PBR物理材質在項目中的應用

呂巍

次世代歷經幾代發展，已經到了全新的時代。如果說從傳統次世代到PBR次時代，是一個全新的技術變革，從傳統模擬次時代到真正的次時代的到來。全新的算法讓次時代的表現淋漓盡致。

次時代既下一個時代，因為法線貼圖的加持，讓模型不在收到原來面數限制，通過法線貼圖可以得到大量的有效模型信息，并且不占用模型資源，不過在貼圖表現上就相對薄弱，因為傳統次世代只是在高光部分反射和變化，并不是整個表面來發生變化，這樣其實就達不到真實的物理效果，很多學生問我老師：“究竟什么叫PBR材質呢”其實很少有人知道PBR這幾個字的真正含義，其實PBR是Physicallly Based Rendering.所以它的含義就是基于物理的渲染，物理渲染其實就是符合真實世界的能量守恒原理。

那么PBR材質它的技術領先具體表現在那幾個方面呢？最基本是基于物理屬性，基于物理屬性這樣的原理就保證它在制作材質效果上的真實性，再加上能量守恒，不用擔心材質調節失去平衡，因為你的調節永遠都是在這個平衡基礎上進行調節的，保證效果不會失真，物理材質不僅能表現布料皮革還能表現金屬，熟料、陶瓷、玻璃、玉、皮膚、木材等等。之所以材質效果特別好，跟金屬度和粗糙度是分不開的，金屬度越強材質反而越暗，金屬度越弱，材質反而越亮。

PBR現在已經應用在各大游戲公司的商業項目中，其中我帶的校企合作平臺參與了《蜀山縹緲錄》、《九州》、《瑯琊榜：風起長林》等次時代項目，就是采用了新的次世代PBR技術，美術效果上有了質的飛躍，PBR在表現金屬的粗超度和光滑度可以完全做到反射真實世界中的環境，這在原來是無法做到的，那么PBR究竟是如何做到達到如此真實的效果呢？因為遵循了自然規律，基于物理的能量守叵的原理。

在實際商業項目中，制作PBR物理材質需要哪些準備嗎？主要需要三張貼圖，法線貼圖、

AO貼圖、曲率圖。法線貼圖大家對于了解次世代的并不陌生，現在最新技術不再是在3dsmax和maya中進行烘焙，而是用引擎查看器烘焙Marmoset Toolbag3進行烘焙，它烘焙好處是效果好，高效，而且節省時間。原來一張2048的AO貼圖如果用3dsmax的烘焙mental my的需要的時間大約是40分鐘到1個小時，現在用Marmoset Toolbag3烘焙的時間幾分鐘就能渲染完成AO的烘焙，并且效果還比mental my烘焙的效果要好，無論是陰影細節還是層次感都優于前者，還有一個關鍵的貼圖就是曲率圖，這張貼圖對于掌握傳統次時代的朋友們，是沒有了解過的。曲率圖的作用主要是識別模型結構而產生的，因為傳統次世代需要手繪金屬的磨損和污漬和劃痕效果，新一代PBR技術不需要手繪了，只需要曲率圖和AO就可以自動拾取磨損邊緣的效果，所以達到事半功倍的效果。

PBR物理材質的表現不僅是提高了我們進度和效果，它還有革命的改變，就是基于矢量研發，大家應該都認為傳統的矢量軟件，都有一個通病就是色彩單一，顏色簡單，無法跟位圖軟件相媲美，但是今天Substance Painter的出現改變了人們對矢量軟件的看法，即使是矢量一樣能達到復雜真實的材質效果，不受到尺寸大小的限制，例如說我們現在有一個手游項目采用的512貼圖輸出，以后我們升級做一個端游就不用重新制作，只需要選擇大尺寸的材質輸出依然比較清晰而且是高質量的，不需要重復的資源重新制作，直接輸出就可以，這樣大大提高了我們的工作效率，和研發成本。

在項目制作中規范是非常關鍵的，Substance Painter針對不同的引擎，都有著非常友好的輸出接口，只要現在市面常見的引擎和渲染器，都有輸出接口，這樣的好處就能保住在Substance Painter制作的PBR材質，無論導出到哪個引擎，輸出的效果基本上能保持一致。這為我們帶來的極大的方便。

下面我們對比來說明一下PBR材質最重要的環節，首先我們先導入簡模和AO還有法線進入Substance Pajnter軟件里，接著烘焙曲率圖這步非常關鍵，因為只有正確烘焙了曲率圖，才能制作材質磨損的細節和污漬，因此這這步在前期的準備工作是非常重要的，在制作完成了曲率圖，然后進行基本材質的制作，在制作基本材質一定注意圖層和組的概念漫反射與反射是光線在物體表面作用的最基本的兩個表現。傳統游戲的渲染系統中也把它們叫做漫反射與高光。當光線達到物體表面的時候其中的一部分將會沿著表面的垂直法線反彈向與來源光線相反的方向。這就像皮球沿一定角度砸向地面后反彈一樣。在越光滑的表面就表現的越像鏡面反射，這種現象一般本稱作表面高光（Specular）。這個詞就是來源于拉丁文的“鏡子”的發音。然而并不是所有的光線都會被反射，部分光線將進入被照射物體的內部。這部分光線一部分被物體吸收轉換為熱能，另一部分則會在物體內部發生散射，最終離開物體被人眼和攝像機捕獲到。這一現象被叫做“漫反射”與“子表面散射”。其中子表面散射（Sub Surface Scattering），經常能看到SSS效果就是這部分光線進過散射后從物體另一邊射出的現象。

PBR有兩種工作流，一種是基于金屬的，一種是基于鏡面反射的，對應的Unity引用Enlighten光照引擎之后，帶來的兩種新的Shader，Standard和Standard（Specular Setup）2）金屬工作流：不易出錯，省內存。另一種就是Specular工作流：為何鏡面反射工作流容易出錯呢，因為Specular包含了全部的絕緣體F0信息，1.0的Diffuse和1.0的Specular將會使得反射折射能量大于輸入能量，這違背了能量守恒定律。也就是說在繪制貼圖時，你無法預覽結果，而且容易調的喪失材質基本屬性。

所以絕大數項目還是采用了金屬流的工作方式，首先是在sP里進行基礎材質的烘焙例如之前提到曲率，還需要烘焙方位圖還世界坐標貼圖和厚度圖，只有這樣制作的物理材質才會更加真實更加有效，接下來的工作就是特別的有趣的過程，了解渲染的朋友肯定了解調節材質球，那么我們新一代的PBR就是把材質球刷在貼圖上，而且是實時顯示在我們貼圖的反射效果，不僅是提高了我們的效率，最關鍵達到渲染器電影級別的材質，制作是如此的輕松快捷，做好了前面的準備，接下來我們通過拖拽材質Material，來得到基本的物理材質球屬性，通過調節金屬度來體現不同金屬屬性下材質效果，當金屬度是0的時候，金屬的反射強度最弱，相反金屬度為1的時候，金屬是最強的。粗糙度確實恰恰相反，在粗糙度是0的時候反而是鏡面完全通透的鏡面反射，在0.3左右的時候是類似渲染里面的反射模糊效果，就好像亞光的金屬，粗糙度是1的時候幾乎沒有任何的反射，也就是說即使調節了金屬度是1也是一點金屬反射沒有的，這也說明了金屬度和粗糙度就像兩個兄弟誰也離不開誰，相互制約，相互影響。

在Substance Painter制作PBR貼圖不再像傳統次時代，制作凹凸貼圖時候需要固有色做一遍，法線做一遍，現在只需要在固有色上做好凹凸紋理，輸出的時候自然就有了，凹凸的效果，不僅是發現貼圖上有，高光貼圖上也有，極大提高了我們的制作效率和效果，而且還能保證效果的一致.

PBR物理材質不僅是代表了最新次時代技術，也是將游戲美術帶入了一個全新的高度，物理即反應了真實的世界，讓大家更加容易沉浸在虛擬的游戲美術世界，這將是一次具重大意義的變革，也希望PBR物理材質技術能給我們帶來更多的驚喜！