美术 2.7 Metallic与Speculer流程
Metallic与Speculer流程
pbr模型
次时代模型通用理解是，经过高低模烘焙过的和使用了PBR贴图的模型，而pbr模型则是指适用于整个pbr流程的模型，这里来介绍pbr流程中各个贴图的作用。
metallic流程和speculer流程
这两种流程分别是pbr的两种不同的工作流，又叫金属/粗糙度工作流和镜面反射/光泽度工作流。
他们拥有共同贴图：法线贴图、AO贴图、高度贴图
metallic流程单独使用的贴图：Base Color，Roughness，Metallic。
speculer流程单独使用使用的贴图：Diffuse（Albedo），Glossiness，Specular。
金属/粗糙度工作流
特有贴图：Base Color
储存数据：非导体（电介质）的漫反射颜色/反照率颜色（Diffuse Reflected Color/Albedo）和金属导体的镜面反射的F0值。
非导体使用4%（0.04）的F0反射值。
混合材质（即非导体和金属导体混合材质）则可以认为同时储存了这两种数据。
非导体（即电解质，非金属）：暗色值，尽量不要低于30-50 sRGB，严格控制下应不低于50 sRGB。对于亮色值，贴图中不应高于240 sRGB。
导体（金属）的反射值：金属一般会有70-100%的镜面反射，映射到sRGB大概为180-255。
在Substance Designer软件中，你可以通过PBR BaseColor/Metallic Validate节点来验证是否在合适的范围内。
要点：
- 贴图中的颜色对于非金属材质来说是它的漫反射颜色，对于金属材质来说则是它的镜面反射的F0值（Reflectance value，所带色相与其反射的波长有关）。
- Base Color除了微观遮蔽信息（Micro-occlusion）以外，不应该含有任何的光照信息。
- 暗色值在宽松条件下不应该低于30sRGB，严格来说不应该低于50sRGB。
- 亮色值不应该高于240sRGB。
- 原始金属的反射值一般都很高，大概能达到70-100%的镜面反射，映射到sRGB范围大概是180-255。
特有贴图：Metallic
储存数据：对应区域的金属度。作用类似于图层遮罩，告诉着色器应该如何去解读Base Color贴图中的RGB数据。0.0纯黑代表非金属，1.0纯白代表纯金属。
要点：
- 金属被氧化、腐蚀、上漆、覆尘后，这些区域需要被当作非导体（电介质）材质来看待。
- 在Metallic贴图中，纯黑（0.0）代表了非金属，纯白（1.0）代表了金属；我们可以用过渡的灰阶来表示不同程度氧化和污垢。
- 如果Metallic贴图中有值低于235sRGB，那么在Base Color中对应区域的反射值也应该降低。
特有贴图：Roughness
在粗糙度贴图中，纯黑（0.0）代表了光滑表面，而纯白（1.0）代表了粗糙表面。
镜面反射/光泽度工作流
特有贴图：Diffuse
储存数据：漫反射颜色（Albedo）
要点：
- Diffuse贴图中的颜色表示的是漫反射颜色，原始金属由于没有漫反射，颜色应该为纯黑（0.0）。
- Diffuse贴图除了微观遮蔽（Micro-occlusion）外不应该带有其他光照信息。
- 除了表示金属的纯黑（0.0）外，暗色值最多不应该低于30 sRGB，严格上说，不应该低于50 sRGB。
- 亮色值不应该亮过240sRGB
特有贴图：Specular
储存数据：F0（0°菲涅尔反射值）
F0值都是基于真实世界测量的，没有需要，尽量不要使用反常规的数值。严谨一些的话，你甚至可以查表，别忘了线性空间和sRGB的转换。
要点：
- 镜面反射贴图包含F0值。
- 普遍非导体的反射值为2-5%，在sRGB中，这个值大概在40-75之间。
- 普通宝石的反射值范围在0.05-0.17（线性空间）
- 普通液体的反射值范围在0.02-0.04（线性空间）
- 而原始金属的反射值则可以高达70-100%的镜面反射，sRGB约为180-255.
- 如果你无法找到某个材质的折射率（IOR），可以先假设F0为4%，也就是塑料的。
特有贴图：Glossinees
光泽度贴图适用于描述表面不平整度的贴图，表面不平整会造成光的散射。在这个贴图中，纯黑（0.0）代表的是粗糙表面，而纯白（1.0）代表了平滑表面。这和M/R工作流里的粗糙度贴图是完全相反的，但是在设计侧却有着类似的制图原则。
总结
这两个流程有一个共同的问题，当贴图分辨率与纹素密度过小时，在金属导体和非导体交界会产生白/黑边。所以要有一张良好大小的布局的UV。
| Metallic/Roughness流程 | Specular/Glossiness流程 | |
| 优势 |
1.在M/R工作流中，由于非导体（电介质）的F0都是规定好的，所以设计师在对非导体F0赋值时不易出错。 2.纹理的缓存压力更小，因为金属贴图和粗糙度贴图都是灰度贴图。 3.目前来说是兼容性最广的工作流。 |
1.边缘效应不会那么明显。 2.可以再镜面反射贴图中对非导体（电介质）材质的F0值自由调整。 |
| 劣势 |
1.非导体（电介质）F0的值固定为4%，无法调整。然而，在太多实现流程中都有控制器可以直接复写这个值，所以也不能算硬伤。 2.白色边缘问题较明显，尤其是在低分辨率的情况下问题突出。 |
1.由于在S/G工作流的镜面反射贴图中，非导体（电介质）材质的F0值是可以自由调整的，所以也会导致设计师容易输入错误的值。而这些错误的值被着色器误读后可能会打破能量守恒定律，从而造成不正确的渲染效果。 2.由于新增了一张RGB通道的镜面反射贴图，所以对性能消耗会更大。 3.S/G工作流有些名词和传统的工作流太相似，但是实质所对应的数据可能是不一样的，因此会导致设计师容易误解或误操作。这种情况下就要求设计师有更好的PBR理论知识，例如了解非导体（电介质）的正确F0值，金属在漫反射色下表现为纯黑，以及在着色器没有自动校正情况下，能量守恒相关的基础知识。 |
流程转换
两种流程是可以互相转换的，本质上来说，贴图储存的是数据，两种流程储存的数据是部分一致的，因此转换的过程就是改变这些数据的位置和储存方式。参考八猴教程和SD转换节点进行讲解，也可以看看SD内部节点的实现方法。
| Base color | 漫反射颜色+镜面反射F0 | Diffuse | 漫反射颜色 |
| Metallic | 材质区分，辅助解读Base color | Specular | 镜面反射F0 |
| Roughness | 表面状态参数 | Glossiness | 表面状态参数 |
Metallic流程→Specular流程
Base color + Metallic → Diffuse
方法：去掉base color中的金属和混合材质的F0数据
实操：
- 打开base color和metallic，RGB模式
- 新建Diffuse图程，纯黑填充
- 单独显示metallic，在通道里ctrl+左键点选任意通道，选中选区
- Diffuse图层添加蒙版，自动将选区粘贴进蒙版
- 不需要改变图层类型
Base color + Metallic → Specular
方法：去掉base color中的漫反射数据，并加上非导体和混合材质的F0（默认0.04）
实操：
- 打开base color和metallic，RGB模式。
- 新建Specular图程，填充#383838。（0.04的linear对应约22的灰度，对应约56的RGB，对应代码#383838）
- 如果有specular level贴图，转换成对应的RGB颜色。
- 选中metallic，ctrl+i 反相。单独显示，在通道里ctrl+左键点选任意通道，选中选区。
- Specular图层添加蒙版，自动将选区粘贴进蒙版。
Roughness → Glossiness
方法：反相
实操：ctrl+i 反相。
Diffuse + Specular → Base color + Metallic
方法：找出金属区域对应的数据，金属的特性是F0在0.7-1之间，而非金属一般都不超过0.04，宝石最高可达0.17，差异明显。第二，金属没有漫反射，Diffuse中为黑色。所以我们可以从Specular或者Diffuse贴图中生成Metallic贴图。可能需要多次尝试才能得到与转换前较为一致的效果。
实操：
- Specular，菜单选择，色彩范围，选择阴影，灰度预览，调整参数。（也可使用Diffuse图层）（效果不好的话可以将阴影换为取样颜色，选择纯黑，调整容差）shift + ctrl + i 反选，创建蒙版。
- alt + 左键拖动蒙版到Diffuse图层，选择蒙版，ctrl + i反相。Base color完成
- 新建Metallic图层，填充黑色，ctrl+左键点击Specular蒙版进行选区，填充白色。Metallic完成
Glossiness → Roughness
方法：反相
实操：ctrl+i 反相。
参考链接
【技术美术百人计划】美术 2.7 Metallic与Speculer流程
