前段時(shí)間研究車漆，話說電影《老炮》里被劃傷的恩佐補(bǔ)漆要了六爺10萬，觀眾的第一反應(yīng)都是我去這么貴，富二代你敲詐吧！但是貴嗎？想想真不貴，估計(jì)還不止！親身經(jīng)歷補(bǔ)漆的時(shí)候，聽四愛思店小哥吐槽調(diào)漆噴漆有多麻煩，色差稍有不對就是一扇門白一扇門灰，好車做漆那都是全車一起做。更何況炭纖維車身的恩佐，重新走一次噴烤磨收才收10萬，良心富二代??！

真實(shí)車漆

按照傳統(tǒng) Diffuse+Spec 的 Shading 著色模式，稍微加點(diǎn) Mix 屬性，你用任何3D 軟件，都大概能得出這么個(gè)效果：

眨眼一看真不錯，要是在學(xué)校這個(gè)當(dāng)作業(yè)肯定拿高分了。不過如果把這個(gè)效果貼到論壇，你會發(fā)現(xiàn)大部分的反饋無外乎是『嘖嘖效果不錯，可就是反光太強(qiáng)，過爆了』『 真棒！但和真實(shí)的車漆效果總有點(diǎn)哪里不一樣呢？』。不錯，這是一個(gè)很棒的3D 效果，但現(xiàn)在大眾對 CG 效果的審美已不再是簡單的渲染效果，而是被主流電影和特效帶入到了一個(gè)非照片真實(shí)感不贊的階段。你能做出這個(gè)效果，基本上可以說對材質(zhì)的理解很到位了，可怎么在這個(gè)基礎(chǔ)上做點(diǎn)提高呢？我們再看個(gè)別人做的車：

仔細(xì)對比下是不是可以發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)區(qū)別：

• 別人的車在邊緣處有光線的環(huán)境光細(xì)節(jié)，例如車頂和地盤區(qū)域。
• 別人的車在高光位置存在兩種邊緣效果，遠(yuǎn)景面光源處是柔光漸變，近景反射處是硬線條的高光感。
• 別人的車在材質(zhì)通透感上更富有層次，紅色和淡淡的橙色在不同區(qū)域的漸變效果不一樣。

好吧，原來別人的車是有這么多細(xì)節(jié)的！看來我們有必要研究下真實(shí)世界的車漆是如何構(gòu)成的。

真實(shí)世界車漆

下面這張圖是一個(gè)工藝范例：

在車身鋼板之上，有電泳層、中涂層、色漆層和清漆層四個(gè)漆層組成，這四個(gè)漆層共同構(gòu)成了我們目視所得的車漆層，如果你車要是被刮花了得補(bǔ)，修補(bǔ)的車漆僅相當(dāng)于部分中涂層+色漆層+清漆層。每一個(gè)漆層的作用大致如下：

• 電泳層：直接附著在白車身上，對車身有防腐保護(hù)，并為中涂層提供良好的附著環(huán)境。
• 中涂層：附著在電泳層上，防紫外線，保護(hù)電泳層，并加強(qiáng)車身的防腐保護(hù)，為色漆層提供良好的附著環(huán)境，部分廠商的中涂層也能對色漆的色相起一定的襯托作用。
• 色漆層：附著在中涂層，進(jìn)一步加強(qiáng)車身的防腐保護(hù)，并展示色相，我們看到的各種顏色就是色漆層展示出來的。
• 清漆層：附著在色漆層，更一步加強(qiáng)車身的防腐保護(hù)，并保護(hù)色漆層不受微小的刮擦，使顏色更透亮，減緩?fù)噬F(xiàn)象。

所以在車漆制作過程中，噴完漆都要用烤的，讓車漆快速烘干的同時(shí)，還能增加下一層漆的附著力。如果采用的是油性漆或水性漆，烘焙工藝和順序也會不一樣。那么，如果你的車要是被刮到了這個(gè)份上：

劃痕深到了底漆，補(bǔ)漆的時(shí)候就一定會出現(xiàn)色差或者厚度不均的情況，甚至顆粒度都有不勻產(chǎn)生橘皮效果的。這事你還真不能怪修車師傅打磨不用心，或者嫌賺的錢不夠手上勁就松了點(diǎn)之類，而是這種涂層由于沒有重新走從電泳就進(jìn)烤房的流程，瑕疵難免的。

恩，歪樓了，我其實(shí)想說的是，開車一定要注意，平時(shí)也要多多保養(yǎng)不要任憑鳥屎粘在上面還放太陽下面烤，原廠漆弄壞了真可惜，恩佐的補(bǔ)漆費(fèi)用這么一合計(jì)（算賬一定要算上國內(nèi)支持該車的設(shè)備成本和對應(yīng)工時(shí)費(fèi)），是不是你也覺得這富二代可真沒訛詐六爺了吧！

好吧，我真實(shí)想說的是，車漆的視覺表現(xiàn)是由其物理特性來決定的，他不是我們普通看到的石頭或者陶瓷，表面的反射和折射等光學(xué)效果如此單純，他在不同環(huán)境和光線下表現(xiàn)的層次和色彩都會不一樣。也正因?yàn)槿绱耍覀兊难劬ζ綍r(shí)看慣了大街上的汽車，即使我們不知道為什么效果是這樣，但也能第一時(shí)間感覺出我們用傳統(tǒng)手段制作出的車漆不夠真實(shí)。

那么車漆大致分為幾種效果呢，簡單分類如下：

• 普通漆（素色漆）：合成材質(zhì)包括樹脂、顏料和添加劑。最常見的顏色有白色、大紅色和黃色。一般便宜的五菱宏光這些都是采用這類漆，色彩很純，沒有其他的層次感。
• 金屬漆：在素色漆中加有細(xì)微金屬粒子的一種涂料，還能增加車漆硬度，是目前流行的一種車漆。最常見的是加有微細(xì)的鋁粉，光線射到鋁粒上后，又被鋁粒透過漆膜反射出來，亮晶晶的。
• 珠光漆：加入了云母粒，于是他的反光的方向性導(dǎo)致了色彩斑斕的視覺效果。它的抗氧化能力強(qiáng)，一般多出現(xiàn)在高端車型上。但是珠光漆修補(bǔ)比較麻煩，費(fèi)用也相對較高一些。

現(xiàn)在市面上還有一些后端技術(shù)來調(diào)整漆面效果，例如封釉鍍膜鍍晶，但都是起保護(hù)作用為主，對視覺影響較小。改裝車的話一般會用到啞光漆，或者其他無限騷包效果的花樣貼膜，另外還有特種車輛例如軍車（量產(chǎn)方式）是必須亞光不能有反光，這里都不單獨(dú)討論了。

了解如此，我們大致可以對車漆效果有了一定概念定位，要做什么材質(zhì)的效果就可以按照其生產(chǎn)原理設(shè)計(jì)材質(zhì)了。

CG 車漆

但是，我們在一些廣告片或海報(bào)中，又會發(fā)現(xiàn)另外一個(gè)問題，那就是同一輛車在工作室燈光模式下和戶外模式下的效果又不一樣，例如下圖對比：

這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的戶外光影車漆效果，其光源采用的是環(huán)境光，對應(yīng)3D 制作就是 HDR 照明模式。其表面車漆效果和前面的麥克昆基本一致，具備了和環(huán)境光線產(chǎn)生交互影響的細(xì)節(jié)，邊緣明亮，特別是高光線條，動感十足。

這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)拍攝片，其光影采用的是面光源等輪廓照明方式，沿著車身的位置做區(qū)域性打光，光線邊緣柔軟，車漆本色和高光過渡平緩，而有大幅度轉(zhuǎn)折的位置才會出現(xiàn)明顯的高光線條，目的是突出車身的造型細(xì)節(jié)。例如門上的一個(gè)凹槽輪廓，在這種角度光下可以看到明顯的輪廓線，這在上面的那個(gè)效果圖中是看不出來的。

那么打開 Blender 吧，我們按照剛才的思路，以分層的方式添加車漆效果，大致節(jié)奏如下圖：

設(shè)置一個(gè)基礎(chǔ)場景，利用反光板作為打光設(shè)置，我喜歡紅色，改下，效果如下：

可以看到，按照真實(shí)車漆的制作，其實(shí)在反光板下會呈現(xiàn)出邊緣明晰的高光效果，這其實(shí)是環(huán)境光效果下期望的效果，當(dāng)然如果里覺得這個(gè)效果復(fù)核你的需求，也是可以的?？墒沁@就和上面白色奔馳車的室內(nèi)效果圖略有區(qū)別，因此要想獲得不一樣的效果，不得不去修改材質(zhì)。當(dāng)然，不浪費(fèi)這個(gè)材質(zhì)，我將環(huán)境光設(shè)置為 HRR 照明模式，如下圖所示。

可以看到，光線的包圍感更強(qiáng)，線條和光線層次很清晰，完全符合對一張效果圖的制作需求。

對比發(fā)現(xiàn)，如果要制作的場景不同，那么在光線設(shè)計(jì)上會有不一樣的思路和方法。而我們的材質(zhì)展示是否會因此受到影響呢？畢竟光線和材質(zhì)在不同場景中已經(jīng)出現(xiàn)多對多的情況。根據(jù)上面測試，我不得不制作兩套材質(zhì)，放在不同環(huán)境光照和片面光照下，分別獲得了希望得到的效果，效果如下：

從上圖可以看到，如果不分別調(diào)整材質(zhì)，還真難獲得對應(yīng)的效果，而這兩個(gè)材質(zhì)的區(qū)別，也在于對菲涅爾和反光等屬性的調(diào)整。那么問題也來了，是否可以有一種方法，讓材質(zhì)設(shè)計(jì)變得更簡單，我只考慮其物理屬性，不需要根據(jù)不同燈光設(shè)計(jì)甚至環(huán)境去做獨(dú)立的設(shè)置呢？這樣是否可以大大減少去應(yīng)對不同場景下材質(zhì)重復(fù)設(shè)計(jì)的壓力，特別是游戲和動畫等需要各種轉(zhuǎn)場的案例。最近這段時(shí)間里，我一邊嘗試一邊試圖找尋答案，最后我發(fā)現(xiàn)了 PBR （Physically Based Rendering /基于物理的渲染）技術(shù)！

什么是 PBR？

其實(shí)不是一項(xiàng)特別新的技術(shù)，我搜索了下歷史，大概2010年就在 Siggraph 會議上被提出了技術(shù)原型。最近隨著游戲越來越多地使用3A 技術(shù)以及次時(shí)代制作手段去呈現(xiàn) CG 級游戲畫面，手游引擎 Unity5也完全支持 PBR，影視動畫公司在為優(yōu)化視覺效果的同時(shí)，嘗試借助該技術(shù)去降低勞動壓力，所以當(dāng)皮克斯宣布為了 PBR 體系去修改了 Renderman 的架構(gòu)時(shí)，PBR 在主流圈中逐漸火了起來。

PBR 不是僅針對材質(zhì)，他其實(shí)是一個(gè)系統(tǒng)性渲染流程，包含了光線、材質(zhì)、紋理、色彩管理等。在這個(gè)體系當(dāng)中，無論是經(jīng)由物理化材質(zhì)實(shí)現(xiàn)的光照、陰影或者色彩變化，還是物體表面的材質(zhì)特征都將會有非常大的提升。

PBR 看似如此復(fù)雜的技術(shù)，但背后的原則卻很簡單，就兩條：

1. 光線能量守恒定律。
2. 菲涅爾效果無處不在。

光線能量守恒

物理上大家都了解能量守恒定律，這里我們用同樣概念來理解光線。Specular 高光反射光與 Diffuse 漫反射光其實(shí)是相互排斥的，有你沒我的感覺，因?yàn)殡x開表面的光總量不能比其接受的入射光強(qiáng)，兩者的綜合值加起來不能超過1，這意味著，如果你的希望材質(zhì)有較高的高光反射效果（高反射率），就需要要去降低漫反射，能量守恒是 PBR 的一個(gè)重要的指導(dǎo)思想，可以讓系統(tǒng)計(jì)算光線效果時(shí)，不會違法物理定律。

上面這個(gè)圖表現(xiàn)的，就是對于同一個(gè)材質(zhì)，在100%的漫反射到100%的鏡面反射轉(zhuǎn)化過程中，光線總量是不會變化的。而我們的視覺路徑大致是這樣的：

其實(shí)任何物體都會對光線有吸收，稱之為平面散射，光線在接觸物體后會分為兩部分繼續(xù)前進(jìn)：進(jìn)入物體表面的部分（折射，在物體內(nèi)部傳播中被吸收或散射），從表面出去進(jìn)入人眼（反射）。

但因?yàn)槲矬w的表面材質(zhì)不同，表面光線的方向變化也會有區(qū)別。平滑的表面偏移比較輕微，從而反射光的方向變化也較小，有了較清晰的反射，如上面圖效果。而下面的表面粗糙，表面方向的變化范圍也較廣泛，反射光的方向變化也比較大，出現(xiàn)了模糊的反射。通常我們在材質(zhì)中會用 Roughness 參數(shù)來控制，有時(shí)俗稱這是在添加磨砂效果。

這里還有一點(diǎn)誤區(qū)，就是我們常理解只有水這樣的液體或果凍類軟體，會存在光線穿透再折射或反射（通常使用 SSS 效果來表現(xiàn)這種質(zhì)感），在現(xiàn)實(shí)世界中，我們?nèi)绻皇强?Specular 高光效果，那這個(gè)理解是沒問題的，但 Diffuse 漫反射呢？

對于任何一個(gè)物體，當(dāng)產(chǎn)生漫反射的光線到達(dá)物體表面時(shí)，一部分會經(jīng)過折射，被材質(zhì)吸收（或者說轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽@就是太陽下的石頭越烤越燙的原因），或者在內(nèi)部進(jìn)行散射。一部分散射光最終會重新返回表面，再從表面折射出來，并被攝像機(jī)或眼睛所捕捉到。那么形成漫反射效果的光在被物質(zhì)吸收并散射后，會成為不同波長的光（也稱跨越光譜），這也就給予了物體不同的顏色，比如金屬會吸收所有的穿透光，也就沒有任何漫反射部分，但金屬氧化的部分會和一些表面殘留物，構(gòu)成少量的散射光，形成不同的顏色，而正因?yàn)樯⑸涞幕靵y比較均勻，從每個(gè)方向看起來都是一樣，所以這點(diǎn)和鏡面光效不一樣?？磦€(gè)圖就能明白了。

所以你看，其實(shí)金屬的漫反射屬性是為0的。這樣思考之后，就會發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，這和我們平時(shí)制作材質(zhì)的思路好像有點(diǎn)不一樣了呢？對，不過要將這種反射思路混合起來，還需要了解最重要的一個(gè)參數(shù)，就是剛才提到的，無處不在的菲涅爾效果。

Fresnel 菲涅爾屬性

菲涅爾指的是：光在光疏介質(zhì)傳遞到光密介質(zhì)的時(shí)候，在一定的角度下會發(fā)生全發(fā)射。公式為sinc=n1/n2。其中兩個(gè)n分別為兩種介質(zhì)的折射率。角度C為全反射的臨界角度。聽不懂是吧，哈哈太科學(xué)了，換個(gè)簡單的方式解釋吧，看個(gè)圖。

有沒有發(fā)現(xiàn)，其實(shí)湖水是相當(dāng)清澈的，我們看近景位置，水的穿透效果真好，水底一覽無余，但是越往對岸看去，越發(fā)現(xiàn)水的反射效果越強(qiáng)，在最遠(yuǎn)處，也就是平面和視覺夾角最小的位置，可以看到湖面幾乎成了一面鏡子（100%的反射）。那么我們就可以用菲涅爾來定義這種效果，其指代的是材質(zhì)的反射率和入射角（也就是光源入射向量和平面法線向量的夾角）的對應(yīng)關(guān)系，也就是說，入射光的角度越大，反射率也會越強(qiáng)。

PBR 理論中，就是重點(diǎn)借助菲涅爾來修正材質(zhì)的光線關(guān)系，這里略枯燥，但很重要哦，看下圖！

這是一個(gè)黑色的塑料材質(zhì)，我們就稱之為通用的非金屬效果，其中，越接近邊緣橙色區(qū)域，也就是視覺角度達(dá)到了90度，材質(zhì)反射率可以無限趨近100%，而平視角度的反射率接近物體本身的值。對應(yīng)現(xiàn)實(shí)中，水和液體的物理反射率是2%，磚塊8%，其他有機(jī)材質(zhì)和塑料是5%，半導(dǎo)體和晶體是15%~50% ，那么金屬呢？看下圖。

我們可以看到，金屬本身的反射率就是60%~90%，而當(dāng)視覺角度逐漸加大時(shí)，金屬和非金屬都會無限接近100%反射，他們之間的唯一區(qū)別也就是效果的跨度感了。所以，制作材質(zhì)的時(shí)候，是不是我們只需要設(shè)置物體的起始反射率就行了，剩下的逼近效果就留給系統(tǒng)自己完成，如何？

那么 PBR 中通常就會使用到前面講到的 Roughness 光澤度屬性，為物體提供一個(gè)基礎(chǔ)反射率，設(shè)置其表面的最小反射值，然后剩下就交給系統(tǒng)，讓其自動解算菲涅爾曲線，以滿足不同角度的效果需求。

恩，終于在原理上說通了，那么系統(tǒng)內(nèi)怎么處理 PBR 呢？