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pbr材質介紹
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  • 更新:2018-05-17

什么是 PBR?


PBR 不是僅針對材質,他其實是一個系統性渲染流程,包含了光線、材質、紋理、色彩管理等。在這個體系當中,無論是經由物理化材質實現的光照、陰影或者色彩變化,還是物體表面的材質特征都將會有非常大的提升。

PBR 看似如此復雜的技術,但背后的原則卻很簡單,就兩條:

  1. 光線能量守恒定律。
  2. 菲涅爾效果無處不在。
光線能量守恒

物理上大家都了解能量守恒定律,這里我們用同樣概念來理解光線。Specular 高光反射光與 Diffuse 漫反射光其實是相互排斥的,有你沒我的感覺,因為離開表面的光總量不能比其接受的入射光強,兩者的綜合值加起來不能超過1,這意味著,如果你的希望材質有較高的高光反射效果(高反射率),就需要要去降低漫反射,能量守恒是 PBR 的一個重要的指導思想,可以讓系統計算光線效果時,不會違法物理定律。

其實任何物體都會對光線有吸收,稱之為平面散射,光線在接觸物體后會分為兩部分繼續前進:進入物體表面的部分(折射,在物體內部傳播中被吸收或散射),從表面出去進入人眼(反射)。


但因為物體的表面材質不同,表面光線的方向變化也會有區別。平滑的表面偏移比較輕微,從而反射光的方向變化也較小,有了較清晰的反射,如上面圖效果。而下面的表面粗糙,表面方向的變化范圍也較廣泛,反射光的方向變化也比較大,出現了模糊的反射。通常我們在材質中會用 Roughness 參數來控制,有時俗稱這是在添加磨砂效果。

這里還有一點誤區,就是我們常理解只有水這樣的液體或果凍類軟體,會存在光線穿透再折射或反射(通常使用 SSS 效果來表現這種質感),在現實世界中,我們如果只是看 Specular 高光效果,那這個理解是沒問題的,但 Diffuse 漫反射呢?

對于任何一個物體,當產生漫反射的光線到達物體表面時,一部分會經過折射,被材質吸收(或者說轉變為熱能,這就是太陽下的石頭越烤越燙的原因),或者在內部進行散射。一部分散射光最終會重新返回表面,再從表面折射出來,并被攝像機或眼睛所捕捉到。那么形成漫反射效果的光在被物質吸收并散射后,會成為不同波長的光(也稱跨越光譜),這也就給予了物體不同的顏色,比如金屬會吸收所有的穿透光,也就沒有任何漫反射部分,但金屬氧化的部分會和一些表面殘留物,構成少量的散射光,形成不同的顏色,而正因為散射的混亂比較均勻,從每個方向看起來都是一樣,所以這點和鏡面光效不一樣。



所以你看,其實金屬的漫反射屬性是為0的。這樣思考之后,就會發現一個問題,這和我們平時制作材質的思路好像有點不一樣了呢?對,不過要將這種反射思路混合起來,還需要了解最重要的一個參數,就是剛才提到的,無處不在的菲涅爾效果。

Fresnel 菲涅爾屬性

菲涅爾指的是:光在光疏介質傳遞到光密介質的時候,在一定的角度下會發生全發射。公式為sinc=n1/n2。其中兩個n分別為兩種介質的折射率。角度C為全反射的臨界角度。

聽不懂是吧,哈哈太科學了,換個簡單的方式解釋吧,看個圖。

有沒有發現,其實湖水是相當清澈的,我們看近景位置,水的穿透效果真好,水底一覽無余,但是越往對岸看去,越發現水的反射效果越強,在最遠處,也就是平面和視覺夾角最小的位置,可以看到湖面幾乎成了一面鏡子(100%的反射)。那么我們就可以用菲涅爾來定義這種效果,其指代的是材質的反射率和入射角(也就是光源入射向量和平面法線向量的夾角)的對應關系,也就是說,入射光的角度越大,反射率也會越強。

PBR 理論中,就是重點借助菲涅爾來修正材質的光線關系,這里略枯燥,但很重要哦,看下圖!

這是一個黑色的塑料材質,我們就稱之為通用的非金屬效果,其中,越接近邊緣橙色區域,也就是視覺角度達到了90度,材質反射率可以無限趨近100%,而平視角度的反射率接近物體本身的值。對應現實中,水和液體的物理反射率是2%,磚塊8%,其他有機材質和塑料是5%,半導體和晶體是15%~50% ,那么金屬呢?看下圖。

我們可以看到,金屬本身的反射率就是60%~90%,而當視覺角度逐漸加大時,金屬和非金屬都會無限接近100%反射,他們之間的唯一區別也就是效果的跨度感了。所以,制作材質的時候,是不是我們只需要設置物體的起始反射率就行了,剩下的逼近效果就留給系統自己完成,如何?

那么 PBR 中通常就會使用到前面講到的 Roughness 光澤度屬性,為物體提供一個基礎反射率,設置其表面的最小反射值,然后剩下就交給系統,讓其自動解算菲涅爾曲線,以滿足不同角度的效果需求。



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