本文是筆者在學(xué)習(xí)PBR理論中的一些心得，并試圖以結(jié)合Substance系列軟件為例洽损，從使用（實(shí)用）層面介紹PBR理論庞溜。
PBR的定義：
PBR全稱是基于物理的渲染（Physically Based Rendering ），它是一套先進(jìn)的渲染方案，能使物體對(duì)于光線做出精確的反應(yīng)流码。從使用層面上來(lái)看又官，PBR是為了材質(zhì)更加接近真實(shí)，至于表現(xiàn)PBR的過(guò)程及相關(guān)的Shader漫试，我們不需要去了解六敬，你可以把它認(rèn)為是一個(gè)引擎，或者是一個(gè)黑盒驾荣，我們需要做的只是提供數(shù)據(jù)（即貼圖）外构。
PBR與實(shí)時(shí)渲染
可以說(shuō)PBR是為實(shí)時(shí)渲染服務(wù)的。傳統(tǒng)貼圖流程基于烘焙播掷，在建模軟件中設(shè)定燈光及環(huán)境审编，烘焙出彼時(shí)環(huán)境對(duì)物體的影響，特殊情況還會(huì)烘焙上一些陰影歧匈。那么在游戲引擎中垒酬，環(huán)境光照一旦變化，物體一旦移動(dòng)眯亦，必然會(huì)穿幫伤溉。而PBR則只關(guān)心物體的物理屬性般码，一旦給定了數(shù)據(jù)妻率，則無(wú)論在任何光照條件下都能正確反映物體本來(lái)的樣子。就像上帝造物一樣板祝，他只關(guān)心物宫静，而不需要考慮光照，物造好了券时，無(wú)論是白天黑夜陰天晴天孤里，物體都能對(duì)光線做出正確的表現(xiàn)。如下圖橘洞，這是一個(gè)典型的使用PBR材質(zhì)的模型捌袜，當(dāng)在不同的光照環(huán)境下，它都能正確對(duì)光線做出反應(yīng)炸枣，重要的是虏等，這里只需要做一種材質(zhì)而不是四種。
從PS中的RGB通道看PBR
我們來(lái)看一下PS中的通道适肠。
如上圖霍衫，默認(rèn)情況下，可以查看一張圖片的紅綠藍(lán)三個(gè)通道侯养，選擇任意一個(gè)通道敦跌，相對(duì)應(yīng)顯示該圖片的一張灰度圖，那么這里的通道就是顯示了這張圖片每個(gè)點(diǎn)上擁有的顏色信息值逛揩。根據(jù)顏色理論柠傍，某一點(diǎn)的顏色麸俘，就是紅綠藍(lán)三色的混合程度，那么這三張“貼圖”混合惧笛，就成了最終的“彩色”圖片疾掰。
這跟PBR通道有什么關(guān)系呢？你可以把PBR的通道看做是維度的擴(kuò)展徐紧，如果PS的通道是太陽(yáng)静檬、地球、火星組成的太陽(yáng)系并级，那么在PBR維度拂檩，太陽(yáng)系和其它星系就組成了銀河系。在PBR的通道里嘲碧，顏色只是其中一個(gè)通道稻励，其它的還有Normal通道提供表面凹凸信息，Metallic通道提供是否金屬信息愈涩，Roughness通道提供光澤度信息望抽，其它通道若干。由此可見：
一切貼圖都是數(shù)據(jù)
PBR用到的貼圖履婉，用來(lái)描述不同的物理屬性煤篙，類似人的幾大系統(tǒng)，比如消化系統(tǒng)毁腿、呼吸系統(tǒng)辑奈、神經(jīng)系統(tǒng)等，那么PBR的各種系統(tǒng)已烤，也可以表現(xiàn)為通道鸠窗。簡(jiǎn)單介紹一下PBR的幾個(gè)比較重要的“通道”：
- 顏色貼圖：描述物體某個(gè)位置的顏色；
- 法線貼圖：描述物體某個(gè)位置的凹凸胯究；
- Roughness貼圖：描述物體某個(gè)位置的粗糙程度稍计，注意，表現(xiàn)細(xì)節(jié)的劃痕裕循、污漬臣嚣、指紋等，就是不同外形的粗糙程度的不同费韭；
- Metallic貼圖：描述物體某個(gè)位置是否為金屬茧球；
那么這些貼圖如何反映到3D模型上呢？這就需要UV的幫助：
UV是PBR貼圖從2D映射到3D的橋梁
UV的展開方法星持，已經(jīng)存在著很多解說(shuō)了抢埋，比較形象的解釋是類似于講一個(gè)紙盒剪開，使其平整在桌面上。UV存在的意義揪垄，就是告訴渲染引擎穷吮，如何將一張2D貼圖上的數(shù)據(jù)映射到3D模型上，過(guò)程就像將一張貼圖包裹在模型上饥努，而如何去包裹會(huì)有65536中包法捡鱼，所以這時(shí)候就需要UV告訴引擎，如何將貼圖按照我們想要的方式包住模型酷愧。做PBR貼圖驾诈，模型方面繞不開展UV。那什么情況下不需要展UV呢溶浴？就是模型沒有任何物理區(qū)別需要展現(xiàn)的情況乍迄，打個(gè)比方，浴缸士败，一個(gè)新浴缸——表面光滑闯两、顏色單一、整體光澤度一致谅将，這時(shí)候可以不用展UV漾狼。但是，如果要在浴缸的某個(gè)地方有寫實(shí)的需求饥臂，比如年歲長(zhǎng)一點(diǎn)逊躁，有了水垢，或者有掌紋擅笔、手印志衣，這時(shí)候就必須要展UV了屯援。
PBR與Substance系軟件
Substance系列軟件是典型的基于PBR理論的材質(zhì)制作軟件猛们。掌握這兩個(gè)軟件的核心就是通過(guò)PBR理論或者思想去使用它們。這里不再介紹兩個(gè)軟件的界面狞洋，單就軟件如何體現(xiàn)PBR思想來(lái)介紹一下弯淘，總體來(lái)說(shuō)：
- Substance Designer（以下簡(jiǎn)稱SD）中通過(guò)輸出節(jié)點(diǎn)來(lái)對(duì)PBR的各項(xiàng)物理屬性進(jìn)行構(gòu)建。
- Substance Painter（以下簡(jiǎn)稱SP）中使用通道的概念對(duì)PBR的各項(xiàng)物理屬性進(jìn)行構(gòu)建吉懊；
Substance Painter中體現(xiàn)PBR理論的地方：
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材質(zhì)屬性面板：
Substance Painter的材質(zhì)屬性
如上圖庐橙，區(qū)別于PS的筆刷，SP中不只可以畫顏色借嗽，一筆畫下去态鳖，顏色、高度恶导、粗糙度浆竭、金屬、法線都有了，你可以選擇關(guān)掉上面的任意一個(gè)開關(guān)邦泄，即不繪制相應(yīng)的物理屬性删窒。
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圖層面板：
SP圖層面板
如上圖，下拉列表即材質(zhì)的物理屬性顺囊，可以選擇相應(yīng)的通道肌索，通過(guò)圖層右邊可以調(diào)節(jié)當(dāng)前物理屬性的影響程度以及與其它圖層的混合模式，如果你會(huì)點(diǎn)PS特碳，這就很容易理解了诚亚。
Substance Deisnger中體現(xiàn)PBR理論的地方：
Substance Designer中每當(dāng)新建一個(gè)材質(zhì)，就會(huì)給出如下圖的幾個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)午乓，輸出節(jié)點(diǎn)越多亡电，描述的物理屬性越多：
近距離查看：
所以，在SD里硅瞧，構(gòu)建材質(zhì)的過(guò)程份乒，就是構(gòu)建這幾個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的過(guò)程。
灰度圖在各通道的意義
某些通道腕唧，如Roughness或辖、Height、Metallic使用灰度圖提供數(shù)據(jù)枣接，灰度使用0到255這256個(gè)層級(jí)表示其程度颂暇，不同的通道，灰度數(shù)值代表的意義不同但惶。
- Roughness通道：數(shù)值越大耳鸯，代表此處數(shù)據(jù)量越多，即此處越粗糙膀曾，數(shù)值越低县爬，數(shù)據(jù)量越少，即此處越光滑添谊。
- Height通道：數(shù)值越大财喳，此處越高，數(shù)值越小斩狱，此處越低耳高。
- Metallic：只有0和255兩個(gè)數(shù)值，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)世界沒有既是金屬也是非金屬的物質(zhì)所踊，0代表非金屬泌枪，255代表金屬，有些地方也會(huì)用0或1表示秕岛。
為什么說(shuō)Roughness是表現(xiàn)細(xì)節(jié)的關(guān)鍵
拋開建模不談碌燕，因?yàn)槟承┘?xì)節(jié)可以通過(guò)建模來(lái)實(shí)現(xiàn)的乍赫，比如表面裂痕、并不平直的直線陆蟆、并不平坦的表面雷厂。邊緣磨損、污漬叠殷、劃痕改鲫，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)都是Roughness程度的不同所表現(xiàn)出來(lái)的，比如沒有擦干凈的鏡子林束，生銹的水龍頭像棘，有掌紋的杯子等。所以細(xì)節(jié)的打造壶冒，無(wú)論是在SP還是SD中缕题，都要將注意力重點(diǎn)放在Roughness貼圖的制作上來(lái)。
PBR與VR的交集——現(xiàn)實(shí)（真實(shí)）
除去如低多邊形卡通藝術(shù)化的場(chǎng)景胖腾，決定VR場(chǎng)景品質(zhì)的關(guān)鍵是真實(shí)烟零，也是VR體驗(yàn)的第一印象。且不說(shuō)PC端良莠不齊的貼圖品質(zhì)咸作，如果只是將PC端的模型原樣搬到VR中而不對(duì)材質(zhì)做PBR加工的話锨阿，給人帶來(lái)的震撼僅限于簡(jiǎn)單臨在體驗(yàn)，而不是沉浸记罚。
如何練習(xí)
鑒于PBR的宗旨是表現(xiàn)真實(shí)墅诡，平日里可以注意觀察周圍的環(huán)境，用PBR思維來(lái)分析看到的事物桐智，使用顏色末早、法線、Roughness幾個(gè)維度來(lái)分析说庭，比如鋪了瓷磚的地面然磷，公交車上的把手，路邊磨損的欄桿口渔。在制作過(guò)程中样屠，也可以搜索真實(shí)物體的照片進(jìn)行比對(duì)，觀察是什么細(xì)節(jié)決定了這個(gè)物體的真實(shí)缺脉。
總結(jié)：
PBR流程及其相關(guān)軟件如Substance，正在逐漸成為CG行業(yè)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)悦穿。如果你是團(tuán)隊(duì)攻礼，建議引入PBR工作流程，因?yàn)檫@是一套高效省時(shí)的工作流程栗柒，它可以更好的做人員分工礁扮，減少返工的時(shí)間成本知举，并且給項(xiàng)目品質(zhì)帶來(lái)提升；如果你是個(gè)人太伊，建議早日學(xué)習(xí)PBR工作流程雇锡，因?yàn)樵絹?lái)越多的團(tuán)隊(duì)在使用這套流程。
這就是一個(gè)跨界程序員眼里的PBR理論僚焦，希望對(duì)你有所幫助锰提。
參考文檔：
