vector3f(n);
return true;
}
Spectrum SpecularTransmission::Sample_f(const Vector3f &wo, Vector3f *wi,const Point2f &sample, Float *pdf,BxDFType *sampledType) const {
//确定哪个折射率为透射哪个为入射
bool entering = CosTheta(wo) > 0;
Float etaI = entering ? etaA : etaB;
Float etaT = entering ? etaB : etaA;
//计算透射向量
if (!Refract(wo, Faceforward(Normal3f(0, 0, 1), wo), etaI / etaT, wi))
return 0;
*pdf = 1;
//透射量计算
Spectrum ft = T * (Spectrum(1.) - fresnel.Evaluate(CosTheta(*wi)));
//如果是辐射学模式的话再乘以两个介质的折射率平方商
if (mode == TransportMode::Radiance) ft *= (etaI * etaI) / (etaT * etaT);
return ft / AbsCosTheta(*wi);
}
菲尼尔模式下的反射与透射
为了在蒙特卡洛光线传递算法中（14章16章会介绍）有更好的效率，我们将会使用一种同时带有折射与反射的BxDF。类名为：FresnelSpecular。具体内容详见代码（会在1314章介绍具体内容）。
LAMBERTIAN反射
类名为：LambertianReflection。
f()返回 辐射度/π
基于微表面的反射模型
OREN–NAYAR漫反射模型
Oren与Nayar在1994年发现现实世界的物体并没有表现出完美的Lambertian反射具体来说，粗糙的表面通常会随着光照方向接近观察方向而变得更亮。
于是他们开发了一个描述粗糙表面反射模型，基于v形状的微表面，使用球形高斯分布参数与一个变量σ描述。σ为光线与视线的偏差角。
因为假设在V形状微表面的情况下，所以仅需考虑相邻的微表面可以互相反射。这是一个经验近似模型：
\(f_r(\omega_i,\omega_o)=\frac{R}{\pi}(A+B max(0,cos(\phi_i-\phi_o))sin\alpha tan \beta)\)
其中σ为弧度制：
$ A=1-\frac{\sigma2}{2(\sigma2+0.33)}$
\(B=\frac{0.45\sigma^2}{\sigma^2+0.09}\)
\(\alpha=max(\theta_i,\theta_o)\)
\(\beta=min(\theta_i,\theta_o)\)
代码参见：OrenNayar::f(const Vector3f &wo, const Vector3f &wi)
微表面分布函数
MicrofacetDistribution为微表面分布的基类。其中一个重要特征就是微表面分布函数D(ωh)。该函数定义于与BxDF相同的BSDF坐标系中。
因此,当ωh等于面法线，且狄克拉函数结果不为0的情况下，完美的光滑表面就可以用狄克拉函数来描述。D(ωh)=δ(ωh−(0,0,1))。
微面分布函数必须normalized，以确保它们在物理上是正确的。直观地说，如果我们考虑沿法线方向n的入射光线，那么每条光线必须与微平面精确相交一次。更正式地说，给定微表面的微分面积dA，那么该面积以上的微面投影面积必须等于dA(参见图8.15)。
\(\int_{H^2(n)}=D(\omega_h)cos\theta_h d\omega_h=1\)
MicrofacetDistribution:😄()对应D(ωh)。返回
微表面朝向与法向量对于该区域面积的微分。
Beckmann和Spizzichino(1963)提出了一种基于微面坡度高斯分布的微面分布函数，该函数得到了广泛的应用;实现在BeckmannDistribution类中。Beckmann–Spizzichino模型定义为：
\(D(\omega_h)=\frac{e^{-tan^2\theta_h/\alpha^2}}{\pi\alpha^2cos^4\theta_h}\)
如果σ代表了微表面斜度的平方根，那么α=√2σ
这对定义各项异性非常有用，同时正态分布也取决于ωh的方位取向各不相同。那相对的微表面的各向异性分布函数为：
\(D(\omega_h)=\frac{e^{-tan^2\theta_h(cos^2\phi_h/\alpha_x^2+sin^2\phi_h/\alpha_y^2)}}{\pi\alpha_x\alpha_ycos^4\theta_h}\)
注意，当\(a_x=a_y\)时，该公式将会变成各项同性。
另一种有用的微表面分布函数来自Trowbridge and Reitz (1975).具有各项异性变化：
\(D(\omega_h)=\frac{1}{\pi\alpha_x\alpha_ycos^4\theta_h(1+tan^2\theta_h(cos^2\phi_h/\alpha_x^2+sin^2\phi_h/\alpha_y^2))}\)
与Beckmann–Spizzichino相比，Trowbridge–Reitz精度更高，但是速度更慢。
遮罩与阴影
但是微表面的法线分布还是不够的，还需要考虑到可见性问题。这个效果可以用Smith’s masking-shadowing函数G1(ω, ωh)来表现（注意他的定义域为[0,1]）。通常情况下可见性与微表面法线分布式是相互独立的。
\(cos\theta=\int_{H^{2(n)}}G_1(\omega,\omega_h)max(0,\omega \cdot \omega_h)D(\omega_h)d\omega_h\)
换句话说，可见的微表面对于方向ω，必有cosθdA，其中cosθ=(ω · n))
微表面可以看成是一个高度场，每个背光的微表面会遮蔽ω方向上投射面积的向光的微表面。
定义A+为向光面的微表面，A-为背光面的微表面，于是\(cos\theta=A^+(\omega)-A^-(\omega)\)。所以masking-shadowing函数为：
\(G_1(\omega)=\frac{A^+(\omega)-A^-(\omega)}{A^+(\omega)}\)
在每个微表面中不显示区域的比例为：
$ \Lambda{}(\omega)=\frac{A-(\omega)}{A+(\omega)-A-(\omega)}=\frac{A-(\omega)}{cos\theta}$
我们使用lambda这个函数来计算,同时：
\(G_1(\omega)=\frac{1}{1+\Lambda(\omega)}\)
这个lambda函数可以使用不同的模型来模拟，对于点与点之间没有相关性的模型可以使用Beckmann–Spizzichino：
\(\Lambda(\omega)=\frac{1}{2}(erf(a)-1+\frac{e^{-a^2}}{a\sqrt{\pi}})\)
其中\(a=1/(\alpha tan\theta)\),\(erf(x)=2/\sqrt{\pi}\int_0^x{e^{-x'^2}}dx'\)
PBRT使用了合理的基于物理的多项方程式计算 Beckmann–Spizzichino，这样避免计算了std::erf()与std::exp()，所以计算效率更高。
Masking-shadowing函数的各项异形版本可以通过各向同性版本修改得到。
<Compute alpha for direction w> ≡ 543
Float alpha = std::sqrt(Cos2Phi(w) * alphax * alphax +
Sin2Phi(w) * alphay * alphay);
在高度不相关的前提下，\(\Lambda(\omega)\)对于Trowbridge–Reitz分布可以简化为：
\(\Lambda(\omega)=\frac{-1+\sqrt{1+\alpha^2tan^2\theta}}{2}\)
最后一个有用的是几何属性的微表面分布\(G_1(\omega_o,\omega_i)\),假设从这两个方向观察这个微表面，其可见度的概率是相互独立的，则有
\(G_1(\omega_o,\omega_i)=G_1(\omega_o)G_1(\omega_i)\)
实际上不可能的，因为漏算了当ωo=ωi这个情况。在这个情况下G(ωo, ωi) = G1(ωo) = G1(ωi).这会导致下G(ωo, ωi)过小。同时，当ωo与ωi越接近，其相关性也越大。因此可以推断一个更加精确的微表面模型，假设在微表面上的点越高，其可见度越高。
\(G(\omega_o,\omega_i)=\frac{1}{1+\Lambda(\omega_o)+\Lambda(\omega_i)}\)
这个模型相当精确，PBRT也在使用这个，更为精确的模型请看扩展阅读，当然那个地方我就懒得看了。
Float G(const Vector3f &wo, const Vector3f &wi) const {
return 1 / (1 + Lambda(wo) + Lambda(wi));
}
TORRANCE–SPARROW模型
Torrance and Sparrow 于1967年发现了这个微表面模型用于模拟金属表面。这段还是去看知乎上那些介绍实时渲染PBR模型的文章比较好。
\( f(\omega_{o},\omega_{i})=\frac{D(\omega_{h})F(\omega_{o})G(\omega_{o},\omega_{i})}{4 cos\theta_o cos\theta_i} \)
代码在MicrofacetReflection中的f()中。MicrofacetTransmission则实现了透射效果。入射介质折射率、透射介质折射率以及\(d\omega_h d\omega_o\)的关系如下：
\(d\omega_h=\frac{\eta_o^2 \left | \omega_o \cdot \omega_h\right|d\omega_o}{(\eta_i(\omega_i \cdot \omega_h)+\eta_o(\omega_o \cdot \omega_h))^2}\)
代入之前的公式：
\(f_r(\omega_o,\omega_i)=\frac{\eta^2D(\omega_h)G(\omega_o,\omega_i)(1-F_r(\omega_o))}{((\omega_o \cdot \omega_h)+\eta(\omega_i \cdot \omega_h))^2}\frac{\left| \omega_i \cdot \omega_h\right| \left|\omega_o \cdot \omega_h \right|}{cos\theta_o cos\theta_i}\)
其中\(\omega_h=\omega_o+\eta \omega_i\)
多层材质模型
很多BRDF模型都没有考虑到在多层材质中，最底层的材质对于光线的影响。Ashikhmin和Shirley(2000, 2002)开发了模拟这种表面是粗糙的漫反射，底面为光滑的镜面反射的多层材质的BRDF模型。图8.23显示了这个想法:当入射方向接近垂直时，大部分光被传输到漫反射表层，漫反射占主导地位。当入射方向接近掠射时，底层的镜面反射占主导地位。车漆就适合用这种模型来表现。类名为FresnelBlend。
FresnelBlend类设置了两个辐射度变量分别来控制漫反射与镜面反射，以及一个微表面分布变量来控制高光层。
这个模型基于镜面反射层与漫反射层的权重和。再考虑了能量守恒的情况下，其镜面高光部分为：
\(f_r(p,\omega_o,\omega_i)=\frac{D(\omega_h)F(\omega_o)}{4(\omega_h \cdot \omega_i)(max((n \cdot \omega_o),(n \cdot \omega_i))}\)
下面使用了Schlick菲尼尔近似模型。其漫反射部分为：
\(f_r(p,\omega_i,\omega_o)=\frac{28R_d}{23\pi}(1-R_s)(1-(1-\frac{(n\cdot \omega_i)}{2})^5)(1-(1-\frac{(n \cdot \omega_o)}{2})^5)\)
最终返回镜面高光+漫反射的值。
