pbrt学习（一）：简介[转]

pbrt是一个基于物理渲染的开源离线渲染器；

《Physically Based Rendering: From Theory to Implemention 3rd》是一本介绍pbr原理和pbrt的书；

系列文章是这本书各个章节的简单翻译，除此之外，对于书里一些没有深入阐述的内容，这里也会简单介绍。

书中前五章属于基础内容，不包含在系列文章内。第5章介绍了颜色的三种描述：光谱能量分布，XYZ和RGB。pbrt实现了这几种描述的转换（详细见Spectrum类），当我们提到一种颜色描述时，等价于其他两种描述。

pbrt渲染循环

pbrt基于光线追踪技术，因而定义一条射线与场景中的对象进行相交测试是必要的：

class Ray
{
    Point3f o;
    Vector3f d;
}

pbrt使用Ray表示一条射线，由起始点o，和方向d定义。对于正交投影，起始点位于像素点，方向指向z轴正方向（pbrt使用左手坐标系）；对于透视投影，起始点位于摄像机原点，也就是（0,0,0），方向指向像素点。

射线与场景中的几何物体进行相交测试，相交信息保存在SurfaceInteraction：

class SurfaceInteraction
{
    Point3f p;
    Normal3f n;
    Point2f uv;
    const Shape *shape = nullptr;
}

保存了相交点坐标p, 法向量n，uv坐标，以及相交对象的指针shape.

对于二次曲面，uv坐标可以通过简单的数学计算得到，如特殊的二次曲面——球面，相交点的坐标可以转化为球面坐标(θ, φ)(θ∈[0, π], φ∈[0, 2π])，该坐标又可以转化为0到1范围内的(u, v)坐标：u = φ / 2π，v = θ / π。pbrt也给出了其他二次曲面uv坐标的计算。

对于三角面，uv坐标可能由建模工具提供，这时候，uv坐标由定义在三角形三个顶点的值插值得到。

相交点的几何法向量由相交位置p关于uv坐标的两个偏导数的叉积得到：∂p/∂u x ∂p/∂v.

同样pbrt也提供了这些偏导数的计算。

得到一个相交信息，可以确定该相交点应该着色：相交点与场景中的光源进行相交测试，判断其是否处于光照下，由反射模型（BRDF、BTDF和BSSRDF，以下简称为BxDF）确定反射多少光，pbrt的材质确定表面使用哪些反射模型，纹理则提供表面的外观属性，如漫反射颜色、粗糙度等。最终，沿着原始射线的相反方向返回到摄像机的光，在传播过程可能被场景中的烟、雾吸收或增强，这个过程由体积散射处理。由于采样不完全和高频信息的存在，最后得到的图像总是会存在走样，采样和重构技术尽可能减少走样（反走样）。
以上简单概括了pbrt在一个渲染循环里的主要工作内容。

光传导公式

这里有必要提一下书中第一章就介绍的光传导公式1.1（light transport equation）：

光线追踪技术之所以难以应用于实时渲染，很大程度上是因为其需要大量的计算（pbrt渲染一个简单场景就需要10多分钟），但渲染的图像也因此更接近真实场景：在真实场景中，对于上面相交测试得到的相交点p，接收的光不只来自光源，同时也可能来自其它非光源物体反射的光，光传导公式的积分就是计算来自所有方向的入射光Li反射回摄像机的光（使用BxDF模型确定反射多少光，即式中的函数f）的总和，再加上物体的自发光Le(如果自身是光源），得到返回摄像机的光能总和Lo。其中wo是返回摄像机的方向，wi为入射光方向，θi为wi与法向量的夹角（wi方向指向光源）。

事实上，要计算上面的积分是不可能的（这里面还涉及递归的光线追踪），但是仅选用一部分数量的入射光来接近真实场景渲染是可行的，例如，仅计算来自光源和沿着完全镜面反射和折射方向的入射光。pbrt的主要任务就是计算光传导公式1.1里的积分。

下面是之后几篇文章要介绍的内容：摄像机建模、采样和重构、反射模型、材质、纹理、体积散射。