PBR贴图基础知识

一，基础知识
二，PBR贴图类型
- 传统次世代方式
- PBR次世代方式
- - 1，金属度粗糙度流程---Base Color+Metallic+Roughness
  - 2，反射度光滑度流程---Diffuse/Albedo+specular+Glossiness/Smoothness
  - 3，通用贴图类型
  - - 法线贴图(normal)
    - 高度贴图（Height map）或者凹凸贴图(Bump Map)
    - 环境光吸收贴图( AO Ambient Occlusion)
    - 自发光贴图(Emissive/Emission Map)
    - 透明贴图(Opacity Map)
  - 4，其他贴图类型
  - - 置换/位移贴图( Displacement Map)
    - Gradient&Ramp渐变图、ColorLUT颜色查找表
    - 视差贴图(Parallax Map)和陡峭视差贴图(Steep Parallax Map)
    - 各向异性贴图(Anisotropic Map)
    - 缝隙图(Cavity Map)
    - 环境法线贴图(Bent Normal Map)
    - 曲率贴图(Curvature)
    - 厚度贴图(Thickness)
    - 位置贴图(Position Map)
    - 细节贴图(Detail Map)
    - 流动贴图(Flow Map)
  - 5，光照环境贴图
  - - 光照贴图(Light Map)
    - 球面环境贴图(Spherical Environment Map)
    - 立方体贴图(Cube Map)
参考资料

一，基础知识

基于物理的渲染（Physically Based Rendering , PBR）在高质量实时渲染中应用广泛，其主要知识体系在闫老师的games101中已经铺垫学习过了。

Blinn-Phong 反射模型
BRDF和渲染方程
微平面理论–Cook-Torrance模型计算BRDF
IBL（Image-Based Lighting 基于纹理的光照）

二，PBR贴图类型

传统次世代方式

主要以颜色贴图(diffuse map)，反射贴图(specular map)，法线贴图(normal map)三个组成，分别反映了颜色、反光、凹凸信息。

传统次世代方式主要用PS制作素材，颜色贴图中体现了高光，因此塑料感严重。

PBR次世代方式

这个阶段主要分为2个流程，金属度粗糙度流程(metalness-roughness workflow)和反射度光滑度流程(specular-smoothness workflow)，主要变为4张贴图。

PBR方式中颜色贴图不绘制光线，制作工具是SubstancePainter，概念是材质的叠加，并且依赖于引擎查看效果。

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1，金属度粗糙度流程—Base Color+Metallic+Roughness

由颜色贴图（Base Color，其实和diffuse作用一样），金属度贴图（Metallic或Metalness，单通道）,粗糙度贴图（Roughness，单通道）组成。
有的地方粗糙度会写成光滑度（smoothness），两者意义类似，数学上为(1-x)的关系。
Roughness粗糙度贴图与Glossiness Map光泽度贴图是相反的。Roughness 反向就变成Glossiness Map 。

2，反射度光滑度流程—Diffuse/Albedo+specular+Glossiness/Smoothness

由颜色贴图（diffuse漫反射，在unity中叫Albedo），反射（specular，反映了BRDF的F0，三通道）,光泽度（Glossiness/Smoothness，单通道）组成。
注意：金属的diffuse为黑色图，非金属的specular比较暗(0.15-0.3)，金属的specular比较亮(0.6-1.0)。
Base Color与Diffuse容易混淆，Base Color带了金属的反射率值需要配合上Metallic Map一起使用，其本质上是Diffuse和Specular的结合，这也是有时候通过先创建金属/粗糙度材质再将其转化为高光反射/光泽度的原因之一。（区别见下图）
反射度光滑度流程其实是对光照公式更直接的描绘。在shader内部实现的时候，会把BaseColor和metallic转换成diffuse和specular再计算。
主流引擎一般采用金属度流程，主要因为其对美术更友好并且Metallic比specular三通道少亮个通道，可以用来放AO和smoothness。但这样也会牺牲一部分质量、转换过程也会产生损耗（见下图），因此高质量的离线渲染中会采用反射度流程。

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3，通用贴图类型

法线贴图(normal)

存储表面的法线方向。方向是相对空间而言的，针对不同空间有3中法线贴图：Tangent切线空间、Object对象空间、World世界空间。

Tangent Space切线空间—基于每个面的切线方向，最常见

大部分浅蓝紫色，其中B通道表示法线方向的斜率；R通道表示左右切线方向的斜率；G通道表示切线方向向上或向下的斜率，如下图。
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Object Space对象/模型空间—基于整个对象而不是每个面

大部分看起来五颜六色，渲染快但无法镜像uv会浪费，且不能进行uv动画，因此一般切线空间更好。
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World Space世界空间—基于全坐标，最不灵活

仅用于环境或大型静态不对称物体，或用于风化效果等。
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高度贴图（Height map）或者凹凸贴图(Bump Map)

包含高度信息（不包含角度）----单通道
「Substance Painter、Substance Designer导出的Height高度图等同于Bump凹凸贴图，而不是Displacement置换贴图的信息。」

环境光吸收贴图( AO Ambient Occlusion)

描述了表面某点能获得多少环境中的光，单通道。该贴图只影响漫反射分配，不影响高光反射分配。
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自发光贴图(Emissive/Emission Map)

控制表面发射光的颜色和亮度，用于内部发光的物体，屏幕、led等。
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透明贴图(Opacity Map)

定义贴图的不透明度。当材质使用不透明度贴图时，它将充当mask隐藏对象的某些部分。例如可以将“不透明度”贴图用于剪切树叶形状，穿孔表面和网格等。

4，其他贴图类型

置换/位移贴图( Displacement Map)

可以改变模型对象的几何形状（顶点），但需要提高顶点数，通常结合曲面细分使用，因此开销大，开销和质量Dispalcement>Normal>Bump(>Reflection)。

对模型轮廓能实现Bump和Normal无法实现的效果。也作为高度图来生成地形，并结合凹凸贴图实现丰富的地形效果。
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Gradient&Ramp渐变图、ColorLUT颜色查找表

通常作为颜色贴图的一种全局使用。

视差贴图(Parallax Map)和陡峭视差贴图(Steep Parallax Map)

Displacement Map的另一个用途，也称为Virtual Displacement Map虚拟置换贴图，陡峭视差贴图额外通过增加采样数量提高陡峭处的正确率，但还是会在陡峭处有断层和锯齿，目前一般采用Relief Map（浮雕贴图）和Parallax Occlusion Map（视差遮蔽贴图）解决。
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