网上共享模型PBR贴图渲染。

       【前言】

       关于PBR技术，我在《Substance Designer 学习笔记之五：PBR贴图解密》已经解读很清楚了。关于PBR应用，我在网上看了很多文章、很多视频，我个人认为他们的讲解不太正确，而且对这个技术的应用理解也不够全面。
       很多网友，都希望我编写CORONA、OC、REDSHIFT等渲染器，它们是如何使用PRB两个流程贴图进行渲染的文章。我为什么一直没有写呢？因为三维动画软件的渲染器以及插件，说实话，并不是都支持PBR。我总是在想，为什么非要使用PBR两个流程呢？对于不支持PBR的渲染器，使用基于PBR两个流程的贴图意义何在呢？为了快速渲染？不可能！传统渲染器材质载入PBR贴图，也需要一点点渲染。设置简单吗？一点也不简单！它需要不断调整。渲染真实吗？可能就是为了这个原因吧。仅仅是为了渲染真实，为了得到“完美”贴图，就用SP、SD中制作基于PBR贴图，是不是成本有点太高了？
        思考许久，我用了2个星期，精心地写一篇关于PBR应用的体会文章。
        在这篇文章里，就把各位关心的问题，用图文形式揉碎了，详细掰扯，并一一回答。
        本篇涉及众多渲染器和软件，应该是网上少见的、枯燥的、能引起你思考的理论性文章，关键是能让你明晰整体的构架和思路。如果理解了，那么，我感觉以后自学渲染器，凡是涉及贴图问题，都可以自行解决了。
       本文将通过十个题目，来解答关于PBR渲染的一系列疑惑问题。
       

【研究】

问一：支持PBR游戏引擎与传统不支持PBR渲染器的区别和各自优点？

现在，流行的游戏引擎（UE4和U3D）都支持PBR这两个工作流程。游戏引擎使用PBR渲染技术，当贴图赋予模型之后，材质几乎无需设置，立即就能真实渲染。

而且材质与光源无关，也就是说，你更换什么光源（HDRI照明），材质都能显示逼真效果，这使得游戏制作简单化了。但渲染效果与你使用HDRI有很大关系，不同的HDRI带来的效果不一样。注意上下两张图，使用日光和室内的HDR渲染效果，材质都能真实呈现。

       当你读了《Substance Designer 学习笔记之五：PBR贴图解密》这篇，明白了PBR原理，应该知道，这个PBR解决方案，实际上，不太适合在传统三维软件的渲染器上应用。 多说几句，传统渲染器也不是不能用PBR贴图，但需要动脑筋设置和优化，而且渲染速度也没有快多少，可能更慢！关于如何设置见后面问题。

支持PBR游戏引擎和渲染器，使用基于PBR贴图，渲染会使材质更真实！但光影效果一般，都不真实。因为这类渲染器为了追求渲染速度，所以一般不使用光线追踪等全局光渲染手段，所以，光影很假，不适合制作静帧，但非常适合制作交互和动画视频。随着技术发展，现在游戏引擎也开始支持全局光渲染技术了，但只局限于静帧渲染。制作交互动画，为了提高渲染速度，只能巧妙地使用场景灯光烘焙技术，把光影烘焙出环境贴图，再赋予场景。但那种光影是“死”的，不会随着光源而变化，与传统全局光渲染还差了不少，但快啊！

 传统渲染器全局光渲染速度虽然慢，但模拟的是真实的光线传播，材质真实，整个光影非常真实。所以，适合重视细节、注重光影真实表现的室内外、产品等静帧渲染。由于渲染太慢，不适合动画制作，成本太高，客户急死了。

问二：PBR贴图（包括两个流程）到底是什么？效果是否一样？

回答：

       制作基于PBR两个流程贴图，一是Metal/Roughness 金属-粗糙度流程；二是Specular/Glossiness 高光-光泽度流程。这是PBR两套记录材质数据的方式而已，官方说使用哪一个效果都是一样的。
       但我认为：建议支持PBR渲染器使用金属粗糙度流程贴图，而不支持PBR技术的渲染器使用高光-光泽度流程贴图。为什么？你往后看，我会在后面的问题中解答和演示。

上面是Metal/Roughness 金属-粗糙度流程；下面是Specular/Glossiness 高光-光泽度流程。

共同点是：
都使用相同的AO、Normal、Height纹理贴。

1、用AO贴图去表现模型自身和模型与其他相交地方的阴影，突出立体感。支持PBR游戏引擎都是用AO贴图，但三维软件渲染器很少使用它，因为渲染器自带AO功能，看你是否启用了。

AO贴图能加深模型接缝的深度。AO贴图是一张灰度贴图，为了节约资源，有的时候，把几个灰度贴图保存在一个RGB图像里。比如R通道为AO贴图数据，G通道为粗糙度贴图数据，B通道为HEIGHT置换贴图数据。使用的时候，载入这张RGB图像，从相应通道提取所需数据。所以，这张有三个通道数据的图像，看起来很诡异，实际上它就是个集成贴图数据。后边详细说如何把此图一分三转换。

        2、NORMAL贴图使模型光影表现凹凸的细节。使用法线贴图要注意，因为它有两种格式，一种是针对DX格式。一种是针对openGL格式。两种贴图互为Y轴相反。3DSMAX支持DX，因为它的世界坐标是Z轴向上，MAYA和C4D支持后者，因为它们Y轴向上。还要注意：所谓C4D支持OPENGL格式，也是指C4D自带渲染器而言，其它的渲染器插件不一定啊。总之，使用NORMAL一定要看渲染结果光影是否正确，如果不正确，就翻转Y轴。

上图没有加入法线贴图

加入法线贴图，这是一个巧妙的障眼法啊！节约模型面数，同时提高了模型细节，提高渲染速度。

3、用HEIGHT贴图去改变模型的外观。

首先载入高度贴图数值不能调整太大，太大模型容易炸裂。其次，如果不是从侧面特写，想要突出模型凸起，使用法线贴图要比HEIGHT置换贴图好的多。

不同点是：
Metal/Roughness工作流程使用：BaseColor、Roughness、Metallic三种纹理。
Specular/Glossiness工作流程使用：（Albedo）Diffuse、Glossiness、Specular三种纹理。
你就记住这两个流程贴图都叫什么即可，后边详细解答。

问题三：怎么理解Base Color Map / Albedo Map / Diffuse Map?

回答：很多网友都问上面的概念是咋回事？有的说是一样的？真是一样的吗？我谈谈我的理解，首先三者贴图上的颜色都不应该含有光影信息。什么叫不含光影信息呢？

我们一般拍照的照片，不能直接拿来当做颜色贴图使用，就是因为照片纹理包含高光和阴影。因为模型上的高光和阴影，应该由法线贴图或凹凸贴图、灯光环境在计算时，决定哪个地方有高光，哪个地方有阴影。要求颜色贴图不能自带这类信息，如果携带就会造成渲染结果错误，所以，必须把它们去除才行。

我们使用Substance Alchemist中的Delight光影去除功能。

      1、Diffuse Map是过去渲染器老流程的漫反射颜色贴图，最早的Diffuse是手工绘制的，是包含光影信息，甚至AO信息也绘制上面，因为那个时候没有全局光渲染，都是直接光渲染，也表现不出来，所以只有手工绘制上去。所以，那个时候，渲染逼真，布光绘制贴图还真有点功夫，否则渲染的结果很假。后来，随着全局光计算的快速发展，Diffuse贴图要求就更高了，物理性更强，去掉光影信息，去掉AO信息，贴图如果表示金属也是用黑色。

       2、高光-光泽度流程的Albedo Map，内部包含有非金属漫反射（非黑色）和金属（黑色）的数据，而金属的颜色是在Specular贴图相应位置显示的。所以，有的时候，使用传统渲染器，它们的作用是一样的，所以PBR技术文章有时候把它们放在一起说，现在的Diffuse约等于Albedo。

       3、金属-粗糙度流程的BaseColor Map，内部包含金属和非金属颜色，同时，还包含各种颜色的灰度值对应各自F0数值。也就是说该帖图包含颜色+F0数据。如果你把该帖图直接丢给传统渲染器材质的COLOR通道，那么，只能使用颜色数据，F0如何读出来？

问题四：为什么金属没有漫反射，非金属有漫反射？为什么白色光源照射下，非金属高光都是白色，而金属的高光都是彩色的？

回答：先问你，什么是漫反射？漫反射是一些光线照射到物体时，进入了物体表面层。在物体表层里，进行无序反弹，同时又发生了吸收，进入模型的光线某些波长光被吸收掉了，没了。而剩余的某些波长的光再从物体浅表面出来，无序地射向四面八方。从整体看，就是光从物体表面射向四面八方，并呈现颜色（这个颜色是射出来的光线波长决定的）。你没有想到吧，这个漫反射表面整体看是“反射”，实际上是浅表面的“折射”。只是与透明物体折射不同，它是穿物体而过，而漫反射是光线向周围无序地折射。

高光是镜面反射，反射光线比较集中，反射强烈。漫反射是光线射入媒介以后。在前表面折射出来的，光在媒介2要发生吸收和散射。如果这种现象发生在整个模型的内部，那么就不是漫反射了，是散射吸收，SSS材质怎么来的？

       那高光是怎么回事？高光可不是漫反射，它是光源照到模型表面上，沿着你眼睛的方向直接反射回来，光线一是没进入模型内部，二而是没有没有散开，所以能量很集中、很亮啊。这种反射又叫高光反射或镜面反射，这种反射具有方向性，需要特点角度才能看到高光。所以，布光的时候，你需要不断地调整灯光和摄像机，让漂亮的高光进入摄像机内。那种在模型表面杂乱无章的反射叫漫反射，它不具有方向性，所以，你在哪个方向都能看到它。

介质表面光滑度决定是高光反射和漫反射

比如非金属，一个白色光源照到一个球体，有一些光线直接就反射回去了。如A，而且光线没有发散也没有吸收，直接射入你的眼中，在模型上最亮的地方叫高光。非金属的高光形状与光源和模型表面状态有关，而非金属高光的颜色是由光源的颜色决定的，与自己本身颜色无关。如果外面光源是白色的，高光就是白色的，即使你是个红色的非金属，只要光源是白色的，它的高光也是白色的。非金属呈现的颜色，是谁决定的？如B，更多的光线进入非金属表面之内，在表面内部进行无序地吸收和散射，然后一部分波长的光被非金属吸收了，只有红色波长的光向反方向“折射”回来，而且射向四面八方。所以，你可以从任何角度看到那是个红色的球。而高光不是杂乱无章的光线，它是集中的、定向的全反射（镜面反射）光线，所以，你只能从特定角度看到射入你眼中的高光。

所以，一般渲染器，我们设置材质，漫射通道颜色设置红色，勾选反射，非金属反射通道的颜色一定要设置为白色。这样非金属高光的颜色就会与外界光源颜色一致。

在非金属上放一个白色的矩形灯光，看看吧，那个高光颜色和形状。

金属可不一样，白色的矩形灯光照射下，金属呈现金黄色，那个高光也不是白色，很有自己个性啊！

金属材料没有漫反射，只有反射！光线射向金属时，一部分波长的光线被金属直接吸收，剩余波长的光线直接被反射回来，也射向四面八方，这样你在任何地方都能看到金属的颜色。而高光也是如此，白色光源直接照射到金属表面，一定的波长光也被吸收了，其他波长的光线集中地射向你的眼睛里，所以，在特定角度，你看到了有颜色个性的高光。 

一般地，我们设置金属材质都这么做：在材质的漫射通道，不勾选漫反射，因为它没有漫反射。或者勾选漫反射通道，设置为黑色，表示它没有漫反射。在反射通道中，反射颜色设定你要的金属颜色，表示只有这种颜色的光线被反射回来了，也就是金属呈现的颜色。

为什么金属表现为闪闪亮亮的刚性，而塑料呈现的缓缓的柔性呢？那是折射率不一样。在传统渲染器中，模拟金属，要把 IOR 设置非常高，非金属一般设置1.5左右。实际上，反射和折射都有菲尼尔现象，也就是说，我们感觉物体不同位置的反射强度不一样。而在传统渲染器中，就是用IOR就是描述菲尼尔现象强弱的。

无论金属和非金属都有菲涅尔现象。在PBR理论中，不是用IOR折射率描述菲尼尔现象强弱的，而是用F0描述。  在模型上看，当光线直接或者垂直（以0度角）照射介质表面的时候，那个位置反强度定义F0，代表物体的反射程度。边缘光线入射角接近90，我们定义F90。一般情况下，无论金属和非金属，它们的边缘反射几乎为100%，差异非常小。但不同的介质在F0位置反射强弱不同，反射率也不同。金属的F0反射强度能达到70-100%，从中心到边缘几乎都反射，所以闪亮闪亮的。而非金属F0中心位置反射强度只有2-5%左右，周边反射很强，中间反射很弱，所以就感觉缓缓的柔顺。

有些传统渲染器，比如REDSHIFT，它的菲尼尔属性有四种描述方式：第一种折射率+消光系数，这个是基于物理的设置，非常准确；第二种颜色+边缘颜色适合艺术人设置使用（类似F0,F90设置）；第三种METALNESS金属度，这个是给PBR渲染对接金属-粗糙度流程的贴图使用；第四种IOR是传统的折射率，如果要模拟金属，数值大于10以上。

总结：上面讲的这些很重要，如果你理解了，各种材质涉及的漫反射、反射、吸收和反弹、SSS也就明白了。都是一个道理。渲染器的计算就是在模拟现实的光线传输现象，发光、吸收、反弹。

问五：在金属-粗糙度流程中，金属度贴图起的作用是什么？金属和非金属的颜色和反射率都在哪个贴图中体现呀？

回答：

       在金属粗糙度流程中，金属贴图就是遮罩，它告诉模型什么地方是金属，什么地方是非金属。而金属有反射率，不同金属反射率还不同。非金属也有反射率啊，而金属和非金属反射率是不相同的。

METALLIC金属度贴图：这是一个黑白图，它就像一个掩码，它只有一个作用，告诉引擎哪个地方是金属，哪个地方是非金属。当metallic贴图某个位置值为0的时候，BASECOLOR贴图对应的F0值是0.04；而当metallic值为1的时候，F0的值是0.7-1；metallic是0-1的中间值的时候，F0也会在0.04和1之间进行对应的插值，是线性差值。在这个过程中F90不变，永远恒定为1。

上面左图是BASECOLOR贴图，中间图示是 metallic 金属贴图。当metallic值为0的时候，金属度贴图是黑色，  对应BASECOLOR贴图就是非金属部分，颜色就是非金属颜色，它的灰度值就是 F0，值是0.04，也就是只有4%反射强度；而当metallic值为1的时候，金属度贴图为白色， 对应的BASECOLOR贴图颜色是金属颜色，它的灰度值就是 F0，它的范围在0.7-1，有70-100%的反射强度。

你可能问，怎么这么麻烦？我们过去使用传统渲染器时，使用的贴图如左侧，都是描述一种材料的纹理，没有UV限制，所以，材质使用时，如何把纹理贴图贴到模型上，你需要用渲染器自带的投射方式去设定。而使用PBR技术游戏引擎，我们只能使用模型和一些贴图。我们做法，一般把模型UV拆分，然后去绘制，模型上有的地方是金属，有的地方是非金属，都要在颜色贴图上表示出来，如右侧贴图，那一张颜色贴图中有很多材料的颜色数值和F0表示中间反射强度的数据。所以，还需对应的一张金属度贴图，告诉渲染器那个地方是金属，那个地方是非金属。OK?

总结：
       1、反射颜色，在外界光源是白色的情况下，所有非金属的高光都是白色的。而金属却不一样，它的高光与自身材料有关，都是有颜色的。
        2 、在PBR中，金属和非金属是用F0（材质中心）和F90（材质边缘）数值来控制反射范围（菲尼尔强弱）的，而不是传统渲染器用IOR折射率来定义的。
        3、下面提供两张PBR材质F0数值表。建议绘制PBR贴图，最后使用专用的工具，比如SP、MARI等，而不要用PS和BODYPAINTER。因为前者，软件可以自动把颜色和F0控制在以下数据列表的合理范围之中。后者，人为因素太大，绘制的贴图也没有科学性。

金属的F0表。COLOR是BASECOLOR贴图的金属颜色，F0是这个颜色的灰度值，它有两种表述：LINEAR是线性流程描述，0-1之间代表有很多很多灰度。sRGB代表非线性空间，0-255，代表256阶灰度。颜色空间不同。

非金属F0表，同理。

问六：PBR贴图开发工具软件有哪些？

回答：

1、早期法国Allegorithmic公司的系列产品：Substance Painter 、Substance Designer、Substance Bitmap2Material、Substance Player 四个产品。

Painter绘制贴图、Designer通过节点编辑材质包SBSAR，Bitmap2Material把普通贴图转换为各种贴图，Player把自己独有的材质包SBSAR转换给其他三维软件，起着接口和桥梁作用。

        后来，被ADOBE公司收购了，推出了Substance Painter 、Substance Designer 、Substance Alchemist、Substance Source四个产品。

这是被ADOBE公司收购以后的产品。

2、MARI

Mari®是一款功能强大的3D绘画软件，能力和性能在业界都是高端的，可以处理甚至最复杂的贴图纹理，能最大限度提升创造力。该软件在影视方面应用较多，要求硬件设备也非常高。我虽然知道它的工作，但没用真正用过它，所以就不评论了。

3、Quixel Suites、NDO、3DO、MegaScan
       这套工具是基于PS平台上，具有强大3D绘制能力，支持PBR渲染技术。绘制纹理贴图尺寸可达到8K，拥有1000多种基于真实扫描的材质。注意，它是基于真实的扫描纹理图案绘制贴图的，而上面的Substance系列3D纹理绘制都是基于自家的SBSAR程序贴图，所以，它的文件很小，只有几K。

最早Quixel Suites包含NDO、DDO、3DO、MegaScan材质库，它们四个合起来叫做Quixel Suites套件。现在看来，它仍然是一套好工具。

       它的死敌SUBSTANCE工具软件被ADOBE收购了，Quixel尴尬无比，因为自己的软件是在ADOBE PHOTOSHOP平台上。后来，Epic Games（UE4游戏引擎的母公司）收购了Quixel，丰富了真实世界3D扫描纹理数据，组成了Megascans库，又开发材质编辑Mixer和资产浏览Bridge软件，而 Megascans资产目前对虚幻引擎用户（UE4用户）免费开放。

收购后三个新产品：Megascans库、Mixer  、Bridge。公司重新转变了思路，不再与SUBSTANCE产品正面竞争了，转为提供大量贴图和模型库，与你的三维创作软件转换和对接。你需要的模型和贴图我都有，这能大大提高创作的效率。

4、Toolbag 4

你没有想到吧，Toolbag 过去是一款用于检测模型和贴图正确与否的渲染软件。升级4以后，也能烘焙和制作纹理贴图了。

不是不明白，世界变化快。有机会，我们研究一下Toolbag 4 贴图烘焙和贴图绘制功能。

总结：
      1、 基于PBR贴图绘制的软件还有很多，如乌克兰的3D-Coat4等，还有一些如XNOMALS等小工具软件。但现在最流行的，也最应该学的，我建议：如果你是美工，手绘功能很强，就学Substance Painter ；如果你逻辑性很强，善于节点编辑，那么学Substance Designer也不错 ，二者熟悉其一即可。然后再学习一下Substance Alchemist，它能把现有的贴图资源再合成新的资源。因为Substance在ADOBE支持下，更新速度也太快了，这是要统一贴图纹理制作的天下呀！要成为行业的标准啊！
       2、 如果你不想绘制贴图，想拿来主义，那么就学习Quixel公司的Megascans、Mixer和Bridge，贴图和模型都拿去，下载使用就是了。
       3、不要再学习旧的贴图绘制软件了，那些都是传统老旧的工作流程。尤其是绘制基于PBR贴图，尽可能不要用PS和C4D的BODYPAINER绘制贴图了，人为因素太大，满足不了对PBR基础数据的要求。建议也不要再用XNOMALS烘焙贴图了，因为SP和TOOLBAG4烘焙贴图效率要比它好很多。