计算机图形学 – PBR纹理中不同贴图的作用和意义

PBR（Physically Based Rendering）基于物理的渲染。为了在游戏或者3D应用中获取更加真实的渲染效果，越来越多的3D游戏或者虚拟应用以及游戏引擎开始使用PBR纹理/材质。在实时渲染的场景中，PBR是在现有算力下可以提供真实感渲染的最常用的选择。本文我们将简要介绍在PBR纹理/材质中使用的贴图以及每一个贴图的作用。

PBR纹理/材质通常包含以下贴图：

1. Albedo
2. Normal
3. Roughness
4. Metalness
5. Specular
6. Height
7. Opacity
8. Ambient Occlusion
9. Refraction
10. Emissive

PBR材质通常由上述贴图组成，了解上述每一种贴图在渲染中的作用以及组合构成PBR的渲染效果是十分有必要的。如果我们可以更加详细的了解每一种贴图的具体作用，我们可以进一步修改贴图或者修改代码以获得更加真实的渲染效果。

1 Albedo Map

Albedo Map，反射率贴图为模型表面基础颜色贴图。比如模型为一个虚拟的人，那么其身体部分的模型的Albedo Map就是衣服一类的贴图。

2 Normal Map

Normal Map，法线贴图决定了光照与模型的交互方式。法线贴图通过复杂的计算来模拟光与模型表面的相互作用，显示模型表面的细小的凹凸部分。

3 Roughness Map

Roughness Map，粗糙度贴图用于描述模型表面的光滑程度。粗糙度贴图决定了光线在模型表面上的传播方式。如果物体的表面越粗糙，那么当光照射到模型表面，该表面会向更多的方向散射射入光线；反之，如果物体的表面越光滑，其对入射光线的散射越少。粗糙度贴图上的值处于0.0 - 1.0 的区间范围内，当粗糙度的贴图中的值为0.0时，表示模型表面是极其光滑的，其模型表面不会散射光，从而模型表面将会产生更加清晰更加明亮的反射光和亮度；当粗糙度贴图中的值为1.0时，表示模型表面是很粗糙的，入射光线将在模型表面在多个方向进行散射，照明和反射将在模型表面分布的更广，但是模型会看起来更暗。比如橡胶的粗糙度约为1.0，而白色塑料的粗糙度约为0.0。

粗糙度贴图是灰度图，白色的粗糙度贴图表示最粗糙的表面，而黑色的粗糙度贴图表示光滑的表面。

4 Metalness Map

Metalness Map，金属度贴图，指曲面反射其周围环境的程度。其贴图的数值处于0.0 - 1.0的范围内，当金属度为0.0时，反射率颜色完全可见，例如塑料和陶瓷；当金属度为0.5时，模型表面看起来像是涂漆的金属；当金属度为1.0时，表面几乎失去了所有的反射率颜色，只反射了环境。比如，当金属度为1.0并且粗糙图为0.0时，模型表面看起来类似于镜子。

5 Specular Map

Specular Map，高光贴图或者叫镜面反射贴图，在PBR中，镜面反射贴图使用RGB颜色，在有些时候使用镜面高光贴图替代金属度贴图。

如果要用金属贴图制作黄铜材质，请在反照率中为贴图的该部分绘制黄铜色调，以便反射使材质具有黄铜外观。相反，如果使用镜面反射贴图，反照率的黄铜区域将完全为黑色，您需要在镜面反射贴图上绘制黄铜细节以实现相同的效果。这样做的好处是，您可以使用镜面贴图来更改非金属材质管理反射的方式，从而获得更大的自由度和控制。缺点是很难精确地管理您想要的结果。

6 Height Map

Height Map，高度贴图。

法线贴图和高度贴图的相似之处在于，它们都为基础网格提供了细节。两者之间的关键区别在于，与普通贴图不同，高度贴图实际上向三维网格添加数据并提高多边形数。

在上面的图像中，您可以看到网格从球体外边缘的脊线处伸出。当你看标准地图时，你会注意到边缘仍然是完美的圆形，这打破了深度感。高度贴图是一种灰度贴图，其中黑色表示网格的底部，白色表示网格的最高峰值，灰色阴影表示其间的一切。高度贴图的好处在于提供了大量的细节，无论从哪个角度看，在任何照明条件下都显得完美无瑕。另一方面，细分模型的必要性增加了渲染时间。因此，为了方便起见，首选法线贴图。

7 Opacity Map

Opacity Map，透明贴图。

可以使用不透明度贴图使材质区域透明。如果您正在构建玻璃或低多边形树枝或贴花，这一点至关重要。

它可以用于树木或贴花，如上图所示。您可以在单个多边形平面上构造一组完整的树叶，并使用不透明度贴图使多余的多边形消失。然后可以对这些多边形进行分层，以创建只需要很少处理能力的真实树。

不透明度贴图也为灰度图。白色是完全不透明的，而黑色是完全透明的。它们之间半透明程度的变化由灰色表示。0.0是不透明的，而1.0是透明的。

8 Ambient Occlusion

Ambient Occlusion，环境光遮蔽贴图，也称AO贴图。

环境光遮挡将阴影添加到具有裂缝的对象的被遮挡部分，使其看起来更逼真。在渲染时，该贴图将和反照率混合，以描述其对光线的反应。这张地图是灰度的，白色占据了大部分的光线，而较暗的部分则更多地处于阴影中，光线反应性较弱。遮挡值的范围从0.0到1.0，0.0表示完全黑暗（遮挡），1.0表示没有遮挡。

9 Refraction Map

Refraction Map，折射贴图。

折射是光通过固体、液体或气体时发生弯曲的过程，通过透明物体观察时会扭曲物体的外观，如名称所定义。正是这种现象使放大镜发挥作用，并使物体在水下观看时看起来有所不同。所有透明材质都会在现实生活中引发折射，因此需要在渲染时表现出来，以尽可能逼真现实效果。在大多数情况下，折射贴图本质上是一组常量值。模型中不想折射光的部分几乎肯定是不透明的，因此它们是否折射光并不重要。

10 Emissive Map

Emissive Map，自发光贴图。

这些贴图会使材质中的某些元素看起来发出自己的光，使它们可以在黑暗的地方看到。自发光有利于照明小型LED或创建独特的条形照明效果。但是，如果应用过多，场景中的细节将完全消失，场景将失去活力。这些是完整的RGB贴图。它们类似于反照率图，但它们用于光。虽然自发光贴图可以用于照亮整个场景，但它比添加传统照明复杂得多。

参考链接

• https://www.a23d.co/blog/different-maps-in-pbr-textures/