最近在学习LearnOpengl，经过不懈的努力，终于阅读到了PBR的章节，接下来会写一系列博客来总结自己从中学到的理论，并尝试实现其中的算法。
PBR，全称为Physically Based Rendering，是一套尝试用物理的方式来描述现实中渲染效果的技术。相比于前人提到的Phong光照模型，利用PBR的方式可以渲染出更为真实的场景。
利用Phong模型和PBR的效果有一个很直观的对比，上图是古剑奇谭一的游戏截图，它的人物渲染是利用的很基础的Phong模型（甚至可能没怎么看到高光的成分），下图是古剑三的效果，采用了PBR后可以明显看到人物身上闪烁的配饰、衣服布料的材质，相比于古剑一是翻天覆地的变化，甚至在一定程度上逼近了真实的物理世界。
微面元模型
关于PBR，最基础的概念就是微面元模型（Microfacet Model）。该理论将一个物体的平面看作是一个个极其微小、凹凸不平的表面所构成。越是平滑的面，它的微表面就越是朝着同一个方向；相反表面越是粗糙，它的微表面就越是面对不同的方向，如下图所示：
我们利用一个参数：粗糙度(roughness)来描述平面的的各个微表面朝向的离散程度。根据之前提到的Blinn-Phong模型，我们可知随着平面越朝着h向量(视角向量和光线向量的和)，则高光的部分越强，再结合粗糙度，我们可以完整地描述模型的高光反射：
可以看到，在同样的视角下，随着粗糙度降低，则平面越来越平滑，则高光越来越强，且高光的区域越来越聚焦。
反射与折射
在之前的Phong模型中，我们知道除了高光反射，还有漫反射。PBR理论指出，深入研究光打到物体平面上的运行后可以发现，有一部分光会直接从表面反射出去，这其实就是我们前面提到的高光发射。与此相对，有一部分光则会进入物体表面，产生折射，这一部分光有一些会被吸收，产生热能，另外一些则会和在物体内部进一步碰撞、反射，最终以随机的方向再次反射出去。是不是觉得似曾相识？没错，这其实就是漫反射。PBR理论假设这个折射并反射出去的过程发生在一个非常小的范围内（相对应的，有一种理论叫做“次表面散射”，它没有局限于上面的假设，进一步研究了光线折射后的行为，在皮肤、蜡烛等物体上有着更为真实的渲染效果）。下图展示了光线在打到平面上时所发生的反射和折射现象：
不过有一种物体是需要特殊对待的，就是金属。对于金属来说，它只有高光反射而没有漫反射。
另外需要注意的一点是，PBR模型实际上省略了由于碰撞转化为热能的那一部分光的能量，那么根据能量守恒定律，就可以得知入射能量和出射能量是相等的，并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，对于出射光，我们设kd为漫反射比例，ks为高光反射比例，那么必然可得：
kd + ks = 1.0