PBR工作流实现与对比

Posted 2023-03-04 Kaitiren

工作流实现

工作流中的核心内容便是贴图，不论是UE4还是Unity都支持将PBR的参数以贴图的形式传入引擎，我们可以根据一个物体同一mesh或不同mesh的不同区域的属性差异来控制贴图上的属性产生不同，而没有贴图的话，一个物体只能使用一种参数属性。

//glsl贴图代码示例

uniform sampler2D albedoMap;

uniform sampler2D normalMap;

uniform sampler2D metallicMap;

uniform sampler2D roughnessMap;

uniform sampler2D aoMap;

...

vec3 albedo = pow(texture(albedoMap, TexCoords).rgb, 2.2);

vec3 normal = getNormalFromNormalMap();

float metallic = texture(metallicMap, TexCoords).r;

float roughness = texture(roughnessMap, TexCoords).r;

float ao = texture(aoMap, TexCoords).r;

...

美术制作的albedo纹理一般都是sRGB空间的，因此我们要先转换到线性空间再进行后面的计算。根据美术资源的不同，AO纹理也许同样需要从sRGB转换到线性空间。

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早期工作流

在Disney PBR没有大规模使用之前，材质贴图是没有一套规范通用的流程的，往往将很多东西混杂在一起去实现一个凭空想象的效果，而且每个人每个公司都有自己的方式，就好比绘画一样，没有一个标准的流程和规范。

想要得到预期效果，不仅得调节材质的属性还得相应地控制光照的属性，即材质与光照不解耦，工作流程上下端配和难度大。此处不再过多赘述，这种工作流已经基本消失殆尽。

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金属粗糙流

该工作流是基于之前讲到的PBR原理，是PBR工作流中最为通用的。

• Albedo-Base Color基色：sRGB三色图，代表非金属的漫反射颜色和金属的反射率值，也就是漫反射项中的C与金属部分的F0；

1. 非金属漫反射区域不应低于50sPRG（容忍），红线是30sRGB，亮值不应超过240 sRGB

2. 金属部分反射率值，在70-100％范围内，我们可以将其映射到180-255 sRGB

3. 不会带有任何的光照信息（微观自遮挡可以包含，指个位像素级别）

• Metallic金属度：灰度图，代表公式中运算的金属度，计算F0和漫反射Kd需要的插值系数。

• 金属度图完全可以做成一张非零即一的黑白图，允许极少量两头极端范围内的过度值存在

4. 金属值应在235-256 sRGB，它们的基色贴图值应该在180-255 sRGB范围内

5. 涂层金属与生锈金属应当视作非金属，金属度设置为0；蒙灰金属可以小范围低于235sRGB，对应的basecolor需要降低一定范围，自行把控

6. 理论上不应出现大面积的位于中间范围的金属值，那样做是错误的，现实不存在这种材料，但是强行为了特殊效果亦可

• Roughness粗糙度：灰度图，代表高光部分计算中的粗糙度，根据需要自行设置。

优劣分析

• 更容易理解创作，Basecolor就是物体的固有色，符合日常认知

• 纹理占用内存少，因为金属和粗糙度贴图都是灰度图（单通道），可以和其他贴图混用通道

• 非金属F0只能是默认的0.04，无法更改

• 金属和非金属交界处会有白边，注意贴图分辨率和UV分布

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高光光泽流

• Albedo-Diffuse：sRGB三色图，包含非金属的反射颜色，即漫反射项中的C。

7. 非金属反射颜色暗值不应低于30 sRGB（容差范围） - 50 sRGB（严格范围），亮值不应超过240 sRGB

8. 金属区域为纯黑色

• Specular高光度：sRGB三色图，包含金属的反射率值与非金属的反射率值，即金属与非金属的F0。

9. 一般非金属部分应为2-5%，sRGB值应介于40-75之间，常见的宝石在0.05-0.17范围内，普通液体在0.02-0.04范围内

10. 一般金属在70-100％镜面反射率范围内，映射到180-255 sRGB

• Glossiness光泽度：与Roughness相反。

优劣分析

• 可以自己控制非金属的F0

• RGB贴图变多，占用内存变大

• 不易控制，容易做出自然界不存在的材质

• 边缘效应会产生黑边，注意贴图分辨率和UV分布

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工作流转换

Specular到Metalness的转换

11. 创建一张Metalic图

12. 以Metalic图作为遮罩对Specular处理，得到金属的反射率值

13. 覆盖到原本的diffuse

Specular到Metalness的转换

14. 依靠金属与非金属在diffuse和specular的差异获得一张Metallic贴图

15. 使用Metallic图作为遮罩，对BaseColor处理，将金属部分抠去，得到Diffus贴图

16. 翻转Metallic图，作为遮罩对BaseColor处理，剩余的部分覆盖56度灰，得到Specular贴图