PBR:應(yīng)用于虛幻引擎UE4貼圖和材質(zhì)創(chuàng)建的啟示
PBR材質(zhì)似乎在一夜之間改變了人們對(duì)于引擎實(shí)時(shí)渲染畫(huà)面的理解。在游戲中我們也能夠體驗(yàn)到銹蝕的金屬，厚重的皮革，精細(xì)的紋理，更加真實(shí)的世界從此展現(xiàn)在眼前。從此，PBR材質(zhì)成為了“次時(shí)代”游戲必備的標(biāo)準(zhǔn)。
在GDCC2015，來(lái)自Epic Games資深開(kāi)發(fā)者支持美術(shù)設(shè)計(jì)師李文磊，為大家?guī)?lái)應(yīng)用于虛幻引擎4貼圖和材質(zhì)創(chuàng)建的啟示。
以下內(nèi)容是演講實(shí)錄:
PBR是個(gè)不老不新的話(huà)題，很早它就出現(xiàn)在預(yù)渲染的渲染器里，隨著硬件越來(lái)越快，尤其是顯卡，最近幾年逐漸的開(kāi)始應(yīng)用到實(shí)時(shí)渲染中來(lái)。
今天就和大家一起來(lái)聊聊虛幻引擎實(shí)時(shí)渲染引入PBR以后，我們?cè)趺磥?lái)正確的使用它
PBR即基于物理的渲染，渲染包括燈光，shader, 材質(zhì)， 貼圖，以及他們之前如何交互影響的，今天的演講內(nèi)容主要分三部分內(nèi)容。1.真實(shí)世界的光，材質(zhì)，以及他們之間的交互是如何的，2. UE4里是如何來(lái)模擬真實(shí)世界的，3.我們?cè)撛趺醋霾攀钦_的。
要學(xué)會(huì)使用PBR首先需要了解什么是PBR，需要從真實(shí)世界的這些PBR材質(zhì)特有的屬性拆分開(kāi)來(lái)去了解他們，這樣我們就需要了解光，物體表面材質(zhì)以及光是如何與材質(zhì)交互的。 光包括了顏色，亮度，衰減，強(qiáng)度，形狀等主要屬性，真實(shí)的世界中永遠(yuǎn)是多光源并存，除非身處于宇宙深空之中。
我們把自身能發(fā)光的物體叫做直接光源，自身不發(fā)光僅僅反彈其他光源的物體叫做非直射光源。分析下這張圖，從美術(shù)角度我們把他分成主光，輔光，裝飾光。雖然天色已晚主光還是來(lái)自于天空，天空的光線(xiàn)來(lái)自于太陽(yáng)的散射，因此主光來(lái)自于一個(gè)天空的非直射光
附光來(lái)自于路燈，大的城市照明。這些光大都數(shù)也是反彈光，而非燈泡光源直接照射到。因此前景的人物基本是在一個(gè)天光的環(huán)境下低對(duì)比低照度的燈光環(huán)境下
那么自然界中的材質(zhì)是如何跟光交互的呢？燈光照射到物體表面后兩種情況，反射或繼續(xù)前行折射。折射后的光線(xiàn)被吸收（一般轉(zhuǎn)化為熱），或離散。光線(xiàn)被吸收的行為不是發(fā)生在表面，而是次表面，或者內(nèi)部反射不會(huì)帶出任何顏色。
吸收會(huì)使光線(xiàn)強(qiáng)度降低，吸收某一光譜的光線(xiàn)，余下的光線(xiàn)顏色變化，但方向不變,離散后方向改變，強(qiáng)度不變這里對(duì)于絕緣體和導(dǎo)體，兩者與光的交互是完全不同的絕緣體，即非金屬的反射率普遍很低，一般在2%-8%左右，大部分光線(xiàn)進(jìn)行折射，折射后的光線(xiàn)或者被吸收，或者重新離散出來(lái)。這部分折射的光線(xiàn)吸收率和材質(zhì)的明度有關(guān)，暗的吸收多，亮的吸收少；離散后光線(xiàn)的顏色也取決于物體表面顏色；
對(duì)于導(dǎo)體，即金屬，反射率普遍很高，達(dá)到70%-100%，所以大部分光線(xiàn)會(huì)以鏡面反射的形式反彈回來(lái)。小部分光線(xiàn)折射后完全被吸收（光是一種粒子，被導(dǎo)體吸收），不同的金屬吸收不同波長(zhǎng)的光線(xiàn)，導(dǎo)致鏡面反射回的光線(xiàn)帶有顏色；
漫射和鏡面反射：漫射為反射光線(xiàn)方向隨機(jī)，不一致；鏡面反射為一個(gè)方向。鏡面反射會(huì)根據(jù)物體表面的粗糙程度表現(xiàn)不同結(jié)果。但無(wú)論光滑粗糙，反射的總能量是一樣的，而且光線(xiàn)反射后的強(qiáng)度不變。漫射是光線(xiàn)被折射的表現(xiàn)。光線(xiàn)從一種媒介進(jìn)入另一種媒介，并在里面經(jīng)過(guò)多次的散射后從近似入射點(diǎn)的位置返回原來(lái)的介質(zhì)中。漫射過(guò)程中除了光線(xiàn)的離散光線(xiàn)還會(huì)被吸收（轉(zhuǎn)化成熱能）。光線(xiàn)進(jìn)入介質(zhì)不深，那么進(jìn)入點(diǎn)和離開(kāi)點(diǎn)的差別就可以被忽略。那種光線(xiàn)離散性高，但吸收性弱的材質(zhì)有時(shí)指參與介質(zhì)或者叫透明材質(zhì)。比如煙，牛奶，皮膚，翡翠，大理石等。
而在更細(xì)微的層面，比如顯微鏡下，微表面就是物體表面細(xì)微的不規(guī)則。根據(jù)不同的流程可以叫粗糙度，光滑度，光澤度。表面的不規(guī)則度其實(shí)對(duì)于慢反射的影響視覺(jué)上不大，因?yàn)槁涞倪@種離散和吸收過(guò)程是發(fā)生在材質(zhì)內(nèi)部的而非表面。
微表面理論就是建立在物體表面這種細(xì)微不規(guī)則性的基礎(chǔ)上的。可以把它看作許許多多不同方向的面，這些面就叫做微表面。光線(xiàn)對(duì)于這些面對(duì)入射角都是不一樣的，反彈后的角度也不一樣，并且有的地方被擋住，有的地方會(huì)產(chǎn)生陰影，視覺(jué)上會(huì)產(chǎn)生模糊的反射
在引擎中的明暗shading計(jì)算引入了各種函數(shù)理論模型，來(lái)盡量逼近模擬自然界的物理現(xiàn)象
我們可以通過(guò)BRDF來(lái)了解UE4里面是如何模擬的。
BRDF 雙向反射分布函數(shù)（Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF）場(chǎng)景中的光照射到材質(zhì)表面反射到視點(diǎn)的光亮度計(jì)算方法函數(shù)，來(lái)定義材質(zhì)屬性。它描述了入射光線(xiàn)經(jīng)過(guò)某個(gè)表面反射后如何在各個(gè)出射方向上分布，這可以是從理想鏡面反射到漫反射
UE4 PBS中引入了各種BRDF理論模型，也可以在shader里選擇默認(rèn)模型，最終需要效率和效果的一個(gè)最佳結(jié)合點(diǎn)。
通過(guò)一些簡(jiǎn)單的參數(shù)，我們可以在引擎中用來(lái)區(qū)分不同類(lèi)型材質(zhì)的反射特性。
在UE4材質(zhì)里面，每一個(gè)input都有著各自的特性，他們的組合成為了一個(gè)個(gè)不同屬性的物理材質(zhì)。
通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的Metallic參數(shù)的調(diào)整，我們就可以輕易區(qū)分兩個(gè)完全不同的材質(zhì)。
物體表面的反光屬性也是這樣一個(gè)非常重要的參數(shù)，通過(guò)這張圖片，我們就能夠非常清晰的區(qū)分開(kāi)來(lái)。
那么如何制作一個(gè)高質(zhì)量的PBR材質(zhì)，如何選擇使用的工具，如何設(shè)置燈光呢？、
首先觀察生活中的真實(shí)物體是非常重要的環(huán)節(jié)，它能夠給你一個(gè)基本的概念，不同的材質(zhì)應(yīng)該有哪些不同的屬性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們會(huì)有一些描述性的詞語(yǔ)來(lái)清晰說(shuō)明目標(biāo)材質(zhì)的屬性（文字+圖片），描述詞匯包括
材質(zhì)類(lèi)型：鋼，塑料，鐵，玻璃，油漆
材質(zhì)明度顏色
材質(zhì)表面處理：打磨過(guò)的，拋光，磨砂
材質(zhì)環(huán)境影響細(xì)節(jié)描述： 生銹的，刮擦的，磕碰的，臟的，油膩的，油漆剝落的，積灰的，嶄新的
翻譯這些信息到UE的材質(zhì)屬性，材質(zhì)類(lèi)型的信息來(lái)區(qū)分金屬還是非金屬，材質(zhì)明度及顏色來(lái)定義BaseColor，表面處理關(guān)系到Roughness，環(huán)境影響復(fù)雜多變，牽扯到包括以上多個(gè)通道。
比如臟舊磕碰的金屬掉漆的表面：掉落油漆的部分為金屬，未掉落部分為油漆，在材質(zhì)類(lèi)型金屬性的定義里區(qū)分開(kāi)來(lái)；磕碰信息從法線(xiàn)貼圖，粗糙度貼圖；新舊又影響鏡面反射的量和連續(xù)性，又和粗糙度貼圖有關(guān)
在項(xiàng)目開(kāi)始前問(wèn)幾個(gè)問(wèn)題：
- 材質(zhì)需要共用嗎？
- 材質(zhì)的精度要求高嗎？
- 材質(zhì)需要統(tǒng)一管理迅速迭代嗎？
- 需要自定義或允許改變外觀嗎？
- 效率/內(nèi)存：材質(zhì)能夠多復(fù)雜？貼圖能夠支持多少？
- 是否需要復(fù)用？
- CG or Game?
- 需要改變貼圖嗎？
- 內(nèi)存多大？
- 客戶(hù)端大小？
- 編輯器內(nèi)還是外
- 其他問(wèn)題
通過(guò)創(chuàng)建區(qū)分材質(zhì)，將一個(gè)模型不同的區(qū)域區(qū)分開(kāi)來(lái)，區(qū)分大塊面材質(zhì)的意義在于一個(gè)物件有多種材質(zhì)，必須有區(qū)分它們的mask，方便隨時(shí)修改不同材質(zhì)區(qū)域的貼圖，提供在引擎中更換不同區(qū)域的材質(zhì)的可能性，為進(jìn)一步在表面增加細(xì)節(jié)提供區(qū)分的通道
區(qū)分材質(zhì)的信息是灰度圖，不同的區(qū)域可以放在一張RGBA貼圖的各個(gè)通道里；根據(jù)材質(zhì)的數(shù)量可以是單張或多張。
真實(shí)的世界中，每一個(gè)材質(zhì)都有許多的細(xì)節(jié)，所以接下來(lái)，為材質(zhì)添加更多的細(xì)節(jié)，比如劃痕，污漬，環(huán)境元素等，這些信息來(lái)自于模型起伏，法線(xiàn)，可以手動(dòng)選??；經(jīng)常由一些工具軟件生成，這些工具軟件可以比較只能的根據(jù)已有的模型信息判斷和生成出自然的細(xì)節(jié)。
將大塊面的材質(zhì)區(qū)分通道和細(xì)節(jié)材質(zhì)區(qū)分通道進(jìn)行混合，由于大塊面材質(zhì)區(qū)分通道和細(xì)節(jié)材質(zhì)區(qū)分通道是分離的給混合提供了更多的自由度，這種自由度表現(xiàn)在可以控制哪些細(xì)節(jié)可以出現(xiàn)或者被屏蔽在哪些區(qū)域。
現(xiàn)在在市面上可以看到大量的工具可以幫助在UE4里面完成PBR材質(zhì)的制作，在這里我們列舉出了一些主流的配套工具。
制作的過(guò)程分為三個(gè)部分，從高模和低模創(chuàng)建出NormalMap，ID Mask ，AO和Cavity。然后再上面添加必要的細(xì)節(jié)，最終導(dǎo)入U(xiǎn)E4。
在這里我們可以通過(guò)這些工具來(lái)增加細(xì)節(jié)貼圖，在引擎中合并，這樣可以讓材質(zhì)更為真實(shí)。
通過(guò)以下這些步驟，我們就能夠表現(xiàn)多層材質(zhì)
- 導(dǎo)入：主MASK, 細(xì)節(jié)MASK， NORMALMAP, AO, CAVITY
- 創(chuàng)建基本材質(zhì)，包括基本材質(zhì)中細(xì)節(jié)添加的可能性
- 創(chuàng)建母材質(zhì)，混合基本材質(zhì)
- 添加更多變化：圖案，潮濕度/多孔性
- 創(chuàng)建材質(zhì)實(shí)例
材質(zhì)貼圖都完事了？還沒(méi)結(jié)束呢。PBR的關(guān)鍵之一燈光：創(chuàng)建真實(shí)的燈光環(huán)境。 （這里不談?wù)撍囆g(shù)的燈光環(huán)境，僅追求真實(shí)）
真實(shí)的燈光包括直射光，非直射光， 并且HDR，在燈光半徑范圍內(nèi)的物體表面會(huì)被燈光直接照亮，并有高光點(diǎn)；范圍外物任何照明（包括漫射和鏡面反射）。
在真實(shí)世界中燈光理論上是沒(méi)有范圍的，雖然隨著距離增加照度降低，但始終會(huì)有影響，在鏡面反射上尤為明顯。
這種反射在UE4里需要由高動(dòng)態(tài)的環(huán)境反射貼圖來(lái)表現(xiàn)，是一種IBL的照明方式。
有了燈光的烘托，一把次時(shí)代PBR材質(zhì)的武器就正式登場(chǎng)了。
PBR材質(zhì)是未來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)，在傳統(tǒng)材質(zhì)轉(zhuǎn)換到PBR材質(zhì)的過(guò)程當(dāng)中，我們會(huì)遇到很多的挑戰(zhàn)。對(duì)于傳統(tǒng)貼圖到PBR貼圖沒(méi)有一鍵轉(zhuǎn)換的工具，因?yàn)橛行┬畔⒂?jì)算機(jī)是無(wú)法猜測(cè)出來(lái)的，還是需要主觀去判斷。目前有兩種PBR流程貼圖轉(zhuǎn)換可以使用工具。
現(xiàn)在的燈光有直射光，陰影，也有間接光，間接反射等，所以貼圖上不需要把燈光信息畫(huà)上去，只要專(zhuān)注于表達(dá)材質(zhì)屬性。我們不需要畫(huà)高光顏色（反色）來(lái)達(dá)到一個(gè)看上去是白色的；線(xiàn)性空間渲染意味著對(duì)于basecolor的明度范圍大概30-50 到180-250
能量守恒使得高光如何怎么變都不會(huì)增加或減少，就不需要手動(dòng)的來(lái)調(diào)整貼圖使得粗糙的地方高光貼圖暗，光滑的地方高光貼圖亮。這時(shí)候就需要用已有的信息或修改后生成roughness，Cavity:來(lái)定義微表面的變化。
通過(guò)這樣的調(diào)整，我們就能夠?qū)鹘y(tǒng)的材質(zhì)轉(zhuǎn)化到PBR材質(zhì)。為我們的游戲添加更好的質(zhì)感。
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