从无光照到 PBR：我的环境光照学习记录

一、无光照渲染（C6-01）

做了什么

最基础的一条渲染链路：顶点着色器只做 MVP 变换，片元着色器直接采样纹理输出，没有任何光照计算。

核心是颜色乘法链：最终颜色 = 纹理 × 顶点色 × baseColor（材质的颜色因子）。这是 PBR 里 albedo/baseColor 的雏形------先有"材质颜色从哪来"，后面才能谈"光怎么作用在它上面"。

顶点格式也因此加了一个 vec4 color 字段（之前我的工程里顶点只有 pos/normal/uv）。

知识点

无光照渲染是 PBR 的起点：先把"颜色"和"光"分开想。
材质颜色可以来自三层乘法：纹理贴图 × 顶点色 × 材质因子，哪层没有就用 1.0 代替。
顺手做了半透明实验：管线颜色附件开混合（SrcAlpha / OneMinusSrcAlpha），baseColor 的 alpha 设 0.5，半透明物体不写深度。

二、BRDF 积分查找表（C6-02）

做了什么

用计算着色器离线生成一张 256×256 的 BRDF 查找表（LUT），存成 RGBA16F 的 KTX 纹理。这是 Epic split-sum 近似的右半边：把反射方程里"只依赖视线角度和粗糙度"的那部分积分预先算好。

知识点

预计算思想：把每帧要算的昂贵积分（每像素 1024 次采样）提前算成查表，运行时一次纹理采样代替。这是 IBL 的基石。
像素坐标 = 参数坐标：LUT 的横轴是 NoV（法线·视线夹角的余弦），纵轴是 roughness。生成时遍历每个格子，用格子坐标解码出参数，算出积分结果存回格子。
1.0 - uv.y 的翻转：纹理 y 轴向下，想让 roughness=0（镜面）在底部就翻转。关键不是方向，而是生成和采样必须用同一套规则，否则查表错位。
vec3 V = vec3(sqrt(1.0 - NoV*NoV), 0.0, NoV)：从标量夹角余弦重建单位视线向量------法线朝 Z 轴时 NoV 就是 V.z，再套单位圆约束（勾股定理）求出 V.x。90% 的图形学数学就是勾股定理加单位圆。
V 是视线方向（出射），L 是入射光方向，L = 2*dot(V,H)*H - V 是反射定律：L 是 V 关于微平面法线 H 的镜像。整个积分就是在遍历"哪些方向的入射光能反射进眼睛"。
Hammersley 低差异序列 + GGX 重要性采样：让 1024 个样本集中在贡献大的方向，而不是均匀乱撒。

这章一开始完全看不懂，后来搞明白"表在解决什么、表里存什么、运行怎么用它"三件事之后，公式细节就都不需要背了。

三、环境贴图预过滤（C6-03）

做了什么

split-sum 的左半边：把 HDR 全景图（等距圆柱投影）转成立方体贴图，然后按粗糙度预过滤成三张 KTX 存盘。每张 HDR 输出三个文件：*_prefilter.ktx（GGX 镜面）、*_charlie.ktx（布料光泽）、*_irradiance.ktx（漫反射辐照度）。

知识点

mip 就是粗糙度分级：每一级 mip 对应一个 roughness = mip/(总层数-1)，mip0 是原始环境图，越往高层越糊。粗糙表面反射的是"模糊的环境光"，按 roughness 选 mip 采样就行。
预过滤在片元着色器里做：对当前 mip 的环境图做重要性采样积分（1024 次），结果写进目标纹理的对应 mip×face。
GPU 离屏渲染当图像处理流水线：把 cube 纹理当渲染目标，逐 mip 逐面渲染（cmdBeginRendering 里指定 layer/level），渲完 download 回 CPU 再存 KTX。这个"采样输入 → shader 里做重活 → 写输出 → 下载存盘"的骨架，后面所有预计算都是它。
三种分布各管一摊：Lambertian=漫反射底色、GGX=金属镜面、Charlie=布料光泽，运行时按材质类型查对应表。

这章是离线工具代码，我最后决定不需要学会手写------开发中要么引擎内置（Unity/UE 烘焙环境探针），要么直接抄标准实现。要带走的是概念：它产出什么、和 C6-02 怎么合体。

四、PBR 合体：MetallicRoughness（C6-04）

做了什么

前三章的铺垫在这里合体：完整 PBR 光照渲染一个金属头盔（DamagedHelmet）。光照组成：

text 复制代码

最终颜色 = 环境漫反射 + 环境镜面 + 直接光 + 自发光
             (查 irradiance)  (查 prefilter×LUT)  (F·G·D 实时算)  (emissive 加法)
最后 × AO（环境遮蔽）→ gamma 校正输出

材质有 5 张贴图：baseColor、metalRoughness（g=粗糙度，b=金属度）、normal、AO、emissive。

知识点

两个 mix 就是金属度开关：

glsl 复制代码

diffuseColor  = mix(baseColor, vec3(0), metallic)   // 金属度 ↑ → 漫反射 ↓
specularColor = mix(vec3(0.04), baseColor, metallic) // 金属度 ↑ → 反射率 = 颜色

金属不吸收光，光全部镜面反射回去，所以金属看起来"一直很亮"而且没有漫反射底色；非金属只反射 4%（0.04），光大部分被吸收散射成漫反射，看着更柔和。

PBRInfo 结构体：把所有公式需要的数据打包（几何方向 n/v/各夹角 + 材质参数 roughness/metalness/颜色），传给公式函数。打包本身没有技巧，就是结构体赋值。
直接光 vs 环境光：环境光没有方向、没有影子，靠查表（离线预计算好的）；直接光有位置方向有影子，必须实时用 F·G·D 公式算（菲涅尔 × 几何遮蔽 × 微平面分布）。
后处理三件事 ：× AO（角落缝隙变暗）、+ emissive（自发光不受光照影响）、pow(color, 1/2.2) gamma 校正。
gamma 2.2 的来历：显示器的亮度响应是非线性的（输出亮度 ≈ D^2.2），所以发送前要预补偿 ^(1/2.2)，两头抵消，人眼看到的才是正确亮度。光照计算必须在线性空间做，纹理采样时解码（sRGB→线性），输出前编码（线性→sRGB）。

动手实践

打开 main.frag 末尾的调试输出，逐个看 5 张贴图的数据（法线、baseColor、AO、emissive、粗糙度灰度图）。
把 metallicFactor 强制改成 1.0 和 0.0，对比金属/非金属的高光和底色差异，直观感受两个 mix 的行为。
给 main() 的 6 步写满自己的注释：采样 → 法线 → 组装参数 → 环境光查表 → 直接光 → 后处理。能不看代码讲出这 6 步，骨架就算掌握了。

五、SpecularGlossiness（C6-05）

做了什么

同一套光照管线，换了一组材质参数。shader 用一个 isSpecularGlossiness 标志同时支持两套体系。画面是一个水瓶，MR 和 SG 两种材质对比渲染。

知识点

两套体系的核心差异（看懂这四行就懂这一章）：

	MetallicRoughness（C6-04）	SpecularGlossiness（C6-05）
参数	baseColor + metallic + roughness	diffuse + specular + glossiness
反射率 F0	推导（金属=颜色，非金属=0.04）	直接给（specular 贴图就是 F0）
粗糙度	直接是 roughness	roughness = 1 - glossiness
漫反射	mix(baseColor, 0, metallic)	baseColor × (1 - 反射率)

历史背景：glTF 1.0 时代主流是 SpecGloss，glTF 2.0 标准化时选了 MetallicRoughness 当默认，SpecGloss 作为扩展保留。现在引擎（UE/Unity）都用 MR；SG 主要用在需要独立控制高光颜色的材质（布料、皮肤、塑料的彩色高光），因为 MR 里高光色被锁死为 baseColor × metallic。

回头看的几点

IBL 是一条完整的预计算流水线：贵的积分 → 离线算成表（LUT、预过滤环境图）→ 运行时查表。C6-02 和 C6-03 是 split-sum 的两半，C6-04 把它们合成完整 PBR。
PBR 光照组成的框架没变：环境漫反射 + 环境镜面 + 直接光 + 自发光，只是每部分的实现方式不同（查表 vs 实时公式）。
离屏工具代码不用手写，但要读懂：知道它产出什么、怎么被消费，比会写更重要。真正要手写的是运行时的 shader 和组装逻辑。
动手比看代码有用：调试开关看贴图、改 metallic 看金属/非金属差异、给骨架写注释------三件事做完，比读十遍代码记得牢。

五章走下来，从"无光照渲个模型"到"完整的 PBR 材质光照"，Vulkan 渲染里数据是怎么从贴图、buffer 流到 shader 并最终变成屏幕像素的，心里有数了。