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PBR:應(yīng)用于虛幻引擎4貼圖和材質(zhì)創(chuàng)建的啟示

來源: 52vr | 責(zé)任編輯:傳說的落葉 | 發(fā)布時間: 2019-06-04 08:22 | 瀏覽量:

PBR材質(zhì)似乎在一夜之間改變了人們對于引擎實時渲染畫面的理解。在游戲中我們也能夠體驗到銹蝕的金屬,厚重的皮革,精細的紋理,更加真實的世界從此展現(xiàn)在眼前。自此,PBR材質(zhì)成為了“次時代”游戲必備的標準。

在GDCC2015,來自Epic Games資深開發(fā)者支持美術(shù)設(shè)計師李文磊,為大家?guī)響?yīng)用于虛幻引擎4貼圖和材質(zhì)創(chuàng)建的啟示。

 

以下內(nèi)容是演講實錄:

PBR是個不老不新的話題,很早它就出現(xiàn)在預(yù)渲染的渲染器里,隨著硬件越來越快,尤其是顯卡,最近幾年逐漸的開始應(yīng)用到實時渲染中來。

 

今天就和大家一起來聊聊虛幻引擎實時渲染引入PBR以后,我們怎么來正確的使用它

 

PBR即基于物理的渲染,渲染包括燈光,shader, 材質(zhì), 貼圖,以及他們之前如何交互影響的,今天的演講內(nèi)容主要分三部分內(nèi)容。1.真實世界的光,材質(zhì),以及他們之間的交互是如何的,2. UE4里是如何來模擬真實世界的,3.我們該怎么做才是正確的。

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要學(xué)會使用PBR首先需要了解什么是PBR,需要從真實世界的這些PBR材質(zhì)特有的屬性拆分開來去了解他們,這樣我們就需要了解光,物體表面材質(zhì)以及光是如何與材質(zhì)交互的。 光包括了顏色,亮度,衰減,強度,形狀等主要屬性,真實的世界中永遠是多光源并存,除非身處于宇宙深空之中。

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我們把自身能發(fā)光的物體叫做直接光源,自身不發(fā)光僅僅反彈其他光源的物體叫做非直射光源。分析下這張圖,從美術(shù)角度我們把他分成主光,輔光,裝飾光。雖然天色已晚主光還是來自于天空,天空的光線來自于太陽的散射,因此主光來自于一個天空的非直射光

 

附光來自于路燈,大的城市照明。這些光大都數(shù)也是反彈光,而非燈泡光源直接照射到。因此前景的人物基本是在一個天光的環(huán)境下低對比低照度的燈光環(huán)境下

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那么自然界中的材質(zhì)是如何跟光交互的呢?燈光照射到物體表面后兩種情況,反射或繼續(xù)前行折射。折射后的光線被吸收(一般轉(zhuǎn)化為熱),或離散。光線被吸收的行為不是發(fā)生在表面,而是次表面,或者內(nèi)部反射不會帶出任何顏色。

 

吸收會使光線強度降低,吸收某一光譜的光線,余下的光線顏色化,但方向不變,離散后方向改變,強度不變這里對于絕緣體和導(dǎo)體,兩者與光的交互是完全不同的絕緣體,即非金屬的反射率普遍很低,一般在2%-8%左右,大部分光線進行折射,折射后的光線或者被吸收,或者重新離散出來。這部分折射的光線吸收率和材質(zhì)的明度關(guān),暗的吸收多,亮的吸收少;離散后光線的顏色也取決于物體表面顏色;

 

對于導(dǎo)體,即金屬,反射率普遍很高,達到70%-100%,所以大部分光線會以鏡面反射的形式反彈回來。小部分光線折射后完全被吸收(光是一種粒子,被導(dǎo)體吸收),不同的金屬吸收不同波長的光線,導(dǎo)致鏡面反射回的光線帶有顏色;

 

漫射和鏡面反射:漫射為反射光線方向隨機,不一致;鏡面反射為一個方向。鏡面反射會根據(jù)物體表面的粗糙程度表現(xiàn)不同結(jié)果。但無論光滑粗糙,反射的總能量是一樣的,而且光線反射后的強度不變。漫射是光線被折射的表現(xiàn)。光線從一種媒介進入另一種媒介,并在里面經(jīng)過多次的散射后從近似入射點的位置返回原來的介質(zhì)中。漫射過程中除了光線的離散光線還會被吸收(轉(zhuǎn)化成熱能)。光線進入介質(zhì)不深,那么進入點和離開點的差別就可以被忽略。那種光線離散性高,但吸收性弱的材質(zhì)有時指參與介質(zhì)或者叫透明材質(zhì)。比如煙,牛奶,皮膚,翡翠,大理石等。

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而在更細微的層面,比如顯微鏡下,微表面就是物體表面細微的不規(guī)則。根據(jù)不同的流程可以叫粗糙度,光滑度,光澤度。表面的不規(guī)則度其實對于慢反射的影響視覺上不大,因為漫射的這種離散和吸收過程是發(fā)生在材質(zhì)內(nèi)部的而非表面。

 

微表面理論就是建立在物體表面這種細微不規(guī)則性的基礎(chǔ)上的。可以把它看作許許多多不同方向的面,這些面就叫做微表面。光線對于這些面對入射角都是不一樣的,反彈后的角度也不一樣,并且有的地方被擋住,有的地方會產(chǎn)生陰影,視覺上會產(chǎn)生模糊的反射

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在引擎中的明暗shading計算引入了各種函數(shù)理論模型,來盡量逼近模擬自然界的物理現(xiàn)象

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我們可以通過BRDF來了解UE4里面是如何模擬的。

 

BRDF 雙向反射分布函數(shù)(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)場景中的光照射到材質(zhì)表面反射到視點的光亮度計算方法函數(shù),來定義材質(zhì)屬性。它描述了入射光線經(jīng)過某個表面反射后如何在各個出射方向上分布,這可以是從理想鏡面反射到漫反射

 

UE4 PBS中引入了各種BRDF理論模型,也可以在shader里選擇默認模型,最終需要效率和效果的一個最佳結(jié)合點。

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通過一些簡單的參數(shù),我們可以在引擎中用來區(qū)分不同類型材質(zhì)的反射特性。

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在UE4材質(zhì)里面,每一個input都有著各自的特性,他們的組合成為了一個個不同屬性的物理材質(zhì)。

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通過一個簡單的Metallic參數(shù)的調(diào)整,我們就可以輕易區(qū)分兩個完全不同的材質(zhì)。

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物體表面的反光屬性也是這樣一個非常重要的參數(shù),通過這張圖片,我們就能夠非常清晰的區(qū)分開來。

 

那么如何制作一個高質(zhì)量的PBR材質(zhì),如何選擇使用的工具,如何設(shè)置燈光呢?、

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首先觀察生活中的真實物體是非常重要的環(huán)節(jié),它能夠給你一個基本的概念,不同的材質(zhì)應(yīng)該有哪些不同的屬性。在設(shè)計過程中,我們會有一些描述性的詞語來清晰說明目標材質(zhì)的屬性(文字+圖片),描述詞匯包括

 

材質(zhì)類型:鋼,塑料,鐵,玻璃,油漆

材質(zhì)明度顏色

材質(zhì)表面處理:打磨過的,拋光,磨砂

材質(zhì)環(huán)境影響細節(jié)描述: 生銹的,刮擦的,磕碰的,臟的,油膩的,油漆剝落的,積灰的,嶄新的

 

翻譯這些信息到UE的材質(zhì)屬性,材質(zhì)類型的信息來區(qū)分金屬還是非金屬,材質(zhì)明度及顏色來定義BaseColor,表面處理關(guān)系到Roughness,環(huán)境影響復(fù)雜多變,牽扯到包括以上多個通道。

 

比如臟舊磕碰的金屬掉漆的表面:掉落油漆的部分為金屬,未掉落部分為油漆,在材質(zhì)類型金屬性的定義里區(qū)分開來;磕碰信息從法線貼圖,粗糙度貼圖;新舊又影響鏡面反射的量和連續(xù)性,又和粗糙度貼圖有關(guān)

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在項目開始前問幾個問題:

  1. 材質(zhì)需要共用嗎?

  2. 材質(zhì)的精度要求高嗎?

  3. 材質(zhì)需要統(tǒng)一管理迅速迭代嗎?

  4. 需要自定義或允許改變外觀嗎?

  5. 效率/內(nèi)存:材質(zhì)能夠多復(fù)雜?貼圖能夠支持多少?

  6. 是否需要復(fù)用?

  7. CG or Game?

  8. 需要改變貼圖嗎?

  9. 內(nèi)存多大?

  10. 客戶端大小?

  11. 編輯器內(nèi)還是外

  12. 其他問題

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通過創(chuàng)建區(qū)分材質(zhì),將一個模型不同的區(qū)域區(qū)分開來,區(qū)分大塊面材質(zhì)的意義在于一個物件有多種材質(zhì),必須有區(qū)分它們的mask,方便隨時修改不同材質(zhì)區(qū)域的貼圖,提供在引擎中更換不同區(qū)域的材質(zhì)的可能性,為進一步在表面增加細節(jié)提供區(qū)分的通道

 

區(qū)分材質(zhì)的信息是灰度圖,不同的區(qū)域可以放在一張RGBA貼圖的各個通道里;根據(jù)材質(zhì)的數(shù)量可以是單張或多張。

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真實的世界中,每一個材質(zhì)都有許多的細節(jié),所以接下來,為材質(zhì)添加更多的細節(jié),比如劃痕,污漬,環(huán)境元素等,這些信息來自于模型起伏,法線,可以手動選?。唤?jīng)常由一些工具軟件生成,這些工具軟件可以比較只能的根據(jù)已有的模型信息判斷和生成出自然的細節(jié)。

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將大塊面的材質(zhì)區(qū)分通道和細節(jié)材質(zhì)區(qū)分通道進行混合,由于大塊面材質(zhì)區(qū)分通道和細節(jié)材質(zhì)區(qū)分通道是分離的給混合提供了更多的自由度,這種自由度表現(xiàn)在可以控制哪些細節(jié)可以出現(xiàn)或者被屏蔽在哪些區(qū)域。

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現(xiàn)在在市面上可以看到大量的工具可以幫助在UE4里面完成PBR材質(zhì)的制作,在這里我們列舉出了一些主流的配套工具。

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制作的過程分為三個部分,從高模和低模創(chuàng)建出NormalMap,ID Mask ,AO和Cavity。然后再上面添加必要的細節(jié),最終導(dǎo)入UE4。

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在這里我們可以通過這些工具來增加細節(jié)貼圖,在引擎中合并,這樣可以讓材質(zhì)更為真實。

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通過以下這些步驟,我們就能夠表現(xiàn)多層材質(zhì)

  1. 導(dǎo)入:主MASK, 細節(jié)MASK, NORMALMAP, AO, CAVITY

  2. 創(chuàng)建基本材質(zhì),包括基本材質(zhì)中細節(jié)添加的可能性

  3. 創(chuàng)建母材質(zhì),混合基本材質(zhì)

  4. 添加更多變化:圖案,潮濕度/多孔性

  5. 創(chuàng)建材質(zhì)實例

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材質(zhì)貼圖都完事了?還沒結(jié)束呢。PBR的關(guān)鍵之一燈光:創(chuàng)建真實的燈光環(huán)境。 (這里不談?wù)撍囆g(shù)的燈光環(huán)境,僅追求真實)

 

真實的燈光包括直射光,非直射光, 并且HDR,在燈光半徑范圍內(nèi)的物體表面會被燈光直接照亮,并有高光點;范圍外物任何照明(包括漫射和鏡面反射)。

 

在真實世界中燈光理論上是沒有范圍的,雖然隨著距離增加照度降低,但始終會有影響,在鏡面反射上尤為明顯。

 

這種反射在UE4里需要由高動態(tài)的環(huán)境反射貼圖來表現(xiàn),是一種IBL的照明方式。

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有了燈光的烘托,一把次時代PBR材質(zhì)的武器就正式登場了。

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PBR材質(zhì)是未來的標準,在傳統(tǒng)材質(zhì)轉(zhuǎn)換到PBR材質(zhì)的過程當(dāng)中,我們會遇到很多的挑戰(zhàn)。對于傳統(tǒng)貼圖到PBR貼圖沒有一鍵轉(zhuǎn)換的工具,因為有些信息計算機是無法猜測出來的,還是需要主觀去判斷。目前有兩種PBR流程貼圖轉(zhuǎn)換可以使用工具。

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現(xiàn)在的燈光有直射光,陰影,也有間接光,間接反射等,所以貼圖上不需要把燈光信息畫上去,只要專注于表達材質(zhì)屬性。我們不需要畫高光顏色(反色)來達到一個看上去是白色的;線性空間渲染意味著對于basecolor的明度范圍大概30-50 到180-250

 

能量守恒使得高光如何怎么變都不會增加或減少,就不需要手動的來調(diào)整貼圖使得粗糙的地方高光貼圖暗,光滑的地方高光貼圖亮。這時候就需要用已有的信息或修改后生成roughness,Cavity:來定義微表面的變化。

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通過這樣的調(diào)整,我們就能夠?qū)鹘y(tǒng)的材質(zhì)轉(zhuǎn)化到PBR材質(zhì)。為我們的游戲添加更好的質(zhì)感。


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