Strict PBR Shader with Substance

Two Kind of PBS

Metallic - Roughness

Pros:

• 比較容易製作，減少非金屬材質使用錯誤菲涅爾數值(F0)的狀況
• 較少的記憶體使用量(1張RGB+2張灰階)
• 較廣泛的被大多製作流程接受

Cons:

• 對於非金屬類材質的菲涅爾數值(F0)沒有任何控制，除了某些軟體可以使用特殊的技巧來控制非金屬材質的菲涅爾數值
• 貼圖邊緣的白邊瑕疵比較明顯，特別是在低解析的狀況時。

之所以容易製作並且減少錯誤，是因為被限制在只能透過 Metallic 來控制 Diffuse 和 Reflection，因此反射能量總和不會超過接收的能量（energy conservation）。

但這個作法會讓所有非金屬材質的菲涅爾數值都相同，大約是塑膠(1.45~1.6)。

Specular - Glossiness

Pros:

• 物件邊緣的瑕疵比較不明顯
• 可以透過 specular map 控制非金屬物質的菲涅爾數值

Cons:

• 製作上容易使用錯誤的數值(比較不物理正確)
• 較多的記憶體使用量(2張RGB+1張灰階)
• 在用詞上容易和傳統的流程搞混，例如 Diffuse Map 就和傳統流程的貼圖完全不同。

容易錯誤的原因，是因為 Specular/Glossiness 流程在反射強度上，會透過 Diffuse 和 Specular 兩張貼圖來控制，這樣很容易在製作的時候做出不符合能量守恆的狀況，例如白色表面配上白色的反射，在製作的時候就很容易讓反射能量超過 1，相較於 Metallic 在反射強度上只需要透過 BaseColor 來控制，Specular/Glossiness 流程會困難許多。

邊緣瑕疵

邊緣瑕疵的原因，主要是貼圖的邊緣做顏色插集計算的關係，
兩種作法都會有，但黑色比較不明顯。

使用 Metallic/Rougheness 流程時，
Base Color 在金屬部份是高亮度的顏色，這在模糊邊緣疊色會呈現白色，

使用 Specular/Glossiness 流程時，
Base Color 在金屬部份是黑色，在模糊邊緣疊色會呈現黑色

雖然無法完全消除邊緣瑕疵的現象，但是透過適當的貼圖大小和 UV 比例，可以大幅的改善邊緣模糊的問題。

Metallic/Roughness 流程的正確物理數值（顏色）

Base Color (RGB - sRGB)

這張RGB貼圖定義了兩個資料，非導體的反射顏色（diffuse and reflection color ），以及導體的反射強度（當該區域被定義為 metal 時）。

• 必須排除材質上的光線資訊
• 暗色的 RGB 數值應介於30～50之間（需嚴格限制）
• 亮色的 RGB 數值不應高於 240

這些顏色上的限制除了符合物理正確，
也是為了保留數值空間讓環境因素（燈光、反射等等）使用，
在使用 PBR 流程時必須嚴格檢查 Albedo/BaseColor 的 RGB 數值。

Metallic (Grayscale - Linear)

這張灰階貼圖用來定義該區域為金屬或是非金屬物質，類似遮罩的性質。
Metallic 本身沒有物理數值上的含意，僅用來解釋該區域的 Base Color 數值要轉換為 diffuse (非金屬) 或是反射率（金屬），一般來說 Metallic 只會是黑或白。

金屬表面在貼圖描述（ Base Color）上有兩個重點，一個是反射率在 70%～100% 的金屬區域，一個是氧化或是鏽蝕之後的非金屬區域。

• 金屬區域:
  在 Metallic Map 上的顏色會是 235～255 sRGB，並且因為要達到 70%～100% 的反射率，Base Color 的顏色會落在 180～255 sRGB 的範圍。

• 鏽蝕與非金屬區域:
  金屬表面因為鏽蝕或是被髒污覆蓋的區域，都應該被視為非金屬區域，
  當 Metallic Map 上的顏色低於 235 sRGB 時，
  反射強度就要低於 70%，Base Color 顏色需要低於 180 sRGB

Roughness (Grayscale - Linear)

這張灰階貼圖描述物體表面的粗糙程度，黑色表示平滑，白色表示粗糙。
Roughness Map 沒有絕對的對錯，是藝術家可以自由創造最多細節描述的貼圖。

Specular/Glossiness 流程的正確物理數值（顏色）

Diffuse/Albedo(RGB - sRGB)

這張 sRGB 貼圖看起來類似 Metal/Roughness 流程的 BaseColor，
製作的原則上也和 BaseColor 一樣，但是在金屬區域必須填上黑色。

• 顏色反映材質本身的顏色，但金屬區域必須為黑色
• 必須排除材質上的光線資訊
• 暗色的 RGB 數值應該介於30～50之間（需嚴格限制），金屬區域必須完全是黑色。
• 亮色的 RGB 數值不能高於 240

光線照射到物體之後，會有三種行為，反射，吸收，穿透（折射）。物體顯示的顏色是反射光線的結果，分為 specular reflection 和 diffuse reflection，這兩個反射的能量必須符合能量守恆定律，因此在完全 specular reflection 金屬物體上，diffuse reflection 的能量會是 0，也就是黑色

Specular (RGB- sRGB)

這張 sRGB 貼圖定義金屬的反射強度與非金屬的菲涅爾（F0）強度。

Specular 貼圖可以自由定義非金屬材質的（F0）強度，
不像 Metallic/Roughness 流程裡所有非金屬材質都是強制在 4% 反射率。

但是注意繪製時必須依照真實物理正確的強度，維持能量守恆，
非金屬的區域 Specular 必須是灰階，金屬區域的顏色必須在 180～255 sRGB 之間。

由於 Specular 貼圖同時包含金屬和非金屬的（F0）資訊，繪製時有不同的重點

• 金屬區域:
  （F0）必須基於真實物理資料，在鏽蝕或是污損的區域要降低反射強度，同時基於能量守恆原則，這些被定義為非金屬的區域在 Diffuse 的強度必須提高

• 非金屬區域:
  雖然可以自由的控制非金屬材質的（F0），但是請注意必須使用正確的物理數值。
  非金屬材質因為大部分的能量都被折射或吸收，所以反射出來的光線遠比金屬材質低很多。
  藉由折射率（IOR）的計算，大部分的非金屬材質的（F0）強度約為 2%～5%（linear），
  換算為 sRGB 是 40-75 之間。

  如果不確定材質的（F0）強度，一般我們會使用　4%（0.04-塑膠），寶石類是特例，它們的（F0）落在 0.05～0.17（linear）。
  另外，在 Metallic/Roughness 流程裡，透明（air）會將（F0）定為 0.0～0.08（linear）並且將 specularLevel channel 設為 0。

• Specular map 包含非金屬的（F0）資訊和金屬的反射強度。
• 非金屬的光源反射遠比金屬弱很多，通常只有 2～5%（40～75 sRGB ）。
• 一般寶石類的（F0）是 0.05～0.17 (linear)
• 一般流體類的（F0）是 0.02～0.04 (linear)
• 金屬的反射強度是 70～100%（180-255 sRGB）
• 如果你不知道材質的反射強度，那就用 0.04（塑膠）吧！

Glossiness (Grayscale - Linear)

這張灰階貼圖用來描述物體表面的粗糙程度，黑色表示粗糙，白色表示光滑，越粗糙的表面會造成越多的 Diffuse 現象。

這張貼圖的結果會跟 Metallic/Roughness 裡的 Roughness map 黑白相反，製作上的注意事項跟 Roughness map 相同。

• 盡情發揮你的創作能力吧！

補充事項：

• More about linear working flow:
  

• How do I measure sRGB values in photoshop?
  

AfterAll

PBR 的歷史：

Ready at Dawn
2011～2015 年 The Order:1886 建立次世代里程碑

Ready at Dawn 在 2013 SIGGRAPH 發表 PBR 製作流程影響至今，突破 console game 平台八年的技術瓶頸(這裡指的大約是 PS3 的全盛時期，主要是 Normal Map、AO 等技術 )

開發公司當時發表的製作方式和規格都被眾多公司導入。

物理正確性 VS 藝術性

使用這些 PBS 物理性規範的目的並不是為了要限制藝術家的創作，
而是讓美術人員能基於一致並且符合物理真實規範的環境，
創作出更寫實，更讓人信服的作品。

為什麼 PBS 要嚴格限制顏色範圍 ?

因為黑貓也是需要有人關心的。

保留材質受到光線與環境影響後的細節

人類對容易受到各種因素影響而得到錯誤的認知

"我覺得這樣比較好看"、"東西好看比較重要" 這類說法，
是藝術家對自己作品感到自信與驕傲的說法。

但美是很主觀的，每個人都會有自己的意見。

受到環境和其他因素影響，同樣的衣服會顯示不同顏色

大多數的人無法分辨 A 和 B 的顏色亮暗

數學物理公式是為了簡化材質調整

困難的事情，交給科學家就好了。

使用 PBS 的優勢 ?

• 大多製作軟體具備即時預覽材質的功能。

• 減少材質球的使用數量：

PBS 是透過貼圖來區分材質屬性，
可以很容易的將多個材質整合在一張貼圖裡

• 將材質製作規格化：

以往在不同軟體，不同平台，不同算圖引擎裡，
調整材質都有各自的一套方式，參數等等設定，
數位內容在這之間的轉換上非常的困難。
如果使用了 PBR 標準，只要將產生出來的貼圖指定到對應的屬性，
就可以得到近似的材質設定。

• 簡化材質製作

在 PBR 的製作流程裡需要調整的數值很少，而且一旦建立了規格化的基礎材質之後，藝術家可以更專心的去刻劃物件的歷史與故事性。

Substance Paint 的基本流程與注意事項

當我們使用 PBR 流程時，材質作法會和以前有一個很重要的差異，
不管是走 Specular/Glossiness 或是 Metallic/Roughness 路線，
以前我們會習慣將不同材質的物件分開然後給予不同的材質，
換個方向來說，就是我們會定義很多顆材質球在一個或是多個物體上，
但是在 PBR 流程裡，因為不同的材質是透過三張貼圖的組合來控制，
所以只需要一顆材質球就可以做出不同的材質特性。

注意事項

• 輸出前使用 vertex color 區分不同的材質區域：
  這是為了之後可以建立 ID 作為材質的 mask 使用，不同的軟體可以使用不同的方式，例如 Material ID 之類的。
  

• 先上好一套內建的基本材質作為基底，再疊上自己想要的髒污'花紋等等效果，隨時使用 meta_rough_validata filter 偵測 最後混合出來的顏色是否符合 PBR 的規範。
  

如果製作過程都正確的話，最後輸出的貼圖可以在同樣使用 PBR 規範的軟體裡呈現出很接近的效果。

將貼圖使用在 Vray 這類算圖引擎，也可以得到很好的效果。

• 注意 Substance 輸出的是圖片，但是代表數值的貼圖需要還原回數值，代表顏色的需要還原為顏色，建議輸出 EXR，這樣只需要校正 base color 和 reflection。

為什麼目前 Substance 會在市場上成為主流工具

1. 針對 PBR 製作符合規格的快速工具
   
   Substance 提供符合物理屬性的材質球和相關工具

2. 減少使用錯誤顏色範圍的機率
   

3. 解決複雜的數學問題
   

4. 更加靈活直覺的材質調整方式
   Substance Paint 可以用圖層的方式去對材質的效果做各疊加和遮罩等等處理，
   並且有各種 Samrt Material 可以使用。
   

5. 較容易做出物理正確的材質
   如果是在 3dsMax、Maya 這類軟體裡，因為沒有辦法正確的預覽，而且材質工具沒有預先做好規格和數值上的限制，只能憑藝術家的"感覺"去調整，容易調整出不符合能量守恆的材質。

參考資料

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相關文章

• How do I measure sRGB values in photoshop?

• PBR_volume_02_rev05

• PBR Validate filter

• 基于物理的渲染（一）：什么是渲染？

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PDF

• The Importance of Physically-Based Shading

• Crafting a Next-Gen Material Pipeline for The Order: 1886

影片

• Understanding PBR
  

• Texturing in Uncharted 4
  

• Textile scanning acquisition