PBR・BRDF

ひとことで

PBR（物理ベースレンダリング）は、光の振る舞いを物理法則に沿ってモデル化し、「どんな照明の下に置いても、その素材らしく見える」ように描く考え方です。その中心にあるのが BRDF（双方向反射率分布関数）で、「ある方向から来た光が、表面でどの方向へどれだけ反射されるか」を表す関数です。アーティストは色・粗さ・金属度といった直感的な数値を指定するだけで、昼の屋外でも夜の洞窟でも破綻しない素材を作れます。

ゲームでの使いどころ

• 現代のほぼすべての 3D ゲーム：Unreal Engine、Unity（URP/HDRP）、Godot、three.js などの標準マテリアルは PBR です。
• 素材の再利用：同じ素材を別のシーン・時間帯・天候に持っていっても、照明に合わせて自然に見えます。ライティングごとに素材を調整し直す必要がありません。
• 制作パイプラインの共通化：Substance Painter などのツールで作ったテクスチャ（ベースカラー、粗さ、金属度、チャンネルパッキングされた ORM）を、そのままエンジンに持ち込めます。

しくみ

表面から出ていく光 $L_o$ は、あらゆる方向から入ってくる光 $L_i$ に BRDF $f$ を掛けて足し合わせたもの（反射方程式）です。

ゲームでよく使われる BRDF は、拡散反射と鏡面反射の和です。

• $D$：微小面の向きの分布（GGX）。粗さで反射の広がりが決まる。
• $G$：微小面同士が光や視線をさえぎる割合（幾何減衰）。
• $F$：見る角度による反射率の変化（フレネル）。
• $m$：金属度。

PBR の約束事として重要なのは次の 2 つです。

1. エネルギー保存：反射する光の合計は、入ってきた光を超えない。粗いほどハイライトは広く暗く、滑らかなほど狭く明るくなる。
2. 金属と非金属の区別：非金属は数 %（F0 ≈ 0.04）だけを鏡面反射し、残りを色の付いた拡散反射として返す。金属は拡散反射を持たず、鏡面反射に金属自身の色が付く。

実装のポイント

• パラメーターは 0〜1 の直感的な値：粗さ（roughness）と金属度（metalness）の組み合わせが一般的です（Metallic/Roughness ワークフロー）。鏡面色と光沢度を直接指定する Specular/Glossiness ワークフローもあります。
• 環境光も PBR で：ライトだけでなく、環境マップ照明も同じ BRDF の考え方で計算しないと、素材が周囲からなじみません。
• 線形空間で計算する：ベースカラーのテクスチャは sRGB から線形に変換してから計算し、最後にトーンマッピングで画面の範囲に収めます。

つまずきやすい点

• ベースカラーに陰影を描き込まない：色のテクスチャに影や光沢を描き込むと、照明と二重になって不自然になります。ベースカラーは「照明のない素の色」です。
• 現実にありえない値：真っ黒（0）や真っ白（1）のベースカラー、金属度 0.5 のような中途半端な値は、現実の素材には存在せず不自然に見えがちです。金属度は基本的に 0 か 1、境目（錆や塗装の剥がれ）だけ中間値にします。
• PBR は写実のためだけではない：アニメ調のゲームでも、照明の一貫性を保つために PBR を土台にして、トゥーンなどの表現を重ねることがあります。

デモで試すこと

1. 左の球は、粗さ（左から右）と金属度（手前が非金属、奥が金属）を変えたものです。同じ照明の下で、それぞれがもっともらしい素材に見えることを確認してください。
2. 右の立体は BRDF の形です。光（黄色の矢印）が当たったとき、どの方向へどれだけ光が返るかを、方向ごとの距離で表しています。粗さを下げると、鏡の反射方向（水色の矢印）に鋭く集まります。
3. 「BRDF の成分」を拡散のみ・鏡面のみに切り替えると、全方向へ均等に返る拡散と、反射方向に集まる鏡面の 2 つからできていることが分かります。
4. 「金属」をオンにすると、拡散の丸いふくらみが消え、鏡面だけになります。