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PBR基礎(chǔ)

19. 擴(kuò)展 | 材質(zhì)不同通道介紹

PBR介紹

首先本章節(jié)會(huì)從美術(shù)工作者的角度重新定義 PBR，講述 Metal/Roughness 工作流、Specular/Glossiness 工作流以及其中的差異。建議讀者們可以先通讀兩個(gè)工作流的原則來(lái)了解貼圖制作的全貌。

在這個(gè)部分，我們會(huì)討論兩個(gè)最常用的工作流：金屬/粗糙度工作流（Metal/Roughness）和鏡面反射/光澤度工作流（Specular/Glossiness），并使用 Substance 系列工具制作貼圖（能同時(shí)支持兩種工作流），其中包括了 Substance Designer，Substance Painter 和 Substance B2M。對(duì)于兩種工作流來(lái)說(shuō)，Substance PBR 默認(rèn)著色器使用了 GGX BRDF，沒(méi)有對(duì)粗糙度/光澤度進(jìn)行重新映射。然而，如果你想定制自己的映射（Remapping），也可以在 Substance 系列軟件里輕松完成。

兩種工作流都有它們自己的優(yōu)缺點(diǎn)，沒(méi)有哪個(gè)更優(yōu)更劣，只有選擇最適合你貼圖表現(xiàn)的工具流才是正道。畢竟是內(nèi)在的概念和原理使得貼圖表現(xiàn)更為精確，而非工作流本身。即使它們兩者最終可能都表現(xiàn)出了一樣的性狀，但內(nèi)核卻有著不同的實(shí)現(xiàn)方式。

什么是PBR？

PBR是一種基于物理的渲染方式。

是一種能對(duì)光在物體表面的真實(shí)物理反應(yīng)提供更精確著色與渲染方法

• PBR有倆種渲染流程 Metal_Roughness/Specular_Glossiness

PBR的優(yōu)勢(shì)？

作為美術(shù)制作者，我們可以從藝術(shù)角度和制作效率兩個(gè)維度去看待 PBR 的優(yōu)勢(shì)：

• PBR 的方法論和算法都是基于物理精確的公式實(shí)現(xiàn)的，這讓我們?cè)谥谱鬟^(guò)程中無(wú)需反復(fù)猜度和測(cè)試很多材質(zhì)的屬性，也讓我們更容易去制作一個(gè)更真實(shí)的場(chǎng)景。

• 場(chǎng)景和模型在所有光線條件下都會(huì)表現(xiàn)得非常精確。

• PBR 提供了一個(gè)穩(wěn)定的工作流，讓不同的藝術(shù)家在不同的項(xiàng)目之間都保持相對(duì)恒定的輸出模式。

PBR對(duì)美術(shù)工作者的意義是什么？

我們需要扔掉過(guò)往對(duì)漫反射貼圖（Diffuse）和鏡面反射貼圖（Specular）的認(rèn)知，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)渲染工作流中，這兩個(gè)貼圖只是一個(gè)對(duì)光與材質(zhì)比較粗糙的估算方法。

在 PBR 中，著色器負(fù)責(zé)執(zhí)行符合能量守恒和 BRDF 物理定律的渲染工作，而藝術(shù)工作者則需要根據(jù)物理定律來(lái)創(chuàng)造貼圖。PBR 很科學(xué)的一點(diǎn)就在于，它已經(jīng)把很多材質(zhì)的性質(zhì)用物理的真實(shí)條件定義下來(lái)，設(shè)計(jì)師不需要再盲猜盲試它們的實(shí)現(xiàn)效果，從而可以將更多的時(shí)間投放在貼圖的創(chuàng)意和設(shè)計(jì)上。

雖然符合規(guī)范和制作正確的貼圖是很重要的事情，但是也并不意味著我們要放棄藝術(shù)性的直覺(jué)。3D設(shè)計(jì)師要時(shí)刻記住，是藝術(shù)的理解和角度真正賦予了材質(zhì)生命，并在精雕細(xì)琢的細(xì)節(jié)和表達(dá)方式中體現(xiàn)了材質(zhì)的故事。物理現(xiàn)象從來(lái)不是藝術(shù)家真正需要思考的核心，在物理的環(huán)境下工作并不意味著我們就不能創(chuàng)造出有風(fēng)格的作品。

Metal_Roughness | 金屬_粗糙度工作流(M/R工作流)

金屬/粗糙度工作流（Metal/Roughness Workflow，下文簡(jiǎn)稱M/R工作流）

是由一系列的貼圖通道所定義的工作流，這些通道會(huì)被作為貼圖傳輸?shù)?PBR 的著色采樣器中。

這個(gè)工作流對(duì)應(yīng)的貼圖包括 Base Color（基礎(chǔ)色貼圖）、 Metallic（金屬貼圖）、 Roughness（粗糙度貼圖）

在 M/R 工作流中，PBR 著色器也同時(shí)使用 Ambient Occlusion（環(huán)境光遮蔽/環(huán)境吸收/AO貼圖，下文統(tǒng)稱環(huán)境光遮蔽貼圖）、 Normal（法線貼圖）、Height（高度貼圖）來(lái)表現(xiàn)光影視差與置換位移的映射效果

F0 | 非導(dǎo)體（電介質(zhì)）

對(duì)于大多數(shù)普通的非導(dǎo)體（電介質(zhì)）材質(zhì)來(lái)說(shuō)，反射值都被設(shè)為 0.04（線性空間），即 4% 的反射率。在 M/R 工作流中，這個(gè)值一般是著色器不可變更的。

不過(guò)在另一些 M/R 實(shí)現(xiàn)流程中，例如 Substance 系列軟件、Unreal Engine4 就會(huì)有提供一些控件讓藝術(shù)家可以修改非導(dǎo)體（電介質(zhì)）的 F0 值。在 Substance 中，這個(gè)輸出區(qū)間被標(biāo)簽為「Specular Level」，由 Metal/Roughness PBR 著色器的材質(zhì)采樣器提供。它代表了 0.0-0.08 這個(gè)區(qū)間在著色器中會(huì)被重新映射為 0.0-1.0，而 0.5 就代表著 4% 的反射率

F0F0就是控制物體反射率的值。 非金屬物體 = 反射值都被設(shè)為 0.04（線性空間） 在一些M/R工作流是可以改變的范圍控制（0.0-0.08）

Base Color | 基礎(chǔ)色貼圖

• RGB貼圖-sRGB模式

Base Color 貼圖是一個(gè) RGB 貼圖 ，它包含了倆種類型的數(shù)據(jù) （漫反射/反射率的顏色）

這兩有什么區(qū)別嗎？

顏色代表著它本身反射的光的波長(zhǎng)，比如白色反光強(qiáng)，黑色白色弱。

• 如果這個(gè)區(qū)域在金屬貼圖中被指示為金屬（金屬貼圖中為白色），那么這個(gè)反射值就會(huì)被顯示出來(lái)。

• 制作貼圖

Base Color 貼圖的色調(diào)一般看起來(lái)會(huì)比較平，它的對(duì)比度會(huì)低于傳統(tǒng)的 Diffuse 貼圖（傳統(tǒng)的 Diffuse 貼圖帶有光影信息）

注意：如果數(shù)值太亮或太暗可能都會(huì)影響后續(xù)的光影渲染效果

• 暗色值，盡量不要低于 30-50 sRGB

• 亮色值，貼圖中也不應(yīng)該有色值高于 240 sRGB

Metallic | 金屬貼圖

• 金屬貼圖就是一個(gè)遮罩 控制那部分是金屬，那部分是非金屬。

  金屬貼圖的功能可以理解為一個(gè)遮罩，它告訴著色器應(yīng)該如何去解讀 Base Color 貼圖中的 RGB 數(shù)據(jù)。

• 金屬貼圖中 ? 0.0（純黑-0sRGB）代表了非金屬，而 1.0（純白-255sRGB）代表了原始金屬

這里就需要了解一個(gè)重要的概念

金屬的屬性 第一，它們的反射值一般很高，會(huì)造成 70-100% 的鏡面反射 第二，有些金屬會(huì)被腐蝕

• 原始金屬就是沒(méi)有被腐蝕的金屬狀態(tài)，反光很強(qiáng)。

原始金屬在金屬貼圖中的灰階范圍大概是 235-255 sRGB 之間。在這個(gè)區(qū)間里的金屬會(huì)在 Base Color 貼圖中會(huì)透?jìng)鳛?70-100% 的反射值，而對(duì)應(yīng) sRGB 范圍 180-255 sRGB

• 腐蝕金屬就是有大量銹跡，或者油漆。

這部分銹跡或者油漆部分還是按照非金屬處理。

我們?cè)賮?lái)回顧一下金屬貼圖的幾個(gè)要點(diǎn)：

? 金屬被氧化、腐蝕、上漆、覆塵后，這些區(qū)域需要被當(dāng)做非導(dǎo)體（電介質(zhì)）材質(zhì)來(lái)看待。

? 在金屬貼圖中，純黑（0.0）代表了非金屬，純白（1.0）代表了金屬，我們可以用過(guò)渡的灰階來(lái)表示不同程度氧化和污垢。

? 如果金屬貼圖中有值低于 235 sRGB，那么在 Base Color 中對(duì)應(yīng)區(qū)域的反射值也應(yīng)該降低。

Roughness | 粗糙度貼圖

• 粗糙度貼圖是描述物體表面是否粗糙，如果粗糙會(huì)導(dǎo)致光的漫射。

比如石頭和玻璃的粗糙度是不一樣的，

• 石頭的表面越粗糙反射的高光越散。

• 玻璃的表面光滑鏡面反射越集中，讓高光看上去越強(qiáng)。

粗糙度貼圖

純黑（0.0）代表了平滑表面，而純白（1.0）代表了粗糙表面

總結(jié) ： 金屬/粗糙度工作流的優(yōu)劣勢(shì)

優(yōu)勢(shì)

• 在 M/R 工作流中，由于非導(dǎo)體（電介質(zhì)）的 F0 都是規(guī)定好的，所以設(shè)計(jì)師在對(duì)非導(dǎo)體 F0 賦值時(shí)不易出錯(cuò)。

• 紋理的緩存壓力更小，因?yàn)榻饘儋N圖和粗糙度貼圖都是灰度貼圖。

• 目前來(lái)說(shuō)是兼容性最廣的工作流。

劣勢(shì)

• 非導(dǎo)體（電介質(zhì)）F0 的值固定為 4%，無(wú)法調(diào)整。然而，在大多是實(shí)現(xiàn)流程中都有控制器可以直接復(fù)寫這個(gè)值，所以也不能算硬傷。

• 白色邊緣問(wèn)題較明顯，尤其在低分辨率的情況下問(wèn)題突出。

Specular_Glossiness | 鏡面反射/光澤度工作流 (M/R)

M/R 工作流一樣，鏡面反射/光澤度工作流一樣都是對(duì)貼通道貼圖的定義。

這些 S/G 工作流獨(dú)有的貼圖分別是 Diffuse（漫反射貼圖）、Specular（鏡面反射貼圖）、Glossiness（光澤度貼圖）。

在這個(gè)工作流里，金屬的反射值和非金屬的 F0 值被放置在鏡面反射貼圖（Specular）中

鏡面反射貼圖中，你可以對(duì)非導(dǎo)體材質(zhì)的 F0 值進(jìn)行控制。

注意：這里可以控制F0 ，反射貼圖很可能被賦予錯(cuò)誤的值

Diffuse | 漫反射貼圖

RGB貼圖-sRGB

由于漫反射貼圖中只包含反照率顏色（Albedo），所以那些指示原始金屬的區(qū)域會(huì)被標(biāo)記為黑色（0.0），因?yàn)榻饘俨粫?huì)有任何漫反射色彩.

和M/R的區(qū)別

• 漫反射貼圖中的顏色表示的是非金屬的反照率顏色，而純黑（0.0）代表的是原始金屬

Specular | 鏡面反射貼圖

RGB貼圖-sRGB

鏡面反射貼圖是用于定義金屬反射值和非導(dǎo)體（電介質(zhì)）F0 值的貼圖，

鏡面反射貼圖是 RGB 貼圖，所以非導(dǎo)體材質(zhì)可以賦予不同的 F0 值，在鏡面反射貼圖中，金屬和非導(dǎo)體的 F0 值都被寫在了 RGB 通道當(dāng)中。

擴(kuò)展 簡(jiǎn)單理解反射貼圖控制物體不同反射，

• 鏡面反射貼圖包含了金屬和非金屬的 F0 值

制作貼圖

• 原始金屬的 F0 值應(yīng)該是基于真實(shí)世界測(cè)量的數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)定。如果金屬產(chǎn)生了氧化或者有些覆蓋層被定義為非金屬時(shí)，這個(gè)金屬區(qū)域的反射值就要降低。而在 S/G 工作流中，污垢和氧化層在漫反射貼圖中的色值會(huì)變亮，而在鏡面反射貼圖中的色值會(huì)變低（如圖 39）。圖 39 中展示了原始金屬上存在污垢層，而這片污垢在鏡面反射貼圖中就使用了正確的非導(dǎo)體（電介質(zhì)）F0 值（在這個(gè)案例中使用了 4%）。

總結(jié)

• 鏡面反射貼圖包含了非導(dǎo)體（電介質(zhì)）的 F0 值和原始金屬的反射值。

• 非導(dǎo)體（電介質(zhì)）反射的光比金屬少。普遍非導(dǎo)體的反射值為 2-5%，在 sRGB 中，這個(gè)值大概在 40-75 之間，這個(gè)區(qū)間和 0.02-0.0 5的線性空間范圍是重疊的。

• 普通寶石的反射值范圍在 0.05-0.17（線性空間）。

• 普通液體的反射值范圍在 0.02-0.04（線性空間）。

• 而原始金屬的反射值則可以高達(dá) 70-100% 的鏡面反射，映射到 sRGB 約為 180-255 sRGB。

• 如果你無(wú)法找到某個(gè)材質(zhì)的折射率（IOR），那么你可以先假設(shè)它的 F0 為 4%（0.04 為塑料反射值）。

Glossiness | 光澤度貼圖

灰度貼圖-Linear

光澤度貼圖適用于描述表面不平整度的貼圖，表面不平整會(huì)造成光的散射（如圖 41）。在這個(gè)貼圖中，純黑（0.0）代表的是粗糙表面，而純白（1.0）代表了平滑表面。這和 M/R 工作流里的粗糙度貼圖是完全相反的，但是在設(shè)計(jì)側(cè)卻有著類似的制圖原則。

總結(jié)：鏡面反射/光澤度工作流的優(yōu)劣勢(shì)

優(yōu)勢(shì)

• 邊緣效應(yīng)不會(huì)那么明顯。

• 可以在鏡面反射貼圖中對(duì)非導(dǎo)體（電介質(zhì)）材質(zhì)的 F0 值自由調(diào)整。

劣勢(shì)

• 由于在 S/G 工作流的鏡面反射貼圖中，非導(dǎo)體（電介質(zhì)）材質(zhì)的 F0 值是可以自由調(diào)整的，所以也會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)師容易輸入錯(cuò)誤的值。而這些錯(cuò)誤的值被著色器誤讀后可能會(huì)打破能量守恒定律，從而造成不正確的渲染效果。

• 由于新增了一張 RGB 通道的鏡面反射貼圖，所以對(duì)性能消耗會(huì)更大。

• S/G 工作流有些名詞和傳統(tǒng)的工作流太相似，但是實(shí)質(zhì)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)可能是不一樣的，因此會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)師容易誤解或誤操作。這種情況下就要求設(shè)計(jì)師有更好的 PBR 理論知識(shí)，例如了解非導(dǎo)體（電介質(zhì)）的正確 F0 值，金屬在漫反射色下表現(xiàn)為純黑，以及在著色器沒(méi)有自動(dòng)校正情況下，能量守恒相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。

通用貼圖

Ambient Occlusion | 環(huán)境光遮蔽/環(huán)境光吸收貼圖(AO)

AO 貼圖用于定義一個(gè)表面上的每個(gè)點(diǎn)在環(huán)境光下的暴露程度，它通常被用在后制效果中（加重夾角、交界面的陰影細(xì)節(jié)等）

Height | 高度貼圖

高度貼圖通常被用作渲染置換（Displacement）效果，它可以用作視差映射，來(lái)給紋理增加更明顯的深度，而且比起法線和凹凸貼圖更加真實(shí)。

Normal | 法線貼圖

法線貼圖可用于模擬表面的細(xì)節(jié)。貼圖中的 RGB 通道分別對(duì)應(yīng)的是表面上不同部位法線的 X、Y、Z 坐標(biāo)。它可以用作保存高模的細(xì)節(jié)，并且映射到低模中去。在 Substance 工具系列中，你可以烘焙法線貼圖也可以從高度貼圖里轉(zhuǎn)換法線貼圖。

總結(jié)

PBR倆種工作流程

• 理解2種PBR材質(zhì)的制作，對(duì)貼圖的要求等。表面材質(zhì)拆分為金屬與非金屬兩個(gè)類目來(lái)理解會(huì)更加直觀有效

F0的使用

• F0的理解，

• M/R 工作流 中F0是固定的， ? 非導(dǎo)體（電介質(zhì)）材質(zhì)的 F0 值范圍與次世代 PBR 著色器之間的關(guān)系。比起金屬材質(zhì)，非導(dǎo)體材質(zhì)會(huì)反射更少量的光。普遍非導(dǎo)體材質(zhì)的 F0 值會(huì)在 2-5% 之間，對(duì)應(yīng)的是 RGB 范圍為 40-75，與 0.02-0.05 線性范圍重合。

• **S/G工作流程中F0是記錄在鏡面反射貼圖中可以調(diào)整的，**但是容易錯(cuò)誤。

  S/G工作流程適合制作寶石，塑料反射強(qiáng)但是非金屬的物體。

貼圖設(shè)置

因?yàn)槲覀兪褂貌煌馁N圖要參與計(jì)算，要設(shè)置不同貼圖方式才能正確的計(jì)算。

資料

The PBR Guide - Part 1 (adobe.com)

The PBR Guide - Part 2 (adobe.com)