Substance Designer 学习笔记之六：PBR应用揭秘

       【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，我在网上看了许多文章、许多视频，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。
       许多网友，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？由于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？可能就是为了这个缘由吧。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，我感觉后来自学渲染器，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？

       当你读了《Substance Designer 学习笔记之五：PBR贴图解密》这篇，清楚了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。

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：提议支持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。

共同点是：
都使用一样的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，由于渲染器自带AO功能，看你是否启用了。

        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，由于它有两种格式，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，由于它的世界坐标是Z轴向上，MAYA和C4D支持后者，由于它们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必定啊。总之，使用NORMAL必定要看渲染结果光影是否正确，如果不正确，就翻转Y轴。

3、用HEIGHT贴图去改变模型的外观。

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：许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，第一三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？

      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，由于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，贴图如果表明金属也是用黑色。

       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，目前的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。

       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，所以能量很聚焦、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，让美丽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。

总结：上面讲的这些很重大，如果你理解了，各种材质涉及的漫反射、反射、吸收和反弹、SSS也就清楚了。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，它告知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一样的。

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。提议绘制PBR贴图，最后使用专用的工具，列如SP、MARI等，而不要用PS和BODYPAINTER。由于前者，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。

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。

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

2、MARI

3、Quixel Suites、NDO、3DO、MegaScan
       这套工具是基于PS平台上，具有强劲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。

       它的死敌SUBSTANCE工具软件被ADOBE收购了，Quixel尴尬无比，由于自己的软件是在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。

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后来，也能烘焙和制作纹理贴图了。

总结：
      1、 基于PBR贴图绘制的软件还有许多，如乌克兰的3D-Coat4等，还有一些如XNOMALS等小工具软件。但目前最流行的，也最应该学的，我提议：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。由于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。提议也不要再用XNOMALS烘焙贴图了，由于SP和TOOLBAG4烘焙贴图效率要比它好许多。