【前言】

模型建立好了以后，通常都要賦予材質，這意味著給這個模型對象（這些模型本質就是一個由面組成的空殼）賦予了表面的屬性，用于計算模擬真實的物理效果。

聽說過“三分模型七分貼圖”的說法嗎？模型制作的再好（當然它是基礎），如果沒有紋理貼圖，那它也缺少表面的細節(jié)，更缺少“靈氣”和“神韻”不是嗎？也就是大家所說，沒有質感。

質感是什么？光線照射物體所表現(xiàn)出來的視覺效果。在三維軟件中是通過設定材質、燈光、陰影和環(huán)境等要素，由渲染器調用不同的著色器進行渲染（模擬計算），對視覺形態(tài)的再現(xiàn)的過程。

說到渲染（Render）涉及很多要素，這里為了將來學習紋理繪制打基礎，所以簡單談談材質、重點研究學習貼圖原理和應用。下面我以CG人能理解的方式進行研究，盡量回避數學算法。（太深了，我也不會，嘿嘿）

【研究】

一、明確幾個概念：

1、 渲染 Render:使用軟件從模型生成圖像的過程。說白了就是把三維場景特殊數據格式計算，轉化為位圖圖像或圖像序列的過程。（XYZ到XY，從三維到二維）。

2、渲染器（renderer) ：渲染工作是通過渲染器完成的。是實現(xiàn)渲染的特定算法（mental ray ,vray，Arnold)。主要兩類：一個光線跟蹤，一個是光能傳遞。每個獨立渲染器都有適合自己的材質和燈光，當然它也支持它所依賴的三維環(huán)境的標準燈光和材質，但效果沒有它自己的好。

3、著色器（shader)是一組提供計算機圖形資源在執(zhí)行渲染時使用的指令，負責計算目標顏色。分為定點著色器，幾何著色器，像素著色器等，應用于GPU流水線的。在一般情況下，著色器是可以直接在圖形處理單元（GPU）上運行的程序。換句話說，著色器類似一個匯編程序。你可以通過使用匯編編程的CPU，你也可以使用頂點和像素著色器的GPU編程。

糊涂了吧? 說白了Shader（著色器）實際上就是一小段程序，它負責將輸入的Mesh（網格模型）以指定的方式和輸入的貼圖或者顏色等組合作用，然后輸出。繪圖單元可以依據這個輸出來將圖像繪制到屏幕上。輸入的貼圖或者顏色等，加上對應的Shader，以及對Shader的特定的參數設置，將這些內容（Shader及輸入參數）打包存儲在一起，得到的就是一個Material（材質）。所以說Shader并沒有什么特別神奇的，它只是一段規(guī)定好輸入（顏色，貼圖等）和輸出（渲染器能夠讀懂的點和顏色的對應關系）的程序。而Shader開發(fā)者要做的就是根據輸入，進行計算變換，產生輸出而已。C4D中已經由官方開發(fā)好了的Shader為你服務，等你調用。如果你對渲染效果不滿意，總想渲染出自己想要的風格，而這些現(xiàn)成的Shade又滿足不了你，怎么辦？有能力自己寫一個吧!

二、C4D材質

第一部分：材質（Material）用來表述物體表面所呈現(xiàn)的顏色、光澤、透明度、凹凸、反射等屬性的著色器集合。C4D基本材質的各個通道就對應著物體的不同屬性的數據描述。（描述材質實際上是只是一種材質函數，全名為BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）雙向反射分布函數，數學上，完全的材質函數應當是BxDF，即包括了反射透射等等所有的效應。因此BRDF只是BxDF的一種，除此之外，還有透射函數，散射函數等等。但考慮到我們處于實時的框架下，故近似為BRDF，忽略其他的BxDF。）

通過材質各個通道的屬性來模擬描繪現(xiàn)實世界的不同物體。

第二部分原理：

材質的各種屬性是如何模擬現(xiàn)實的光學物理現(xiàn)象的呢？這必須從物理學上談起。

一、光與物質的交互

光是一種橫向傳播的電磁波，電磁波的波長范圍非常廣，但只有390~760nm之間的一段波譜是人眼可見到的，也就是在圖形學里對渲染著色起作用的部分。另外因為光有波粒二象性的緣故，有時候我們在圖形學里也會把光做為光子（photon）來處理。

1、當光投射到傳感器（眼睛，照相機等）上時，顏色和亮度就會被吸收并感知，而光與物質交互后被感知的，就是物體的顏色。

2、均勻介質

內部密度相同的物質，意味著它有唯一的折射率，對應透明的均勻物質來講（如水，玻璃），光通過時，并不會改變光的顏色或強度。

3、光被吸收（absorption）。

而當物質對某一種可見光譜有吸收率的時候，那么，光就會隨著在物質內的傳播距離而逐漸被吸收，而光的方向并不發(fā)生改變。

4、非均勻物質

當非均勻物質內部的折射率非常突然的時候，這時就會發(fā)生散射（Scattering）現(xiàn)象，光會被分割為多個方向，但光的總量并不會發(fā)生變化。

5、自發(fā)光”emission“。物質還可能因為其他能量發(fā)出新的光。

總之，光與物質交互的三種方式，吸收，散射，發(fā)光。

二、光與平面的交互

光與物質交互發(fā)生在物體表面時，關于光與空氣和物質之間的散射效果。這個時候平面散射光會分為兩部分：一部分進入平面的部分（折射，在物體內部傳播中被吸收或散射），另一部分從平面出去的部分（反射）。

1、鏡面反射：一個假設完美無限光學平坦的平面（簡稱光學平面）反射效果，平面兩側的空氣和物體有各自的折射率。（注意模型底下反射的是地面）

2、非鏡面反射：但實際上，平面大多都不是光學平面（除了鏡子或鏡頭等），而是一種微幾何體（Microgeometry），表面都會有一些比可見光波長要大的不規(guī)則凹凸，但又小到無法覆蓋一個像素或者采樣點，所以，我們就把這種非光學平面。

3、光滑 roughness

平面相對平滑時，表面方向的變化也比較輕微，從而反射光的方向變化也較小，有了較清晰的反射。而下面的表面粗糙，表面方向的變化范圍也較廣泛，反射光的方向變化也比較大，出現(xiàn)了模糊的反射。

4、漫反射光與鏡面光（diffuse and specular)

從平面直接反射的部分稱為鏡面反射光（Specular），來源于拉丁語的“Mirror”，鏡面光的顏色，通常就是燈光的顏色，只有照射在金屬上才會改變顏色（實際是金屬吸收了特定波長的光），傳入到物體內部，而經過折射，被材質吸收（轉變?yōu)闊崮埽?，或者內部進行散射，一些散射光最終會重新返回從平面折射出來，并被攝像機或眼睛所捕捉到，稱為漫反射光（Diffuse）。

漫反射光被物質吸收并散射后，會成為不同波長的光，這也就給予了物體顏色，比如物體吸收了藍色以外的光，那物體就是藍色的，而因為散射的混亂比較均勻，從每個方向看起來都是一樣，所以這點和鏡面光不一樣。也可以使用這個名字albedo來描述。

5、金屬和非金屬

物體內部的折射光的作用，取決于物體內部的組成，內部組成的不同，可以分為，金屬（metal）導體，電介質（Dielectrics）絕緣體和半導體（Semiconductors ），在處理物體時簡單的分組為金屬和非金屬就可以了。金屬會吸收所有的折射光，而且通常會被絕緣體的反射率要高，通常的反射率要達到60%~90%，而絕緣體則是0%~20%，反射率高，就防止了入射光被吸或折射，這樣，金屬就有了”閃亮“的外觀。

金屬的折射光能量都立刻被自由電子吸收，而非金屬（絕緣體），光會在內部進行吸收和散射活動，最后，一些折射光會通過散射，重新從入射平面反方向射出

6、非金屬的折射光會進行散射

導體的反射會跨越光譜，所以反射是有顏色的，雖然顏色反射在導體里比較罕見的，但在一些日常的材質里（金，銅，黃銅）還是可以看到這種效果，而絕緣體的反射通常是他們的本來顏色，因為金屬會吸收所有的穿透光，也就沒有任何漫反射（diffuse）部分，但金屬氧化的部分和一些表面殘留物還是會散射少量的光。不同材質的漫反射顏色，金屬為0。

7、次級表面散射（Subsurface Scattering）

從前面的圖中，可以看到折射后的散射光從平面不同的點發(fā)射出來，和原始的入射點的距離也各不相同，可以統(tǒng)稱為次級表面散射光，根據散射出的距離和入射點像素的大小的關系，可以分為兩種情況：

如左圖所示，當像素的尺寸大于入射到出射點的距離時，這個距離就可以被忽略，可以認為這個平面散射出的光和入射光是在相同點上，也就是右圖的樣子，也就是我們常說的漫反射。

當像素小于出射到入射距離時，每個點的著色就會收到其他光入射到其他點的影響，也就是常說的“次級表面散射”技術，很重要的一點是，它和普通的漫反射著色是一種物理現(xiàn)象（都是折射光的次級表面散射），唯一不同的就是散射的距離與觀察點大小的關系，一個通常被認為是“次級表面散射”的表現(xiàn)，當在較遠的距離觀察時，就可以被認為是漫反射著色（例如遠距離角色的皮膚），而“正規(guī)的漫反射著色”在很近距離觀察時，也會有次級表面散射的效果。

8、Fresnel現(xiàn)象

菲尼爾表現(xiàn)的是材質的反射率和入射角（也就是光源入射向量和平面法線向量的夾角）的對應關系，也就是說，入射光的角度越大，反射率也會越強。以水面為例，正常入射事只有3%的反射，而水平時則幾乎到100%。

下圖是水折射的菲尼爾現(xiàn)象，看近處和遠處對比。離觀測者越近折射越強烈，越遠越模糊。

下圖是水表面反射菲尼爾現(xiàn)象，離觀測者越遠反射越強烈，越近越模糊。

8、各向異性

前文已經提到了表面的微幾何體。從宏觀來看，在我們渲染模型網格時，使用凹凸貼圖或法線貼圖就可以描述表面小的細節(jié)。 但還是有一些微小的凹陷，裂縫或突起，而用肉眼是很難看清楚的，而且這些微幾何體是有規(guī)律分布的，它小到連正常大小的法線貼圖也無法來表現(xiàn)，雖然肉眼無法看到，但這些微觀特征，還是對Diffuse和Specular產生了影響。光雖然向四處反射，但是有規(guī)律的，在模型表面有的地方強，有的地方弱，有的沒有，這就是各個方向不同。

第三部分材質和通道的優(yōu)先級：

C4D標準材質的各通道計算的優(yōu)先級，一般是從上到下。先計算顏色通道，然后再計算漫射通道，依次類推，這樣最后顯示的結果，卻是后計算的通道要影響先計算的通道效果。仔細看下圖：

1、顏色通道設置為紅色，其他不勾選，渲染器計算，最后顯示結果，當然是紅色。

2、如果再勾選漫射通道，為其添加一個噪波貼圖（SHADE程序貼圖)。渲染器先計算顏色通道為紅色，后計算漫射通道的噪波，顯示的結果是后者影響了顏色通道紅色的顯示，你也可以簡單理解這是一種層與層之間的混合覆蓋。

3、如果繼續(xù)勾選發(fā)光通道，參數設為最大。那么最后計算的結果，它把前兩個通道的效果全部覆蓋掉了。

4、再繼續(xù)勾選透明通道，把亮度設為100%，它的影響簡直是太大了，全部透明。也就是說顏色、漫射、發(fā)光通道計算完之后，沒有被顯示，最后顯示的是透明通道的結果。但是CPU的活還是干了。

5、不選擇透明，勾選反射，你會發(fā)現(xiàn)它的影響也是很大的。顏色、漫射、發(fā)光通道白忙活了，但是CPU的活還是干了。

6、勾選環(huán)境通道，它其實是一個優(yōu)化計算方法。它是假的反射，特點速度快，缺點是假。在其紋理通道載入一個貼圖，它就會顯示反射的樣子。如果你勾選反射通道，它就不顯示。如何同時顯示呢？仔細看圖就知道了。

（答案：把發(fā)射通道的衰減一定設為添加）

7、繼續(xù)向下勾選煙霧，它的影響也不小啊。雖然它是最后計算的，但效果覆蓋掉了上邊其他通道的效果。

8、勾選凹凸通道，添加一個噪波文件。它影響上邊的各個通道，顏色、高光、反射通道。

9、下邊這個更厲害，阿爾法通道。

10、輝光實際上是后期渲染運算。它的效果影響上面的各個通道。

11、這是置換通道，也是如此。

以上，簡單研究一個材質的各個層之間的相互影響。

不同的材質如果賦予一個模型，在渲染的時候如何呢？

12、建立三個材質，紅綠藍。

13、把它們都賦予一個模型球體。渲染結果會是什么呢？渲染器的計算的優(yōu)先級是從左到右，那么最后的顯示效果一定是右側的藍色了。因為這些材質都不透明，也沒有阿爾法通道，他們之間也沒有設置混合運算。最后計算的藍色就會覆蓋前面的。

14、測試一下，果然如此。（場景中沒有用燈光，用全局光渲染，場景是HDRI貼圖照亮的）

三、C4D貼圖

才說道重點。

為什么要用貼圖？雖然材質定義了物體表面的顏色、光澤、透明度、凹凸等屬性，但各個通道中的設置：一是非常簡單，二是它是對整體進行控制的。對于模型不同地方不同的屬性，很難描述復雜情況。所以用貼圖來實現(xiàn)對復雜世界的描述。

貼圖（Texture 或Map），在C4D中其實就是一種SHADE。在標準材質的各個通道，除了有基本屬性設置之外，幾乎都有一個紋理通道，可以填充可以是texture或shader。

1、Texture（紋理）通常與2D 位圖圖像或圖像序列（視頻）相聯(lián)系。而2D圖像有一些局限性，因為它們依賴于圖像的精度。所以當一個物體的貼圖精度較低而渲染出的圖要求精度較高時，紋理貼圖會不清晰或不真實，因為它是由一個小的圖拉伸而來的。（其實它也是通過SHADE載入的）

2、 Shader也就程序紋理，是一段程序生成的。它的精度可以由參數決定，在渲染時按照燈光、環(huán)境等因素計算呈現(xiàn)效果。一是不會產生上述精度的麻煩，二是能夠隨著環(huán)境而變化。

它分為2Dshader 3Dshader。2Dshader似于2D圖像紋理。除了沒有精度問題，它在物體上的投影方式與2D 的圖片一樣有平面、柱體、球體等。它依據U、V 將圖片投射在物體表面。3Dshader 可以在真實的空間中分布，因為它是基于U、V、W 三個坐標方向的，W 給了3D shader體積感。由于3Dshader使用UVW 投影，所以它不會拉伸或扭曲。3D shader 是面對復雜物體時，代替2D texture 和2D shader 的最佳方案。

3、Shader包含Channelshader和Volumetric Shaders 。

一是Channelshader：

可以被材質的某個單獨的通道載入。如噪波、菲尼爾等。這些shader 被稱為通道shader

噪波是通道SHADE，它是程序紋理，可以通過參數控制紋理的形態(tài)。

通道SHADE所在的位置：

二是Volumetric Shaders ：

C4D 有一套內建的高級shader包：volumetric shaders，它們增強了C4D 的材質系統(tǒng)。volumetric shaders也包括了2D 和3D 的shader，它們提供了高級的特別控制用于制作基本材質無法做到的效果，如金屬表面的刮痕，真實的透明、半透明等。它們如材質一樣獨立使用，不能被標準材質載入紋理通道使用。

位置在于：

官方幫助截圖：

1、玻璃材質

2、木紋材質

3、有機生物材質

4、金屬材質：

5、大理石材質

6、NUKEI復合物材質

多么好的材質，怎么就不用呢？初學者總是用標準材質費勁調試，效果也不見得比這個好。

個人理解總結如下：

程序紋理Shade：能夠生成一個變化紋理的著色器，又能保持圖像精度，如表面里的木紋、大理石、星空等等，可以通過參數改變形態(tài)。

功能性Shade：該Shade不能直接生成程序紋理，有的如PS濾鏡，對紋理起著調整和混合作用；有的有管理作用，如圖層、過濾等是泛稱。

舉例子說明，如下所示：

1、在材質的凹凸通道中添加一個噪波，這是一個程序紋理Shade。

2、在此基礎上，在添加一個圖層，這是一個功能Shade（我這么叫）。

3、點擊圖層，進入再點擊著色器（Shade），再添加一個棋盤（程序紋理Shade）。

4、然后，改變混合模式為變暗。

5、這個圖層所起到的作用就是“功能性”的，如同進入PS一樣，處理多個紋理進行混合管理，再生成一個新的紋理。

【后記】

1、C4D不支持PBR基于物理渲染，只能近似模擬光的物理現(xiàn)象。

這些知識是我學習的心得，不一定完全正確。但我認為任何一個CG培訓的老師如果進行渲染教學，首先應該談光的物理原理，然后談渲染器利用材質是如何模擬的，這個真是很重要。

追本溯源，才能融會貫通，最后才能隨心所欲不是嗎？

如果紋理貼圖的原理你都不知道，你還想學“紋理貼圖的繪制“，那簡直是笑話！

2、通過上面的學習，知道紋理貼圖重要，那又如何學習呢？

首先熱愛生活，觀察自然真實的物品?，F(xiàn)實的物品，沒有那么完美的，總有污垢、破邊、劃痕、銹跡等等，仔細觀察，并用手機拍照收集，金屬如何、塑料如何、布料如何？石頭磚墻如何？然后想想，在三維軟件中，利用什么樣的貼圖來表現(xiàn)這些細節(jié)，做到優(yōu)化；如何用材質的屬性和參數去模擬表現(xiàn)它。找個簡單的模型一遍遍測試，不斷調整。渲染的是個慢功夫，非常耗時間，所以，你必須能坐住凳子才行?。∏f不要“乳膠漆”參數如何如何，瓷磚參數如何如何，死記硬背，這樣的確可以速成，但削弱你的獨立和再創(chuàng)造性。

這是我的自學心得：日積月累，你的功力就會大增，游刃有余。

聲明：文章中第二部分內容和圖片參考了《Trace的空間》的文章。

作者：DIGITALMAN