基于物理的渲染

简介

基于物理的渲染（PBR）是一种渲染技术，旨在精确模拟场景中材质和灯光的物理特性。它以物理学原理为基础，使用算法精确模拟光线与不同材质的交互方式。

基于物理原理的渲染会考虑光线被金属、玻璃和塑料等不同表面吸收、反射和散射的方式。这样就能更真实、更准确地渲染材料，以及更准确的照明效果，如反射、折射和阴影。

除了更好看之外，它还简化了艺术家的工作流程，因为材质是基于物理参数的，使用和调整起来更加直观。另一个好处是，使用 PBR 材质可以使导入资产的外观与设计更加一致。

有关 PBR 背后理论的更多详情，请参阅：https://learnopengl.com/PBR/Theory和 https://academy.substance3d.com/courses/the-pbr-guide-part-1，以获得深入解释。

材质和工作流程

为了利用基于物理的渲染技术，Qt Quick 3D 提供了三种内置材质：PrincipledMaterial、SpecularGlossyMaterial 和CustomMaterial 。每种材料都提供了不同的工作流程来定义材料属性。选择使用哪种工作流程和材料取决于您要创建的材料类型，或您用来创建材料的工具所定义的工作流程。

金属粗糙度工作流程

金属粗糙度工作流程是实现基于物理的渲染的一种方法，它使用两个主要参数来表示材质的外观：金属反射率和表面粗糙度。金属反射率是一个范围从 0（非金属）到 1（完全金属）的值，它决定了材料反射多少入射光，吸收多少入射光。表面粗糙度是一个从 0（光滑）到 1（粗糙）的值，决定了材料表面的粗糙或光滑程度。在 "金属/粗糙度 "工作流程中，材料的外观由其基色、金属反射率和表面粗糙度值决定，这些值可以存储为纹理或常量值。

金属粗糙度工作流程中材料的基色包含非金属（电介质）的反射色和金属的反射率值。

主要材质

PrincipledMaterial 是在Qt Quick 3D 中启用金属粗糙度工作流程的主要材质。如何使用PrincipledMaterial 的示例如下：

import QtQuick
import QtQuick3D
import QtQuick3D.Helpers

Window {
    visible: true
    width: 640
    height: 480
    title: qsTr("PrincipledMaterial")

    View3D {
        anchors.fill: parent

        environment.backgroundMode: SceneEnvironment.SkyBox
        environment.lightProbe: Texture {
            textureData: ProceduralSkyTextureData {}
        }

        PerspectiveCamera {
            z: 150
            y: 40
            eulerRotation.x: -15
        }

        Model {
            x: -50
            source: "#Sphere"
            materials: [
                PrincipledMaterial {
                    baseColor: "red"
                    metalness: 0.0
                    roughness: 0.1
                }
            ]
        }
        Model {
            x: 50
            source: "#Sphere"
            materials: [
                PrincipledMaterial {
                    baseColor: "red"
                    metalness: 1.0
                    roughness: 0.1
                }
            ]
        }
    }
}

该示例显示了两个球体，一个为非金属材料，另一个为金属材料，并显示了基色因金属度量的不同而具有的不同含义。

在前面的示例中，金属粗糙度工作流程的所有相关属性都是通过常量值定义的，但它们也可以通过纹理来定义。下面的示例展示了如何使用纹理来定义材料的基色、金属度和粗糙度：

import QtQuick
import QtQuick3D
import QtQuick3D.Helpers

Window {
    visible: true
    width: 640
    height: 480
    title: qsTr("PrincipledMaterial with Textures")

    View3D {
        anchors.fill: parent

        environment.backgroundMode: SceneEnvironment.SkyBox
        environment.lightProbe: Texture {
            textureData: ProceduralSkyTextureData {
            }
        }

        PerspectiveCamera {
            z: 150
            y: 40
            eulerRotation.x: -15
        }

        Model {
            source: "#Sphere"
            materials: [
                PrincipledMaterial {
                    baseColorMap: Texture {
                        source: "red.png"
                    }
                    metalnessMap: Texture {
                        source: "metalness.png"
                    }
                    roughnessMap: Texture {
                        source: "roughness.png"
                    }
                }
            ]
        }
    }
}

自定义材质

虽然PrincipledMaterial 是创建材质的一种非常灵活的方式，但有时您可能需要对材质属性进行更多控制。为此，Qt Quick 3D 提供了CustomMaterial ，通过调整材质使用的着色器代码，您可以增强金属粗糙度工作流程中使用的值。

有关使用自定义着色器代码增强材质和内置 PBR 照明系统的介绍，请参阅 "可编程材质、效果、几何体和纹理数据"。

镜面和光泽度工作流程

镜面反射/光泽度工作流程是实现基于物理的渲染的一种方法，它使用两个主要参数来表示材质的外观：镜面反射和光泽度。镜面反射率是一个颜色值，用于确定材质表面镜面高光的颜色和强度。光泽度是一个范围从 0（粗糙）到 1（光滑）的值，决定了材质表面的粗糙或光滑程度。在镜面反射/光泽度工作流程中，材质的外观由其反照率、镜面反射率和光泽度值决定，这些值可以存储为纹理或恒定值。镜面反射率高、光泽度低的材质看起来更有金属质感，镜面高光也更锐利，而镜面反射率低、光泽度高的材质看起来更漫反射，镜面高光也更柔和。

镜面光泽材质

SpecularGlossyMaterial 是在Qt Quick 3D 中启用镜面/光泽度的材质。