HPP_Art_2.7 Metallic与Speculer流程
a). PBR模型
基于物理的渲染模型，是当前主流游戏引擎使用的真实感3D渲染模型。
a.1). 两种工作流
PBR流程中，常用的有两种工作流程：
- 金属/粗糙度工作流(Metal/Roughness)
- 符合直觉，容易调参
- 更不容易打破能量守恒
- 高光（镜面反射）/光泽度（Specular/Glossiness）工作流
- 可自由调节$F_0$（零度菲涅尔反射）值
- 容易打破能量守恒
a.2). F0反射率值
大多数常用的电介质的F0范围从0.02-0.05（线性值）。对于导体，F0值 范围为0.5-1.0。因此表面的反射率由折射率决定，正如下面的方程式所示（Lagarde 2011）。
图1. 金属和非金属的$F_0$值 ↩
图2. 电介质$F_0$值和金属反射率值 ↩
- 通用贴图：法线贴图、AO贴图、高度贴图等
b). Metal/Roughness工作流
b.1). Base color(RGB-sRGB)
储存数据：
- 非导体 的漫反射颜色/反照率颜色（Diffuse Reflected Color/Albedo）
- 金属导体 的镜面反射$F_0$值
- 非导体使用4%(0.04) 的$F_0$反射值（在一些软件中可以自定义）
- 混合材质（即非导体和金属导体混合材质，如锈蚀）则可以认为同时储存了两种数据
注意事项：
非导体（即电介质，非金属）： 暗色值，尽量不要低于30-50sRGB，严格控制下应不低于50sRGB。对于亮色值，贴图中不应高于240sRGB；
导体（金属）： 金属一般会有70-100%的镜面反射，映射到sRGB大概为180-255；
在SP中，可通过滤镜中的PBR检查；SD可通过PBR BaseColor/Metallic Validate节点验证是否在合适范围内；
BaseColor中除了微观遮蔽信息（Micro-occlusion）以外，不应包含任何光照信息；
b.2). Metallic(Grey-Linear)
储存数据：
- 对应区域的金属度。0.0纯黑代表非金属，1.0纯白代表纯金属。
注意事项：
- 纯金属灰度范围在235-255 sRGB，其对应的反射率范围为70%-100%（180-255sRGB）
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；
对于金属，如Metallic低于235 sRGB，在BaseColor中反射率值应降低。（如一个地方锈蚀特别严重，Metallic低于235sRGB，那么需要降低BaseColor）；
b.3). Roughness(Grey-Linear)
Roughness中，纯黑（0.0）代表平滑表面，纯白（1.0）代表粗糙平面。
这改变了光的方向，但是光强度保持恒定不变。表面越粗糙，高光越散越暗。表面越光滑，高光反射集中，尽管反射的光的总量是一点的，表面也会更亮，光会更强。
c). Specular/Glossiness工作流
c.1). Diffuse(RGB-sRGB)
储存数据：
- 漫反射颜色（Albedo）
注意事项：
- Diffuse贴图表示的是漫反射颜色，Raw Metal没有漫反射，因此为纯黑（0.0）。如果发生氧化现象，金属区域就会有颜色；
- Diffuse中除了微观遮蔽信息（Micro-occlusion）以外，不应包含任何光照信息；
- 除了表示金属的纯黑（0.0）外，暗色值不应低于30sRGB，严格上说，不应该低于50sRGB；
- 亮色值不应该高于240sRGB；
c.2). Specular(RGB-sRGB)
储存数据：
- $F_0$（0度菲涅尔反射值）
注意事项：
- 镜面反射贴图包含$F_0$值；
- 普遍非导体的反射值为2-5%（线性），对应40-75 sRGB；
- 普通宝石的反射值范围在0.05-0.17（线性）；
- 普通液体的反射值范围在0.02-0.04（线性）；
- 而原始金属（Raw Metal）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F0。
c.3). Glossiness(Grey-Linear)
储存数据：
- 对应区域的光泽度。0.0纯黑代表粗糙，1.0纯白代表光滑。和金属工作流的Roughness为反相的关系；
d). Metallic vs. Specular
边缘效应：
金属工作流导致金属和非金属的边缘出现白色边界
高光工作流导致金属和非金属边缘出现黑色伪影
原因： 纹理插值（放大），贴图分辨率和Texel密度直接影响边界伪影的可见度
解决方法： 尽可能使纹理的UV利用率高；
| 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FO都是规定好的所以设计师在对非导体FO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. 可以在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，在大多是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℉0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FO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。 |
e). Metallic和Specular流程的贴图转换（PS演示）
金属工作流各贴图含义：
| 贴图 | 含义 |
|---|---|
| Base color | 漫反射颜色+镜面反射$F_0$ |
| Metallic | 材质区分，辅助解读Base color |
| Roughness | 表面状态参数 |
高光工作流各贴图含义：
| 贴图 | 含义 |
|---|---|
| Diffuse | 漫反射颜色 |
| Specular | 镜面反射$F_0$ |
| Glossiness | 表面状态参数（Roughness反相） |
e.1). Metallic流程 → Specular流程
BaseColor + Metallic → Diffuse
- 方法： 去掉Base Color中金属和混合材质的$F_0$数据
- 实操：
- 打开BaseColor和Metallic，RGB模式
- 新建Diffuse图层，纯黑填充；
- 选择Metallic任一通道，得到带灰度的区域$a$；
- Diffuse图层新建区域 $a$ 的蒙版，底层为BaseColor；
BaseColor + Metallic → Specular
- 方法： 去掉BaseColor中的漫反射数据，并加上非导体和混合材质的$F_0$ （默认0.04，56 sRGB，#383838）
- 实操：
- 打开BaseColor和Metallic，RGB模式
- 新建Specular图层，填充#383838（0.04对于22-Linear，对应56 sRGB，即#383838）；
- 反相Metallic，选择Metallic任一通道，得到带灰度的区域$b$；
- Specular图层新建区域 $b$的蒙版，底层为BaseColor；
Roughness → Glossiness
- 方法： 反相
e.2). Specular流程 → Metallic流程
Diffuse + Specular → BaseColor + Metallic
- 方法： 找出金属区域对应的数据，金属的特性是$F_0$在0.7-1.0之间，而非金属一般不超过0.04（宝石最高0.17），差异明显。
- 实操：
- Specular,菜单选择，色彩范围，选择阴影，灰度预览，调整参数。（也可以使用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Metallicl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
Homework
高光工作流转金属工作流 对比：
金属工作流转高光工作流 对比：
乍一看，经过两次转换（原资源为高光工作流，经过PS转为金属工作流后又转到高光工作流），表面上看起来区别不大，但其实已经有所变化，因此，需要在PS中多次尝试；
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图3. 左侧为原Specular贴图，右侧为转换两次后的Specular贴图，可以看到已经丢失了许多细节； ↩