Material小结 2.0

刚刚看了‘Path Tracing in Production’，里面提到了Weta digital的Manuka材质系统，在这里总结一下，算是对之前Material小结的一个补充。

之前主要是讲BRDF，现实中不仅包括reflectance，也包括transmittance，因此，除了BRDF外，还需要BTDF，而BS(cattering)DF也是BRDF+BTDF的合集。

Layer-based material system

基于Manuka material system，来介绍这个分层材质系统。用户可以任何组合多个BSDF构成一个材质堆栈(material stack)，真实世界的材质大都也是如此，比如下面是对树叶这个材质的分层解读，这里包括譬如角质层，叶肉，表层蜡质等，都有不同的材质表现和反射属性。

Manuka对BSDF进行了归类：BRDF只反射，BTDF只折射，BSDF既反射又折射（半球面），BCSDF(我不清楚这个，大概针对毛发这类材质)。在设计时，所有BSDF都有一个相同的接口，除了要实现Sample，Eval和PDF这些基本方法外，还会提供一些材质特殊的信息，比如平均方向，折射率，粗糙度等

Manuka采用的是一种shade-before-hit策略，通常，我们都是在intersection后获取交点对应物体的材质属性，这一切在Manuka中已经预处理了，好处是支持很多复杂的视觉效果，但缺点是占用大量的内存，因此，压缩是一个很关键的技术，通常，会用8bit来存储颜色，而粗糙度等属性则会用16bit。

材质系统的图层叠加(layering operation)有两种方式：水平和垂直，具体包括Mix，Coat，Blend和Add，其中Mix和Blend属于horizontal，而coating和add属于vertical。个人理解Blend是Mix针对只有两层材质的特殊形式给出的优化，相比blend，add仅支持发光材质。

另外，个人理解，尽管一个材质系统是多层的，每层都是一个独立的材质，当我们会把多层看作成一个综合后的材质，比如一个材质有两层，分别对应两个BRDFs，记为

和

，当我们进行叠加操作时，每层都有自己的权重

，

，然后做一次normalization，这样就可以得到整体材质的计算公式，而不需要考虑层之间的光线折射反射效果，这里，图层间不同的叠加方式会有不同 权重计算公式：

同时，真实世界中，不同材质在叠加时，自身的属性也可能会变化，比如水泥，干水泥较为明亮或中度灰，而湿水泥则变暗，这里会有一个accumulation techniques，在叠加材质时可以更改折射率，粗糙度等属性。

以人体皮肤的例子，我们通过图层叠加的方式，来模拟大千世界各类复杂材质。