ISUX译文 | The PBR Guide基于物理的渲染指引(下)

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1.什么是PBR? 优势与意义

两种工作流都有它们自己的优缺点，没有哪个更优更劣，只有选择最适合你贴图表现的工具流才是正道。毕竟是内在的概念和原理使得贴图表现更为精确，而非工作流本身。即使它们两者最终可能都表现出了一样的性状，但内核却有着不同的实现方式。

PBR(Physically Based Rendering)基于物理的渲染，是一种能对光在物体表面的真实物理反应提供更精确着色与渲染方法。在渲染管道中的不同环节，它也会被称为物理着色（Physically Based Shading, PBS），PBS通常是指着色，而PBR通常是指渲染和光照。不过，两个名词其实都是指基于真实物理下精确渲染场景的过程。

金属/粗糙度工作流（Metal/Roughness Workflow，下文简称M/R工作流）是由一系列的贴图通道所定义的工作流，这些通道会被作为贴图传输到PBR的着色采样器中。这个工作流对应的贴图包括Base Color（基础色贴图）、 Metallic（金属贴图）、 Roughness（粗糙度贴图）（图 17）。

在M/R工作流中，PBR着色器也同时使用Ambient Occlusion（环境光遮蔽/环境吸收/AO贴图，下文统称环境光遮蔽贴图）、 Normal（法线贴图）、Height（高度贴图）来表现光影视差与置换位移的映射效果(图18)。

在此工作流中，金属的反射值和非导体（电介质）的F0值都被记录在Base Color贴图中，在掠射角的反射效果（菲涅尔效应）则交由BRDF来处理。金属贴图在此工作流中就像Photoshop里的遮罩一样，用于区分Base Color贴图中金属与非导体材质的区域。非导体的F0值并非人工制定，而是由着色器来处理。当着色器监测到金属贴图中的黑色区域时，它会认为这片区域在Base Color中的表现是非导体（电介质）材质，从而统一使用4%（0.04）的反射值。

在能量守恒定律中也提到过，光从一个表面反射出去的量不会多于它入射在表面上的量。在渲染的实现层面，这个定律一般都由着色器强制执行。在Substance和M/R工作流也一样，我们是不可能打破能量守恒定律的。由于漫反射色（Diffuse/Reflected Color）和镜面反射（Specular）的平衡关系由金属遮罩（Metallic Mask）来控制，所以渲染计算时不会出现反射色和镜面反射加起来比入射光还多的情况（因为当极限情况下，金属遮罩全白时，材质表现为全反射，此时反射光最多等于入射光）。

如果你需要手动设置非导体的F0值，也可以使用Substance Designer里的Substance Graph/Specular Level Output来设定，又或者是Substance Painter里的Specular Level Channel来调整(图21）。本文会在Specular/Glossiness工作流中继续深入讨论非导体（电介质）F0的属性，因为在S/G工作流中，设计师可以对F0进行全面的控制。

Base Color贴图是一个RGB贴图，它能包含两种类型的数据：非导体（电介质）的漫反射色/反照率颜色（Diffuse Reflected Color/Albedo）和金属的反射值（如图22）。导体的颜色代表着它本身反射的光的波长，这个原理我们在第一章有提到（不同的金属反射不同的色光）。如果这个区域在金属贴图中被指示为金属（金属贴图中为白色），那么这个反射值就会被显示出来。

说到亮度范围，这里通常是指非导体（电介质）材质反射的颜色。在图23中，你可以看到污垢的色值超出正确亮度范围的效果（红色区域）。对于暗色值，尽量不要低于30-50 sRGB，严格控制下应该不低于50 sRGB。对于亮色值，贴图中也不应该有色值高于240 sRGB。

Base Color贴图中包含着非导体（电介质）材质的反射光信息，所以里面应该避免含有类似AO这种光照信息。但是有一种情况可以除外，当着色器不能只用AO通道来表现出我们预期的细节时，我们可以在Base Color中增加微观遮蔽（Micro-occlusion）效果。然而，当Micro-occlusion被加到贴图时，它仍然需要被亮度范围所限制。

再回顾一下Base Color的几个重点特性：

1. 贴图中的颜色对于非金属材质来说是它的反照率颜色（Albedo），对于金属材质来说则是它的反射值（Reflectance value，所带色相与其反射的波长有关）。

2. Base Color除了微观遮蔽信息（Micro-occlusion）以外，不应该含有任何光照信息。

3. 暗色值在宽松条件下不应该低于30 sRGB，严格来说不应该低于50 sRGB。

4. 亮色值不应该高于240 sRGB。

金属贴图的功能可以理解为一个遮罩，它告诉着色器应该如何去解读Base Color贴图中的RGB数据。

在金属贴图中，0.0（纯黑-0sRGB）代表了非金属，而1.0（纯白-255sRGB）代表了原始金属。当金属贴图被用于定义原始金属与非金属时，一般都是二态的：纯黑或纯白，意味着材质除了原始金属就是非金属。在实现过程中，当着色器监测到金属贴图中的白色区域时，它会检查 Base Color 贴图中相应的位置来获取金属的反射值并进行渲染（如图26）。

金属表面有两个和材质相关的重要属性：第一，它们的反射值一般很高，会造成70-100%的镜面反射。第二，有些金属会被腐蚀。我们接下来会在制图指引中单独讨论这两个属性。

当金属贴图被赋值为0或1时，这就意味着这片区域是或不是原始金属，而原始金属就是指未被腐蚀、完美抛光的金属状态。作为一个通用的准则，原始金属在金属贴图中的灰阶范围大概是235-255 sRGB之间。在这个区间里的金属会在Base Color贴图中会透传为70-100%的反射值，而对应sRGB范围180-255 sRGB（如图27）。再次强调一下，Base Color中这些数值都是基于真实世界测量的数据。

当设计师在做旧一个金属材质时，需要考虑这个金属材质是否被腐蚀，并考虑环境中诸如污垢和尘埃等因素。在这些情况下，金属材质的局部就需要被当做是非导体（电介质）材质来看待。对于上漆的金属也是一样，如图28所示，当漆层被划开或撬掉时，会露出底部的原始金属（金属贴图中显示为白色），而有漆的部分仍旧是一个非导体图层（金属贴图中显示为黑色）。

举个例子，在Substance Designer中可以使用Material Color Blend节点对效果进行跨通道的应用（例如污垢效果）。在Material Color Blend中，也可以透过调整金属值（Metallic Value）来控制污垢在金属上的效果（图30）。

粗糙度贴图用于描述造成一个表面的不规则度，这种不规则度会造成光的漫射（如图31）。正如我们在第一章中所说，光会基于表面的粗糙度进行方向随机的反射。虽然这个现象中光的方向被改变，但是光的强度是恒定的。越粗糙的表面会拥有越大越暗的高光，而越光滑的表现就越能将镜面反射聚拢，让高光看上去更亮更强。尽管这两者实际上都是反射了强度一样的光。

·制图指引

发挥你的创意，说出贴图的视觉故事。

M/R工作流的其中一个副作用就在于会产生白边效应（如图32）。这个情况在Specular/Glossiness工作流中也会发生。然而在S/G工作流中，效果不会那么明显，因为白边会变为黑边。（如图33）

这样的边缘效应是由于材质的插值造成的，在非导体（电介质）材料与明亮金属这种强对比的过渡边界处尤为明显（如图34）。在M/R工作流中，Base Color里包含了非常亮的金属反射值，其中又插入了非金属漫反射色的数值，所以产生了白边。在S/G工作流中，Diffuse贴图中因为原始金属并没有漫射色，所以呈现为黑色。而这些代表金属的黑色值又在材质交界处被插入了非金属的漫射色，所以边缘也呈现出黑色。

在图35中，两组纹理都是用了2K分辨率，但是右边的UV比例由于布局时就偏小，所以它的纹素密度也非常低。

纹素密度与分辨率直接影响了M/R工作流中的白边效应。如果希望减轻这个现象，就需要在前期保证UV展开时的布局和面积，保证它能提供足够的纹素密度，来对应材质制作文档的分辨率。

1. 在M/R工作流中，由于非导体（电介质）的F0都是规定好的，所以设计师在对非导体F0赋值时不易出错。

2. 纹理的缓存压力更小，因为金属贴图和粗糙度贴图都是灰度贴图。

1. 非导体（电介质）F0的值固定为4%，无法调整。然而，在大多是实现流程中都有控制器可以直接复写这个值，所以也不能算硬伤。

2. 白色边缘问题较明显，尤其在低分辨率的情况下问题突出。

和M/R工作流一样，镜面反射/光泽度工作流（Specular/Glossiness Workflow， 下文简称S/G Workflow）也是透过一系列通道贴图来进行定义的。这些S/G工作流独有的贴图分别是Diffuse（漫反射贴图）、Specular（镜面反射贴图）、Glossiness（光泽度贴图）。

虽然S/G工作流使用了我们比较熟悉的名词，如Diffuse和Specular，但是需要注意区分的是，这些贴图对应的真实属性和他们的传统含义并不完全一致。Substance里用的叫法是Diffuse（漫反射），但是在某些实现流程中也被叫做Albedo(反照率颜色)。

之前也提到过，非导体（电介质）的F0值、金属的反射值、反照率颜色的亮度范围，这些都是真实测量的数据。接下来当讲到每个贴图种类时，会更具体地讲述基于测量数据的贴图该如何制图。但和M/R工作流重复的内容则不再赘述，本段会更集中地比对两套工作流的差异。

正如M/R工作流中的Base Color贴图，漫反射贴图包含了反照率颜色。然而它却不包含任何反射值。

由于漫反射贴图中只包含反照率颜色（Albedo），所以那些指示原始金属的区域会被标记为黑色（0.0），因为金属不会有任何漫反射色彩（如图37）。如果金属受到了氧化或腐蚀，则该区域会带有一定的颜色，而且也不会被判定为原始金属。除此之外，污垢、上漆等在原始金属上增加了一层非导体（电介质）材质图层，在漫反射贴图中都是一样的处理。

1. 漫反射贴图中的颜色表示的是非金属的反照率颜色，而纯黑（0.0）代表的是原始金属。

2. Base Color除了微观遮蔽（Micro-occlusion）外不应该带有其他光照信息。

3. 除了表示金属的纯黑（0.0）外，暗色值最多不应该低于30 sRGB，严格上说，不应该低于50 sRGB。

4. 亮色值不应该亮过240 sRGB。

镜面反射贴图是用于定义金属反射值和非导体（电介质）F0值的贴图（如图38）。由于镜面反射贴图是RGB贴图，所以非导体材质可以赋予不同的F0值。而在M/R工作流中，非导体（电介质）的F0值是被写死的4%，而且也只能透过软件中的“Specular Level”通道来调整。正如我们在M/R工作流中提到的一样，F0值需要从真实世界的测量中获得，而这个F0值一般来说都会是比较暗的值。对于金属而言，由于不同的金属会吸收不同光的波长，所以他会反射出不同的颜色。在镜面反射贴图中，金属和非导体的F0值都被写在了RGB通道当中。

由于镜面反射贴图包含了金属和非金属的F0值，所以我们也会分别描述他们的制图规则。

原始金属的F0值应该是基于真实世界测量的数据来设定。如果金属产生了氧化或者有些覆盖层被定义为非金属时，这个金属区域的反射值就要降低。而在S/G工作流中，污垢和氧化层在漫反射贴图中的色值会变亮，而在镜面反射贴图中的色值会变低（如图39）。图39中展示了原始金属上存在污垢层，而这片污垢在镜面反射贴图中就使用了正确的非导体（电介质）F0值（在这个案例中使用了4%）。

非金属的F0值同样也被记录在镜面反射贴图中。在这里，虽然你可以自由地调整非导体（电介质）的F0值，但是务必要使用正确的值。正如我们在第一章提到的，非金属（绝缘体/非导体/电介质）是较差的电导体。由于光被折射或被吸收（或者穿透表面再次发射），所以这些材料会比金属反射的光少得多。基于折射率（IOR）的运算，大部分非导体的F0值会在2-5%左右，而宝石是一个特例。在线性空间中的换算，大部分非导体的F0值大概是0.02-0.05左右。

1. 镜面反射贴图包含了非导体（电介质）的F0值和原始金属的反射值。

2. 非导体（电介质）反射的光比金属少。普遍非导体的反射值为2-5%，在sRGB中，这个值大概在40-75之间，这个区间和0.02-0.05的线性空间范围是重叠的。

3. 普通宝石的反射值范围在0.05-0.17(线性空间)。

4. 普通液体的反射值范围在0.02-0.04（线性空间）。

5. 而原始金属的反射值则可以高达70-100%的镜面反射，映射到sRGB约为180-255 sRGB。

光泽度贴图适用于描述表面不平整度的贴图，表面不平整会造成光的散射（如图41）。在这个贴图中，纯黑(0.0)代表的是粗糙表面，而纯白(1.0)代表了平滑表面。这和M/R工作流里的粗糙度贴图是完全相反的，但是在设计侧却有着类似的制图原则。

之前我们也有提到过两个工作流中会出现的边缘效应，在M/R工作流中，由于边缘显色为白色（金属的高反射值）所以会更加明显。在S/G工作流中，漫反射贴图的中的原始金属并没有漫反射色，所以显示黑色，而这些黑色值的边缘会插入非金属的漫反射色，所以就形成了如图42所示的黑边。

再次强调，文件本身的分辨率和贴图的纹素密度对边缘效应有着直接的影响。而表面所对应的UV本身的布局和大小也会对纹素密度造成影响，原理和之前在M/R工作流中提到的是一样的，就不再赘述。

纹素密度与分辨率直接影响了S/G工作流中的黑边效应。如果希望减轻这个现象，就需要在前期保证UV展开时的布局和面积，让它能提供足够的纹素密度，来对应材质制作文档的分辨率。

1.边缘效应不会那么明显。

3.S/G工作流有些名词和传统的工作流太相似，但是实质所对应的数据可能是不一样的，因此会导致设计师容易误解或误操作。这种情况下就要求设计师有更好的PBR理论知识，例如了解非导体（电介质）的正确F0值，金属在漫反射色下表现为纯黑，以及在着色器没有自动校正情况下，能量守恒相关的基础知识。

在Substance PBR着色器中，环境光（由环境贴图生成）会和AO贴图进行叠加。AO贴图由PBR着色器中的材质采样器提供，而且并不是一个必要的贴图通道（图44）。AO贴图不应该被烘焙在材质贴图中，因为它在着色器中只会在自己独有的通道里作用。

在SP或SD里，AO贴图既可以从一个模型里烘焙出来，也可以利用内置的烘焙工具制作，或从法线贴图里进行转换。而且在SP和SD里，你都可以利用HBAO节点或者滤镜，并通过高度的输入值来生成基于水平视角的AO贴图，它的效果和光线跟踪烘焙出来的效果是非常相似的（如图45）。

高度贴图通常被用作渲染置换（Displacement）效果，它可以用作视差映射，来给纹理增加更明显的深度，而且比起法线和凹凸贴图更加真实。Substance中用的是均匀视差映射算法（Relief Mapping Parallex Algorithm）。高度同样不是一个必要的贴图通道，而且它也是由PBR着色器里的纹理采样器提供的。在SD中，你可以使用视差遮蔽（Parallax Occulusion）或者细分镶嵌式着色器（Tessellation Shader）。在SP中，则可使用置换通道（Displacement Channel）来执行视差遮蔽。

和AO贴图一样，高度贴图在SP和SD中既可以从一个模型里烘焙出来，也可以利用内置的烘焙工具从法线贴图里进行转换。在SD中可以使用节点从法线贴图里转换出高度贴图（图47）。而在SP中，你可以直接绘制高度的细节（图48）。

为了节省性能，在实时渲染器中使用高度贴图时，我们应该减少贴图中的高频细节。高度贴图设计时更倾向于呈现置换体（用于置换几何体面形态的形状）的整体轮廓。一个比较推荐的实操方式是，用模糊/精度较低的高度贴图来塑造置换体的外形，并且减低它的高频细节。然后，再用法线贴图来提供高频细节，而高度贴图只置换了整体轮廓。如果你在光线跟踪渲染器（Raytrace Renderer）里使用高度贴图实现置换效果时，高频细节就不可缺失了。

在SP或SD中，可以利用内置的烘焙工具从模型中烘焙法线贴图。在SD中，你可以利用法线点将高度转换成法线贴图（如图50）。而在SP中，你也可以直接在3D视图中直接绘制法线数据（如图51）。

在这个章节里，我们将介绍几个可以制作PBR贴图的工具，以及如何设置正确的反射值。这些工具都是对应这本指南中提到的概念和原则进行设计的。

SD中有一个支持创建PBR完整基础材质的节点，可以在Material Filter/PBR Utilities里找到（图52）。它同时支持M/R工作流与S/G工作流，并且为原始金属材质提供了通用的预设。如果你需要创建非金属材质，SD也允许用户对反照率颜色（Albedo）进行设置。对于不同的工作流，Roughness和Glossiness两个通道的控制器可能有所不同，并且伴随着一系列对应的可控制项。你可以在对应通道里使用贴图并查看其效果，如Base Color、法线或者高度贴图。

这个节点可以用作输出常见非导体材质的F0通用值（图53），它位于Material Filters/PBR Utilities中。你可以在预设中选择，也可以手动输入。这个节点有一个折射率（IOR）的输入框可供设定，它会根据这个折射率来计算F0的数值。它是专门为非导体材质所设的，并且可以在S/G工作流中使用。

金属节点可以用作输出常见原始金属的反射值，它位于SD Library的Material Filters/PBR Utilities中。同样的，你可以从预设里面选择合适的金属反射。

在M/R工作流中，这个节点用于检查Base Color和Metal Maps里的错误数值。它位于Material Filters/PBR Utilities。这个节点会输出一个从红>黄>绿的热力图，红色区域显示的就是错误的数值区，而黄色和绿色区域则是正确的。在金属贴图情况下，它会检查被贴图示意为金属的区域，在Base Color中对应的F0值是否正确（大于235 sRGB），热力图会显示哪些地方的F0范围过低。对于Albedo贴图来说，它则会验证非导体的亮度范围是否正确。

这个节点会修正Base Color和Diffuse贴图中的值（如图56所示），它会保证电介质的亮度值落在正确的范围内。这个节点位于Material Filters/PBR Utilities。

值得注意的是，Arnold 5和Redshift 2.x 目前可支持 Base Color/Metallic/Roughness工作流直出的贴图。

在M/R工作流中，这个滤镜用于检查Base Color和Metal Maps里的错误数值（如图57）。它是一个免费的滤镜，你可以在Substance Share中下载。

在SP中使用时，可以将滤镜导入到你的项目中，或者将这个滤镜直接拷贝到滤镜文件夹中常备。

举个例子，在Arnold 5中，你可以直接使用M/R工作流的输出贴图。然而在Vray材质中，你需要对M/R的输出贴图进行转换，使其生成反射贴图和1/IOR贴图。Substance Painter支持若干第三方渲染器配置（如图58），可根据后续对应的渲染器进行输出。

在创建材质的初期，当我们需要对材质进行判别时，将表面材质拆分为金属与非金属两个类目来理解会更加直观有效。从下面两个表格中，我们可以快速查阅上文提到的两套工作流的材质制作指南。

对PBR原理感兴趣的同学请回头空降噢：

《The PBR Guide Part1 - 物理现象浅析》

[8] 游戏引擎中基于物理渲染的基础部分（2）. Available from: 

https://www.bilibili.com/read/cv346602/

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