Disney BRDF 材质模型

Blinn-Phong 那套经验模型不满足能量守恒，也拟合不了金属，所以现代渲染转向了 PBR。而在众多 PBR 材质模型里，Disney 在 SIGGRAPH 2012 的《Physically Based Shading at Disney》影响最深——UE4、Unity 的标准材质都能看到它的影子。

RenderMan 21 里的材质模型和 2012 那版已经差别不小，这里只谈 2012 的原版。有一点要先讲清：Disney BRDF 的出发点是「艺术家可控」（art directable），而不是「严格物理正确」。它宁可牺牲一点物理准确度，换来一组好调、可预测的参数。

五条设计原则

Disney 团队定这套模型时立了五条规矩，这几条比公式本身更值得记住：

1. 用直觉参数，而不是物理参数（美术不需要懂折射率）。
2. 参数越少越好。
3. 参数在合理范围内应当归一化到 0~1。
4. 在有意义的地方，允许参数被推到合理范围之外。
5. 参数的任意组合都应尽量稳定、合理，不至于调出一眼假的结果。

五个 Lobe

模型一共叠了五个 lobe：

• Diffuse：漫反射，且把逆反射（retro-reflection，掠射角回弹）也算了进去。
• Isotropic BSSRDF：基于 Hanrahan-Krueger 近似的各向同性次表面散射。这是一个相当粗糙的近似，只对平均自由程很短的材质有效，别指望它做厚的次表面。
• Specular（microfacet）：微表面高光。有个实现细节容易踩——Disney 的参考实现里没有 $\frac{1}{4\cos {\theta }_l\cos {\theta }_v}$ 这一项，因为它被遮蔽阴影函数（G 项）约掉了。照抄公式时如果又乘了一遍，高光就错了。
• Sheen：控制掠射角的外观，主要是给布料准备的。
• Clearcoat：第二层专门的清漆高光。

十一个参数

十一个参数分别拧这五个 lobe：

参数	作用
baseColor	表面颜色，通常来自贴图
subsurface	用次表面近似控制漫反射形状
metallic	金属度（0=绝缘体，1=金属）。是两个模型之间的线性混合——金属模型没有漫反射分量，入射高光被 baseColor 染色
specular	入射高光强度，替代显式的折射率（IOR）
specularTint	纯艺术控制项，把入射高光往 baseColor 染色；掠射高光仍保持无色
roughness	表面粗糙度，同时影响漫反射和高光响应
anisotropic	各向异性程度，控制高光的长宽比（0=各向同性，1=最大各向异性）
sheen	额外的掠射分量，主要给布料
sheenTint	sheen 往 baseColor 染色的程度
clearcoat	第二层清漆高光
clearcoatGloss	清漆光泽度（0=缎面 satin，1=高光 gloss）

metallic 那一行是理解整个模型的关键：它不是一个开关，而是在「绝缘体模型」和「金属模型」之间做线性混合，金属这端漫反射归零、高光被基色染色。

分层：uber shader 而非栈式

Disney BRDF 是按 uber shader 实现的，所以没法像图形软件那样做栈式（stack）分层。但它有个好处——所有参数都归一化、或至少在感知上是线性的，参数之间怎么混都不容易崩。实践里做多层材质的办法是：把一列 layer 通过 mask 做参数混合，混完再只求值一次 shading，而不是每层各算一遍再叠。这样既省又稳。

延伸阅读

• Brent Burley, Physically Based Shading at Disney（SIGGRAPH 2012 课程）
• Pixar's Foundation for Materials / RenderMan 21 Docs - Pixar Surface Materials
• disney.brdf 参考实现、PBRT 里的 Disney 材质实现、Maya 里的 Disney 材质

更基础的经验光照模型见 光照模型 Lighting Model；PBR 里不同形状光源怎么打光见 PBR 光源模型。