PBR物理材質(zhì)在項(xiàng)目中的應(yīng)用

呂巍

次世代歷經(jīng)幾代發(fā)展，已經(jīng)到了全新的時(shí)代。如果說從傳統(tǒng)次世代到PBR次時(shí)代，是一個(gè)全新的技術(shù)變革，從傳統(tǒng)模擬次時(shí)代到真正的次時(shí)代的到來。全新的算法讓次時(shí)代的表現(xiàn)淋漓盡致。

次時(shí)代既下一個(gè)時(shí)代，因?yàn)榉ň€貼圖的加持，讓模型不在收到原來面數(shù)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(xiàn)上就相對(duì)薄弱，因?yàn)閭鹘y(tǒng)次世代只是在高光部分反射和變化，并不是整個(gè)表面來發(fā)生變化，這樣其實(shí)就達(dá)不到真實(shí)的物理效果，很多學(xué)生問我老師：“究竟什么叫PBR材質(zhì)呢”其實(shí)很少有人知道PBR這幾個(gè)字的真正含義，其實(shí)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(shí)就是符合真實(shí)世界的能量守恒原理。

那么PBR材質(zhì)它的技術(shù)領(lǐng)先具體表現(xiàn)在那幾個(gè)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(zhì)效果上的真實(shí)性，再加上能量守恒，不用擔(dān)心材質(zhì)調(diào)節(jié)失去平衡，因?yàn)槟愕恼{(diào)節(jié)永遠(yuǎn)都是在這個(gè)平衡基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)節(jié)的，保證效果不會(huì)失真，物理材質(zhì)不僅能表現(xiàn)布料皮革還能表現(xiàn)金屬，熟料、陶瓷、玻璃、玉、皮膚、木材等等。之所以材質(zhì)效果特別好，跟金屬度和粗糙度是分不開的，金屬度越強(qiáng)材質(zhì)反而越暗，金屬度越弱，材質(zhì)反而越亮。

PBR現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用在各大游戲公司的商業(yè)項(xiàng)目中，其中我?guī)У男Ｆ蠛献髌脚_(tái)參與了《蜀山縹緲錄》、《九州》、《瑯琊榜：風(fēng)起長(zhǎng)林》等次時(shí)代項(xiàng)目，就是采用了新的次世代PBR技術(shù)，美術(shù)效果上有了質(zhì)的飛躍，PBR在表現(xiàn)金屬的粗超度和光滑度可以完全做到反射真實(shí)世界中的環(huán)境，這在原來是無法做到的，那么PBR究竟是如何做到達(dá)到如此真實(shí)的效果呢？因?yàn)樽裱俗匀灰?guī)律，基于物理的能量守叵的原理。

在實(shí)際商業(yè)項(xiàng)目中，制作PBR物理材質(zhì)需要哪些準(zhǔn)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(duì)于了解次世代的并不陌生，現(xiàn)在最新技術(shù)不再是在3dsmax和maya中進(jìn)行烘焙，而是用引擎查看器烘焙Marmoset Toolbag3進(jìn)行烘焙，它烘焙好處是效果好，高效，而且節(jié)省時(shí)間。原來一張2048的AO貼圖如果用3dsmax的烘焙mental my的需要的時(shí)間大約是40分鐘到1個(gè)小時(shí)，現(xiàn)在用Marmoset Toolbag3烘焙的時(shí)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(xì)節(jié)還是層次感都優(yōu)于前者，還有一個(gè)關(guān)鍵的貼圖就是曲率圖，這張貼圖對(duì)于掌握傳統(tǒng)次時(shí)代的朋友們，是沒有了解過的。曲率圖的作用主要是識(shí)別模型結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)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(shù)不需要手繪了，只需要曲率圖和AO就可以自動(dòng)拾取磨損邊緣的效果，所以達(dá)到事半功倍的效果。

PBR物理材質(zhì)的表現(xiàn)不僅是提高了我們進(jìn)度和效果，它還有革命的改變，就是基于矢量研發(fā)，大家應(yīng)該都認(rèn)為傳統(tǒng)的矢量軟件，都有一個(gè)通病就是色彩單一，顏色簡(jiǎn)單，無法跟位圖軟件相媲美，但是今天Substance Painter的出現(xiàn)改變了人們對(duì)矢量軟件的看法，即使是矢量一樣能達(dá)到復(fù)雜真實(shí)的材質(zhì)效果，不受到尺寸大小的限制，例如說我們現(xiàn)在有一個(gè)手游項(xiàng)目采用的512貼圖輸出，以后我們升級(jí)做一個(gè)端游就不用重新制作，只需要選擇大尺寸的材質(zhì)輸出依然比較清晰而且是高質(zhì)量的，不需要重復(fù)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(fā)成本。

在項(xiàng)目制作中規(guī)范是非常關(guān)鍵的，Substance Painter針對(duì)不同的引擎，都有著非常友好的輸出接口，只要現(xiàn)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(zhì)，無論導(dǎo)出到哪個(gè)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(duì)比來說明一下PBR材質(zhì)最重要的環(huán)節(jié)，首先我們先導(dǎo)入簡(jiǎn)模和AO還有法線進(jìn)入Substance Pajnter軟件里，接著烘焙曲率圖這步非常關(guān)鍵，因?yàn)橹挥姓_烘焙了曲率圖，才能制作材質(zhì)磨損的細(xì)節(jié)和污漬，因此這這步在前期的準(zhǔn)備工作是非常重要的，在制作完成了曲率圖，然后進(jìn)行基本材質(zhì)的制作，在制作基本材質(zhì)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(gè)表現(xiàn)。傳統(tǒng)游戲的渲染系統(tǒng)中也把它們叫做漫反射與高光。當(dāng)光線達(dá)到物體表面的時(shí)候其中的一部分將會(huì)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(xiàn)的越像鏡面反射，這種現(xiàn)象一般本稱作表面高光（Specular）。這個(gè)詞就是來源于拉丁文的“鏡子”的發(fā)音。然而并不是所有的光線都會(huì)被反射，部分光線將進(jìn)入被照射物體的內(nèi)部。這部分光線一部分被物體吸收轉(zhuǎn)換為熱能，另一部分則會(huì)在物體內(nèi)部發(fā)生散射，最終離開物體被人眼和攝像機(jī)捕獲到。這一現(xiàn)象被叫做“漫反射”與“子表面散射”。其中子表面散射（Sub Surface Scattering），經(jīng)常能看到SSS效果就是這部分光線進(jìn)過散射后從物體另一邊射出的現(xiàn)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(duì)應(yīng)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(cuò)，省內(nèi)存。另一種就是Specular工作流：為何鏡面反射工作流容易出錯(cuò)呢，因?yàn)镾pecular包含了全部的絕緣體F0信息，1.0的Diffuse和1.0的Specular將會(huì)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(shí)，你無法預(yù)覽結(jié)果，而且容易調(diào)的喪失材質(zhì)基本屬性。

所以絕大數(shù)項(xiàng)目還是采用了金屬流的工作方式，首先是在sP里進(jìn)行基礎(chǔ)材質(zhì)的烘焙例如之前提到曲率，還需要烘焙方位圖還世界坐標(biāo)貼圖和厚度圖，只有這樣制作的物理材質(zhì)才會(huì)更加真實(shí)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(diào)節(jié)材質(zhì)球，那么我們新一代的PBR就是把材質(zhì)球刷在貼圖上，而且是實(shí)時(shí)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(guān)鍵達(dá)到渲染器電影級(jí)別的材質(zhì)，制作是如此的輕松快捷，做好了前面的準(zhǔn)備，接下來我們通過拖拽材質(zhì)Material，來得到基本的物理材質(zhì)球?qū)傩?，通過調(diào)節(jié)金屬度來體現(xiàn)不同金屬屬性下材質(zhì)效果，當(dāng)金屬度是0的時(shí)候，金屬的反射強(qiáng)度最弱，相反金屬度為1的時(shí)候，金屬是最強(qiáng)的。粗糙度確實(shí)恰恰相反，在粗糙度是0的時(shí)候反而是鏡面完全通透的鏡面反射，在0.3左右的時(shí)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(shí)候幾乎沒有任何的反射，也就是說即使調(diào)節(jié)了金屬度是1也是一點(diǎn)金屬反射沒有的，這也說明了金屬度和粗糙度就像兩個(gè)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(tǒng)次時(shí)代，制作凹凸貼圖時(shí)候需要固有色做一遍，法線做一遍，現(xiàn)在只需要在固有色上做好凹凸紋理，輸出的時(shí)候自然就有了，凹凸的效果，不僅是發(fā)現(xiàn)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(zhì)不僅是代表了最新次時(shí)代技術(shù)，也是將游戲美術(shù)帶入了一個(gè)全新的高度，物理即反應(yīng)了真實(shí)的世界，讓大家更加容易沉浸在虛擬的游戲美術(shù)世界，這將是一次具重大意義的變革，也希望PBR物理材質(zhì)技術(shù)能給我們帶來更多的驚喜！