# Cómo implementar PBR (Physically Based Rendering) en un shader con pipeline deferred

El **Physically Based Rendering (PBR)** es una técnica avanzada utilizada en gráficos por computadora para lograr una representación más realista de la interacción entre la luz y las superficies en una escena. Utilizando principios físicos, PBR simula cómo los materiales interactúan con la luz, teniendo en cuenta factores como la rugosidad, la metalicidad y el color base de un objeto. Cuando se combina con una **pipeline deferred**, PBR permite un renderizado eficiente y detallado, especialmente en escenas complejas con múltiples fuentes de luz. En este artículo, explicaremos cómo se implementa el PBR en un shader utilizando una pipeline deferred, describiremos los G-buffers y cómo se utilizan en el cálculo de la iluminación.

## ¿Qué es una pipeline deferred?

La **pipeline deferred** es un enfoque de renderizado en gráficos por computadora en el que el proceso de cálculo de iluminación se separa del proceso de renderizado de la geometría. En lugar de calcular la iluminación mientras se renderizan los objetos de la escena, primero se almacenan en **G-buffers** las propiedades geométricas de la escena (como la posición, las normales, los colores base, etc.). Posteriormente, en una etapa de iluminación separada, estos valores se usan para calcular la luz en la escena.

Este enfoque es muy eficiente, ya que solo se calculan los efectos de la luz en los fragmentos visibles de la escena y se reutilizan los datos de los G-buffers. Esto hace que sea ideal para escenas con muchas fuentes de luz, ya que reduce considerablemente el número de cálculos necesarios.

## ¿Qué es PBR?

El **Physically Based Rendering (PBR)** es un conjunto de técnicas de renderizado que emulan la forma en que los materiales físicos interactúan con la luz. El objetivo de PBR es simular cómo los objetos en el mundo real reflejan la luz de una manera más precisa y realista. Algunas de las propiedades fundamentales de PBR son:

- **Albedo**: El color base de un material, es decir, su color sin ningún tipo de reflexión especular.
    
- **Rugosidad (Roughness)**: Controla qué tan suave o rugosa es la superficie del material. Superficies rugosas dispersan la luz, mientras que las superficies suaves reflejan la luz de manera más directa.
    
- **Metalicidad (Metallic)**: Determina la cantidad de reflejo metálico en un material. Los metales tienen una reflexión de luz mucho más intensa que los materiales no metálicos.
    
- **Oclusión Ambiental (AO)**: Es una medida de cómo la luz ambiental se dispersa y se atenúa en las áreas que están más protegidas de la luz directa, como las esquinas o grietas de un objeto.
    

En este artículo, se desglosará cómo estos parámetros se utilizan en el shader proporcionado para realizar el renderizado físico correcto.

## Desglosando el Shader PBR

Este shader implementa una pipeline deferred, que primero captura las propiedades geométricas de la escena en los G-buffers (como el albedo, las normales, la profundidad y otros datos) y luego aplica la iluminación en una segunda fase. Ahora, pasemos a desglosar las funciones y los cálculos fundamentales utilizados para implementar el PBR en el shader.

### 1. **Cargar los G-buffers**

La primera tarea es cargar los G-buffers que contienen la información esencial de la escena. Los G-buffers se cargan en diferentes texturas como se muestra en el siguiente código:

```hlsl
Texture2DMS<float4> albedo : register(t0);          // Albedo (color base del material)
Texture2DMS<float4> normal : register(t1);          // Normales
Texture2DMS<float4> depthTex : register(t2);        // Profundidad
Texture2DMS<float4> orm : register(t3);             // Oclusión ambiental, rugosidad y metalicidad
```

- **Albedo**: Contiene el color base de la superficie de un objeto. Se usa para determinar el color del material sin considerar los efectos de la iluminación.
    
- **Normal**: Almacena las normales de la superficie de cada píxel, lo cual es esencial para calcular cómo la luz interactúa con las superficies de los objetos.
    
- **DepthTex**: Mapa de profundidad que nos permite reconstruir la posición mundial de cada píxel en el espacio 3D.
    
- **ORM**: Un mapa que contiene tres valores: oclusión ambiental (AO), rugosidad y metalicidad. Estos valores son importantes para calcular el comportamiento físico de la luz sobre la superficie.
    

### 2. **Reconstrucción de la posición mundial**

Para calcular correctamente la iluminación de cada fragmento en la escena, es necesario obtener la posición del mundo de cada píxel. Utilizando la información de profundidad y las matrices de **inversión de vista** y **proyección**, podemos reconstruir la posición del mundo de cada fragmento. El código que lo hace es el siguiente:

```hlsl
float3 ReconstructPosition(int2 pixelCoord, uint index)
{
    float depth = depthTex.Load(pixelCoord, index).r;
    
    // Convertir las coordenadas de píxel a coordenadas NDC
    float2 ndc = (float2(pixelCoord) / screenSize) * 2.0f - 1.0f;
    ndc.y *= -1.0f;  // Invertir la componente Y para NDC correcto
    
    // Calcular el valor Z a partir de la profundidad
    float z = depth * 2.0f - 1.0f;
    
    // Convertir de espacio de recorte a espacio de vista
    float4 clipPos = float4(ndc.xy, depth, 1.0f);
    float4 viewPos = mul(InverseProjection, clipPos);
    viewPos /= viewPos.w;

    // Convertir de espacio de vista a espacio mundial
    float4 worldPos = mul(InverseView, viewPos);
    
    return worldPos.xyz;
}
```

### 3. **Cálculo de la iluminación PBR**

El modelo PBR se basa principalmente en el modelo de reflexión **Cook-Torrance**, que es ampliamente utilizado para representar materiales físicamente correctos. Este modelo tiene tres componentes clave: la reflexión especular, la luz difusa y la luz ambiental.

#### 3.1 **Fresnel Shlick**

La función **Fresnel Shlick** es utilizada para calcular la cantidad de luz reflejada en función del ángulo de incidencia de la luz sobre la superficie. Los materiales tienen una reflexión más fuerte cuando la luz incide en un ángulo cercano a la normal de la superficie, y menos reflexión cuando la luz incide en ángulos más oblicuos.

```hlsl
float3 FresnelShlick(float cosTheta, float3 F0)
{
    return F0 + (1.f - F0) * pow(saturate(1.f - cosTheta), 5.f);
}
```

`cosTheta` es el coseno del ángulo entre la dirección de vista y la normal de la superficie, mientras que `F0` es la reflectancia en el ángulo normal, que típicamente se ajusta a un valor de `0.04` para la mayoría de los materiales no metálicos y a un valor más alto para los materiales metálicos.

#### 3.2 **Distribución GGX**

El modelo de distribución **GGX** es utilizado para simular la forma en que las microfacetas de una superficie rugosa reflejan la luz. La distribución GGX es particularmente útil para modelar superficies metálicas y rugosas.

```hlsl
float DistributionGGX(float3 N, float3 H, float roughness)
{
    float a = roughness * roughness;
    float a2 = a * a;
    float NdotH = max(dot(N, H), 0.0);
    float NdotH2 = NdotH * NdotH;

    float num = a2;
    float denom = (NdotH * (a2 - 1.f) + 1.f);
    denom = PI * denom * denom;

    return num / denom;
}
```

Donde `roughness` es la rugosidad del material, y `NdotH` es el coseno del ángulo entre la normal de la superficie `N` y la mitad de la dirección de la luz y la vista.

#### 3.3 **Oclusión geométrica (Geometry)**

La oclusión geométrica calcula cómo los microfacetas de una superficie pueden bloquear la luz, lo que es especialmente importante para superficies rugosas. Se utiliza una variante del modelo **Schlick-GGX**.

```hlsl
float GeometrySchlickGGX(float NdotV, float roughness)
{
    float r = (roughness + 1.f);
    float k = (r * r) / 8.f;

    float num = NdotV;
    float denom = NdotV * (1.f - k) + k;

    return num / denom;
}
```

#### 3.4 **Cálculo de la luz especular y difusa**

El cálculo de la luz especular se realiza combinando la **distribución GGX**, la **oclusión geométrica** y el **Fresnel Shlick**:

```hlsl
float3 numerator = NDF * G * F;
float denominator = 4.f * max(dot(N, V), 0.f) * max(dot(N, L), 0.f) + 0.0001f;
float3 specular = numerator / denominator;
```

Por otro lado, la luz difusa se calcula utilizando el albedo y la iluminación ambiental:

```hlsl
float3 Lo = (kD * albedoColor / PI + specular) * radiance * NdotL;
```

#### 3.5 **Luz ambiental**

La luz ambiental se calcula a partir del **albedo** y la **oclusión ambiental (AO)**. Se multiplica el albedo por un factor de luz ambiental básico:

```hlsl
float3 ambient = 0.1f * albedoColor * ao;
```

### 4. **Fórmula final de iluminación**
    

Finalmente, la iluminación total se obtiene sumando las contribuciones de la luz ambiental, difusa y especular:

```hlsl
color = ambient + Lo;
```

Luego, se aplica un **tonemapping** para ajustar la exposición y mejorar el contraste visual:

```hlsl
color = color / (color + 1.0);
```
## Ejemplos

Este shader PBR se puede usar para simular materiales realistas, como madera, metal, vidrio y muchos otros. El modelo físico basado en la simulación de la luz produce resultados visuales más naturales y creíbles. A medida que las técnicas de renderizado avanzan, el uso de PBR se está convirtiendo en una parte esencial de la creación de gráficos en tiempo real.

### Referencias

- [Documentación oficial de PBR en Unreal Engine](https://docs.unrealengine.com/en-US/RenderingAndGraphics/PhysicallyBasedRendering/index.html)
- [Exeon](https://github.com/PR3C14D0/Exeon)

Cómo implementar PBR (Physically Based Rendering) en un shader con pipeline deferred

Aaron Garces del Garro