PBR物理材质在项目中的应用

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　　次世代历经几代发展，已经到了全新的时代。如果说从传统次世代到PBR次时代，是一个全新的技术变革，从传统模拟次时代到真正的次时代的到来。全新的算法让次时代的表现淋漓尽致。
　　次时代既下一个时代，因为法线贴图的加持，让模型不在收到原来面数限制，通过法线贴图可以得到大量的有效模型信息，并且不占用模型资源，不过在贴图表现上就相对薄弱，因为传统次世代只是在高光部分反射和变化，并不是整个表面来发生变化，这样其实就达不到真实的物理效果，很多学生问我老师：“究竟什么叫PBR材质呢”其实很少有人知道PBR这几个字的真正含义，其实PBR是Physicallly Based Rendering.所以它的含义就是基于物理的渲染，物理渲染其实就是符合真实世界的能量守恒原理。
　　那么PBR材质它的技术领先具体表现在那几个方面呢？最基本是基于物理属性，基于物理属性这样的原理就保证它在制作材质效果上的真实性，再加上能量守恒，不用担心材质调节失去平衡，因为你的调节永远都是在这个平衡基础上进行调节的，保证效果不会失真，物理材质不仅能表现布料皮革还能表现金属，熟料、陶瓷、玻璃、玉、皮肤、木材等等。之所以材质效果特别好，跟金属度和粗糙度是分不开的，金属度越强材质反而越暗，金属度越弱，材质反而越亮。
　　PBR现在已经应用在各大游戏公司的商业项目中，其中我带的校企合作平台参与了《蜀山缥缈录》、《九州》、《琅琊榜：风起长林》等次时代项目，就是采用了新的次世代PBR技术，美术效果上有了质的飞跃，PBR在表现金属的粗超度和光滑度可以完全做到反射真实世界中的环境，这在原来是无法做到的，那么PBR究竟是如何做到达到如此真实的效果呢？因为遵循了自然规律，基于物理的能量守叵的原理。
　　在实际商业项目中，制作PBR物理材质需要哪些准备吗？主要需要三张贴图，法线贴图、
　　AO贴图、曲率图。法线贴图大家对于了解次世代的并不陌生，现在最新技术不再是在3dsmax和maya中进行烘焙，而是用引擎查看器烘焙Marmoset Toolbag3进行烘焙，它烘焙好处是效果好，高效，而且节省时间。原来一张2048的AO贴图如果用3dsmax的烘焙mental my的需要的时间大约是40分钟到1个小时，现在用Marmoset Toolbag3烘焙的时间几分钟就能渲染完成AO的烘焙，并且效果还比mental my烘焙的效果要好，无论是阴影细节还是层次感都优于前者，还有一个关键的贴图就是曲率图，这张贴图对于掌握传统次时代的朋友们，是没有了解过的。曲率图的作用主要是识别模型结构而产生的，因为传统次世代需要手绘金属的磨损和污渍和划痕效果，新一代PBR技术不需要手绘了，只需要曲率图和AO就可以自动拾取磨损边缘的效果，所以达到事半功倍的效果。
　　PBR物理材质的表现不仅是提高了我们进度和效果，它还有革命的改变，就是基于矢量研发，大家应该都认为传统的矢量软件，都有一个通病就是色彩单一，颜色简单，无法跟位图软件相媲美，但是今天Substance Painter的出现改变了人们对矢量软件的看法，即使是矢量一样能达到复杂真实的材质效果，不受到尺寸大小的限制，例如说我们现在有一个手游项目采用的512贴图输出，以后我们升级做一个端游就不用重新制作，只需要选择大尺寸的材质输出依然比较清晰而且是高质量的，不需要重复的资源重新制作，直接输出就可以，这样大大提高了我们的工作效率，和研发成本。
　　在项目制作中规范是非常关键的，Substance Painter针对不同的引擎，都有着非常友好的输出接口，只要现在市面常见的引擎和渲染器，都有输出接口，这样的好处就能保住在Substance Painter制作的PBR材质，无论导出到哪个引擎，输出的效果基本上能保持一致。这为我们带来的极大的方便。
　　下面我们对比来说明一下PBR材质最重要的环节，首先我们先导入简模和AO还有法线进入Substance Pajnter软件里，接着烘焙曲率图这步非常关键，因为只有正确烘焙了曲率图，才能制作材质磨损的细节和污渍，因此这这步在前期的准备工作是非常重要的，在制作完成了曲率图，然后进行基本材质的制作，在制作基本材质一定注意图层和组的概念漫反射与反射是光线在物体表面作用的最基本的两个表现。传统游戏的渲染系统中也把它们叫做漫反射与高光。当光线达到物体表面的时候其中的一部分将会沿着表面的垂直法线反弹向与来源光线相反的方向。这就像皮球沿一定角度砸向地面后反弹一样。在越光滑的表面就表现的越像镜面反射，这种现象一般本称作表面高光（Specular）。这个词就是来源于拉丁文的“镜子”的发音。然而并不是所有的光线都会被反射，部分光线将进入被照射物体的内部。这部分光线一部分被物体吸收转换为热能，另一部分则会在物体内部发生散射，最终离开物体被人眼和摄像机捕获到。这一现象被叫做“漫反射”与“子表面散射”。其中子表面散射（Sub Surface Scattering），经常能看到SSS效果就是这部分光线进过散射后从物体另一边射出的现象。
　　PBR有两种工作流，一种是基于金属的，一种是基于镜面反射的，对应的Unity引用Enlighten光照引擎之后，带来的两种新的Shader，Standard和Standard（Specular Setup）2）金属工作流：不易出错，省内存。另一种就是Specular工作流：为何镜面反射工作流容易出错呢，因为Specular包含了全部的绝缘体F0信息，1.0的Diffuse和1.0的Specular将会使得反射折射能量大于输入能量，这违背了能量守恒定律。也就是说在绘制贴图时，你无法预览结果，而且容易调的丧失材质基本属性。
　　所以绝大数项目还是采用了金属流的工作方式，首先是在sP里进行基础材质的烘焙例如之前提到曲率，还需要烘焙方位图还世界坐标贴图和厚度图，只有这样制作的物理材质才会更加真实更加有效，接下来的工作就是特别的有趣的过程，了解渲染的朋友肯定了解调节材质球，那么我们新一代的PBR就是把材质球刷在贴图上，而且是实时显示在我们贴图的反射效果，不仅是提高了我们的效率，最关键达到渲染器电影级别的材质，制作是如此的轻松快捷，做好了前面的准备，接下来我们通过拖拽材质Material，来得到基本的物理材质球属性，通过调节金属度来体现不同金属属性下材质效果，当金属度是0的时候，金属的反射强度最弱，相反金属度为1的时候，金属是最强的。粗糙度确实恰恰相反，在粗糙度是0的时候反而是镜面完全通透的镜面反射，在0.3左右的时候是類似渲染里面的反射模糊效果，就好像亚光的金属，粗糙度是1的时候几乎没有任何的反射，也就是说即使调节了金属度是1也是一点金属反射没有的，这也说明了金属度和粗糙度就像两个兄弟谁也离不开谁，相互制约，相互影响。
　　在Substance Painter制作PBR贴图不再像传统次时代，制作凹凸贴图时候需要固有色做一遍，法线做一遍，现在只需要在固有色上做好凹凸纹理，输出的时候自然就有了，凹凸的效果，不仅是发现贴图上有，高光贴图上也有，极大提高了我们的制作效率和效果，而且还能保证效果的一致.
　　PBR物理材质不仅是代表了最新次时代技术，也是将游戏美术带入了一个全新的高度，物理即反应了真实的世界，让大家更加容易沉浸在虚拟的游戏美术世界，这将是一次具重大意义的变革，也希望PBR物理材质技术能给我们带来更多的惊喜！
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