目标及设计

PBR（Physically based renderring）通过模拟真实世界中光线和材质的相互作用进行物体渲染。它有两种工作流用于定义材料表现：

Metallic Roughness Workflow
Specular-Glossiness Workflow

两者贴图参数有所区别，但效果相同。从下图可以发现，它们均包含了 6 种贴图，其中有 3 个是相同的（Ambient Occlusion， Normal 和 Height），而另外 3 个有所区别：

Metallic Roughness Workflow 使用 baseColor、metallic 和 roughness 贴图来表示材质的颜色、金属度和粗糙度
Specular-Glossiness Workflow 则使用 diffuse、glossiness 和 specular 贴图来表示材质的颜色、光泽度和镜面反射率

Apple 推荐了三种 Renderer：RealityKit，SceneKit 和 Storm，均支持 Metallic Roughness Workflow，后续也只详述该工作流。

Metallic Roughness Workflow

Metallic Roughness Workflow 工作流的着色器以金属、粗糙度和基础颜色值作为其核心输入。包含如下 6 种贴图

Base Color：提供颜色信息
Roughness：提供材料的粗糙程度，浅色表示粗糙，深色表示光滑，可以用来表示镜面上的指纹、桌上的杯子水渍等
Metallic：提供对应位置材质是否是金属，如果是金属则为白色，如果不是金属则为黑色
Ambient Occlusion：用于表示环境光遮蔽
Normal：法线贴图，引擎会根据法线决定光的反射方向
Height：表示材质表面的深浅

Metallic 值：0-1 之间，越接近 1，金属度越高

Roughness 值：0-1 之间，越接近 1，粗糙度越高

PBR 的 3 个主要理论

微平面理论：物体表面从微观上看总是粗糙的

能量守恒：出射光线能量不能超过入射光线能量

菲涅尔反射：入射角越大，反射率越高
- 入射角在 0°到 45°时反射率较低
- 45°到 75°时反射率逐渐升高
- 75°到 90°之间时反射率快速趋近于 100%

PBR 光照

Lighting = Ambient + Diffuse + Specular + Emissive

最终颜色 = 环境光 + 漫反射 + 高光反射 + 自发光

双向反射分布函数 BRDF: Bidirectional Reflectance Distribution Function

第一项表示的是物体自发光，后续积分项表示了其他光线的反射情况，其中 BRDF 决定了不同光线的反射方式。不同的光照采用不同的 BRDF 模型，如：

Lambertian BRDF：常用于计算漫反射 Diffuse
Cook-Torrance BRDF: 常用于计算高光反射 Specular

另外在 PBR 中，环境光通常用 IBL（Image Based Lighting）来计算，RealityKit 也支持 IBL 光照。IBL 的核心概念是生成一张环境贴图，其中包含了场景中的光照信息，在渲染时候引擎根据相机位置从贴图中获取到每个像素的光照信息，再结合物体材质属性，计算出场景中各个像素的光照。

示例基本实现

选定基准位置，在 3 个方向上分别对 roughness，metallic 和 opacity 进行改变即可。

x 轴方向：roughness 改变
y 轴方向：metallic 改变
z 轴方向：opacity 改变

swift 复制代码

private let radius: Float = 0.08
private let interval: Float = 0.2
private let initPosition = SIMD3<Float>(x: 0, y: 0.4, z: -3)
private let matrixSize = 5
    
for roughness in 0...matrixSize {
    for metallic in 0...matrixSize {
        for opacity in 0...matrixSize {
            let r = Float(roughness)
            let m = Float(metallic)
            let o = Float(opacity)
            let xOffset = interval * r
            let yOffset = interval * m
            let zOffset = interval * o
            let position = SIMD3<Float>(x: initPosition.x + xOffset, 
                y: initPosition.y + yOffset, z: initPosition.z + zOffset)
            
            var material = PhysicallyBasedMaterial()
            material.baseColor = PhysicallyBasedMaterial.BaseColor(tint:.orange)
            material.roughness = PhysicallyBasedMaterial.Roughness(floatLiteral: 0.2 * r)
            material.metallic = PhysicallyBasedMaterial.Metallic(floatLiteral: 0.2 * m)
            material.blending = .transparent(opacity: .init(floatLiteral: 0.2 * o))
            
            let sphere = ModelEntity(
                mesh: .generateSphere(radius: radius),
                materials: [material],
                collisionShape: .generateSphere(radius: radius),
                mass: 0.0
            )
            sphere.components.set(InputTargetComponent(allowedInputTypes: .indirect))
            sphere.position = position
            outerEntity.addChild(sphere)
        }
    }
}

最终效果

参考

developer.apple.com/documentati...

help.sketchfab.com/hc/en-us/ar...

VisionPro开发 - PBR基本概念