pbr材质：是什么、为什么、哪里找、怎么用、如何创建？

关于PBR材质的深入探讨

在现代数字内容创作领域，无论是游戏、影视特效还是产品可视化，PBR材质（Physically Based Rendering Material，基于物理的渲染材质）都扮演着核心角色。它不同于传统材质的经验性调整，而是力求模拟光线与物体表面的物理交互方式，从而在不同光照环境下呈现出更真实、更一致的视觉效果。

PBR材质到底是什么？

从根本上说，PBR材质不是一种全新的材质类型，而是一种渲染和材质创建的方法论。它基于现实世界中光线和物质相互作用的物理规律，旨在通过设定一系列符合物理属性的参数，让计算机图形能够更准确地模拟真实世界的材质表现。

PBR的核心理念包括：

• 光线能量守恒 (Energy Conservation)：一个表面反射的光线总量不能超过其接收的光线总量。如果一个表面反射更多的漫反射光（diffuse），那么它反射的镜面光（specular）就应该更少，反之亦然。金属是特例，它们没有漫反射，所有非吸收的光线都被反射为镜面光。
• 菲涅尔效应 (Fresnel Effect)：光线以掠射角（接近平行于表面）入射时，反射会更强。例如，水面或光滑的地面，正上看时可能能看到底部，但从侧面看时，反射会非常强烈。
• 微表面细节 (Microsurface Details)：物体的粗糙度或光滑度由其微观表面的不平整程度决定。PBR通过模拟这些微观细节对光线反射方向的影响，来控制反射的锐利程度（光滑表面反射锐利）或模糊程度（粗糙表面反射模糊）。

一个典型的PBR材质通常由一系列纹理贴图（Texture Maps）来定义这些物理属性，而非简单的颜色和光泽度参数。这些贴图共同决定了材质在特定光照下的最终外观。

为什么要使用PBR材质？

使用PBR材质带来的最大优势在于其真实感和一致性。在传统渲染中，艺术家经常需要根据特定的光照环境来“烘焙”或调整材质参数，这导致材质在不同场景或不同光照下可能看起来完全不同，需要大量返工。而PBR材质一旦设置正确，它就能够在任何符合物理规律的光照条件下自动呈现出相对正确的表现。

具体而言：

• 更强的真实感：通过模拟真实的光线物理行为，PBR材质能够自然地产生真实世界中常见的视觉现象，如边缘高光（Fresnel）、随粗糙度变化的反射模糊等。
• 更好的跨环境一致性：同一套PBR材质贴图可以在不同的PBR渲染器或引擎中获得相似甚至相同的效果，大大提高了资产的可复用性和工作流程效率。
• 更直观的艺术家工作流程：艺术家不再需要猜测任意的“高光强度”或“光泽度”数值，而是思考物体的物理属性：它是金属吗？它的表面有多光滑？这更符合艺术家的直觉。
• 减少返工：由于材质表现与光照解耦得更好，当光照发生变化时，材质通常不需要大幅调整。

PBR材质主要应用在哪里？

PBR材质已经成为现代3D图形领域的事实标准，广泛应用于：

• 游戏开发：Unreal Engine、Unity等主流游戏引擎都原生支持并推荐使用PBR材质。它确保了游戏角色、环境和道具在各种游戏内光照条件下的视觉质量和沉浸感。
• 影视特效 (VFX) 和动画：电影和动画制作对真实感要求极高，Houdini、Maya、3ds Max、Blender等软件配合Arnold、V-Ray、Redshift等渲染器，PBR材质是实现照片级真实感的关键。
• 实时渲染应用：如产品可视化、建筑漫游、虚拟现实(VR)和增强现实(AR)，PBR提供了高性能且真实的视觉效果。
• 3D建模和纹理软件：如Substance Painter、Substance Designer、Mari、Mixer等工具，都是围绕PBR工作流程设计的。

哪里可以找到PBR材质和纹理？

获取PBR材质和纹理有多种途径：

1. 在线材质库和资产商店：
   • Quixel Megascans：以其高质量的扫描资产闻名，提供海量的PBR纹理、3D模型和植被，通常需要订阅。
   • Substance Source (现在是Adobe Substance 3D Assets)：提供大量的参数化和可调整的PBR材质，基于Substance格式，需要订阅。
   • Poly Haven (原Poly Heaven)：一个优秀的免费资源网站，提供高质量的CC0许可的PBR纹理、模型和HDRIs。
   • Gumroad、ArtStation Marketplace等：许多艺术家和工作室会在这些平台上出售他们制作的PBR材质包。
   • 各引擎或软件的官方/第三方商店：如Unity Asset Store、Unreal Engine Marketplace等。
2. 程序化生成工具：
   • Substance Designer：通过基于节点的非破坏性工作流程创建高度可调的参数化PBR材质。
   • Quixel Mixer：用于混合扫描数据和程序化层来创建PBR材质。
3. 扫描数据：
   • 使用专门的扫描设备或摄影测量技术对真实世界物体进行扫描，生成包含纹理和几何信息的PBR资产。
4. 从零开始创建：
   • 使用Substance Painter、Mari等纹理绘画软件，直接在3D模型上绘制或烘焙PBR纹理贴图。
   • 在Blender、Maya等3D软件的节点编辑器中手动构建材质网络。

如何创建PBR材质？

创建PBR材质通常涉及定义和生成上述提到的各种纹理贴图。主要流程取决于使用的工具，但核心思想是设定物理属性：

1. 确定基础属性：
   • Base Color / Albedo (基础色/反照率)：决定物体表面的固有颜色（不包含高光和阴影）。对于非金属，这是反射漫射光的颜色；对于金属，这是吸收光线的颜色（通常接近黑色），反射光的颜色由金属度决定。
   • Metallic (金属度)：一个灰度图，0表示非金属（绝缘体），1表示金属。决定了材质是按照金属还是非金属的物理规律反射光线。
2. 定义表面微观结构：
   • Roughness / Smoothness (粗糙度/光滑度)：一个灰度图，决定微观表面的不平整程度。低粗糙度（高光滑度）产生清晰的反射，高粗糙度（低光滑度）产生模糊的反射。这是PBR材质视觉多样性的关键因素之一。
3. 添加表面细节：
   • Normal / Bump (法线/凹凸)：模拟表面的细微起伏和纹理，如划痕、纹理细节等，而无需增加几何模型的面数。法线贴图储存了表面法线方向的扰动信息，凹凸贴图通常基于高度信息。
   • Height / Displacement (高度/置换)：高度贴图常用于视差贴图等效果。置换贴图更进一步，它实际移动模型的顶点，产生真实的几何细节（性能开销更大）。
4. 增加环境因素影响（可选但常用）：
   • Ambient Occlusion (环境光遮蔽/AO)：一个灰度图，表示模型中光线难以到达的区域（如缝隙、角落）。它可以模拟这些区域由于被周围几何体遮挡而显得更暗的效果，增加深度感。注意：AO并非PBR物理模型的核心部分，而是一种视觉增强手段。
5. 生成/绘制/烘焙这些贴图：使用Substance Painter手绘和烘焙贴图，使用Substance Designer或Mixer程序化生成，或从扫描数据中提取。

如何在3D软件/引擎中使用PBR材质？

在大多数支持PBR的3D软件或游戏引擎中应用PBR材质是一个相对标准化的过程：

1. 导入模型和纹理贴图：将你的3D模型和所有PBR纹理贴图（如Base Color, Metallic, Roughness, Normal, AO等）导入到软件或引擎中。
2. 创建新的材质：在软件的材质编辑器中创建一个新的材质球或材质资产。确保选择一个支持PBR工作流程的材质类型（通常会有明确的PBR选项）。
3. 连接纹理贴图：将导入的纹理贴图分别连接到材质的对应输入槽位上。
   • Base Color贴图连接到“Base Color”或“Albedo”输入。
   • Metallic贴图连接到“Metallic”输入。
   • Roughness贴图连接到“Roughness”输入。
   • Normal贴图连接到“Normal”输入（可能需要一个中间节点如“Normal Map”将纹理数据转换为法线矢量）。
   • Ambient Occlusion贴图通常连接到环境光输入，或者与Base Color相乘（取决于具体引擎的实现方式）。
   • Height/Displacement贴图连接到对应的Displacement输入（如果模型和渲染器支持）。
4. 设置其他参数（少量）：PBR材质的参数相对较少且物理意义明确。例如，可能需要调整一个全局的“Roughness Scale”或“Normal Intensity”。对于非金属材质，有时会有一个“Specular”或“IOR (折射率)”参数，通常使用默认值即可。
5. 将材质应用到模型：将配置好的PBR材质球赋予到场景中的3D模型上。
6. 确保场景光照是物理正确的：为了让PBR材质看起来正确，场景光照也应该是基于物理的。使用HDRI（高动态范围图像）进行环境照明是常用的方法，它们能捕获真实世界的光照信息（颜色、强度和方向）。点光源、聚光灯、区域光等的光照强度也应该使用物理单位（如流明、坎德拉、勒克斯）来设定，而不是任意的数值。

注意： 存在两种主要的PBR工作流程：Metallic-Roughness (金属度-粗糙度) 和 Specular-Glossiness (镜面反射-光泽度)。虽然核心物理原理相同，但它们对金属和绝缘体的处理方式不同，且使用的贴图组合略有差异。Metallic-Roughness是目前更流行、更直观的工作流程。

PBR材质的成本和性能影响？

成本：

• 获取PBR材质资产的成本差异很大。免费资源（如Poly Haven）可以零成本获取；订阅服务（如Megascans, Substance Assets）按月或年收费；购买单个资产价格不一。
• 创建PBR材质的成本主要在于软件许可证费用（如Adobe Substance系列、Mari）和艺术家投入的时间和精力。

性能影响：

• PBR本身相比传统材质的计算量并没有数量级的增加，现代GPU对这些计算已经高度优化。
• 性能瓶颈主要在于纹理贴图：
  • 显存占用 (VRAM)：高分辨率的PBR纹理集（通常一套材质包含5-8张或更多贴图）会占用大量显存。这是在游戏或实时应用中最常见的PBR相关性能限制。
  • 纹理采样：渲染时需要采样多张纹理，这会增加渲染开销，但同样是GPU擅长处理的任务。
• 合理的纹理分辨率管理和使用纹理压缩是优化PBR材质性能的关键。在非必要情况下避免使用过高的纹理分辨率。
• 材质的复杂性（如使用了多少层纹理、多少额外的计算节点）也会影响性能，但这不完全是PBR特有的问题。

总而言之，PBR材质提供了一种强大且标准化的方法来创建逼真的数字资产。理解其核心原理、关键贴图的作用以及如何在不同工具和引擎中应用，是现代3D艺术家和开发者的必备技能。