IBL 基于图像的光照：原理与实现

什么是 IBL

IBL（Image-Based Lighting，基于图像的光照）是一种使用环境贴图（通常是 HDRI）来照亮物体的技术。它将周围环境的光照信息编码到纹理中，通过采样该纹理为物体提供漫反射和镜面反射光照，使物体与场景环境自然融合。IBL 是 PBR 工作流中实现全局光照和反射的重要组成部分。

IBL 的原理

环境贴图记录了从各个方向入射的光照。对于表面上的一个点，其反射光包括：

• **漫反射部分**：来自所有方向的入射光经表面漫反射后的积分，通常较均匀。
• **镜面反射部分**：来自反射方向附近的光，取决于表面粗糙度。粗糙度越低，反射越锐利；粗糙度越高，反射越模糊。

直接采样环境贴图进行实时积分计算成本高昂，因此通常使用预计算技术。

预计算过程

IBL 的预计算通常包括以下步骤：

1. **生成辐照度贴图（Irradiance Map）**：用于漫反射光照。对原始环境贴图进行卷积，计算每个方向的半球积分（即 Lambertian 漫反射）。结果是一个低频、模糊的贴图，可以直接采样用于漫反射。
1. **生成预滤波环境贴图（Prefiltered Environment Map）**：用于镜面反射。对原始环境贴图进行不同粗糙度级别的高斯滤波，生成一系列 Mipmap 级别，每个级别对应一个粗糙度。粗糙度越高，滤波越强。在着色器中，根据表面粗糙度选择合适的 Mipmap 级别。
1. **生成 BRDF 积分查找表（BRDF LUT）**：用于加速镜面反射计算。该 LUT 存储了菲涅尔项和几何项的积分，通常以 2D 纹理表示，横轴为 NdotV（法线与视线点积），纵轴为粗糙度。在着色器中，采样 LUT 并结合预滤波环境贴图得到镜面反射。

这些预计算可以在引擎启动时或离线完成。Unity 和 Unreal 在导入 HDRI 时自动进行预计算。

在着色器中的实现

在片段着色器中，使用 IBL 的典型流程：

1. 计算漫反射光照：`irradiance = textureCube(irradianceMap, N).rgb * albedo`
2. 计算镜面反射：

- 采样预滤波环境贴图：`prefilteredColor = textureCubeLod(prefilteredMap, R, roughness * maxMipLevel).rgb`

- 采样 BRDF LUT：`brdf = texture2D(brdfLUT, vec2(NdotV, roughness)).rg`

- 镜面反射 = `prefilteredColor * (F * brdf.x + brdf.y)`

1. 将漫反射和镜面反射相加，得到环境光照。

IBL 与直接光照的结合

IBL 通常与直接光照（点光源、方向光等）结合使用。IBL 提供环境光照和反射，直接光照提供主要的阴影和高光。在 PBR 中，两者都使用相同的 BRDF，确保一致性。

常见问题

IBL 和直接光照有什么区别？

直接光照来自离散光源（如点光源、方向光），IBL 使用环境贴图模拟来自所有方向的间接光照。

为什么需要预计算？

实时计算环境光照的积分非常昂贵，预计算将复杂积分转化为纹理查找，大幅提升性能。

IBL 支持动态环境吗？

支持，但预计算需要在环境变化时重新进行，对于动态环境可以使用实时反射探针或简化方法。

移动端可以使用 IBL 吗？

可以，移动端通常使用较低分辨率的预计算贴图，并简化 BRDF LUT，以节省性能。

HDRI 和 IBL 有什么关系？

HDRI 是 IBL 的数据源，通常作为环境贴图。IBL 利用 HDRI 提供的光照信息进行渲染。