基于物理的材质

有关主要材质输入及如何加以善用的概述。

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PhysMatHeader.png

本文旨在为那些需要快速开始了解虚幻引擎 4 中基于物理的材质系统的用户提供帮助。本文假定 您至少在一定程度上熟悉虚幻引擎(至少虚幻引擎 3 或更高版本)中的材质创建。如果您完全不熟悉虚幻引擎中的材质, 您可从 基本材质概念 页面入手。

在这里,我们的目标只是"以普通语言"向您提供有关如何使用此系统建立标准材质的基本知识,因为 即使是有先前虚幻引擎迭代经验的用户也可能会在这方面遇到困扰。我们仅将注意力放在 基于物理的方法所涉及的材质方面。要获取可用输入的纲要,请参阅材质输入

"基于物理"有何含义?

基于物理的明暗处理意味着我们估算光线的实际情况,而不是估算我们 凭直觉认为它应该发生的情况。最终结果是,这样可产生更准确并且通常更加自然的外观。基于物理 的材质在所有照明环境中都可以同样完美地工作。另外,材质值可以 不那么复杂,相互依赖也可以少一些,从而产生更加直观的界面。这些益处甚至适用于非逼真 渲染,您可在皮克斯 [4] 和迪士尼 [3] 的最新电影中找到证明。

由于这些及其他原因,虚幻引擎 4 已采用基于物理的新材质和明暗处理模型。要了解 有关 UE4 中基于物理的材质和明暗处理模型的深入技术说明,请参阅我的 SIGGRAPH 演示稿 [2]

材质参数

在材质系统的"基于物理"方面,只有 4 个您需要熟悉的不同属性。它们是:

  • 底色(Base Color)

  • 粗糙度(Roughness)

  • 金属色(Metallic)

  • 高光(Specular)

所有这些输入都设计成接收介于 0 与 1 之间的值。对于 底色(Base Color),这表示 RGB 值介于 0 与 1 之间的颜色。

基于物理的值可以从现实材质中测得。下面是一些示例。

底色

底色(Base Color) 定义材质的整体颜色。它接收 Vector3 (RGB) 值,并且每个通道都自动限制在 0 与 1 之间。

如果是从现实世界获得的,那么这是使用偏振滤光器拍摄时获得的颜色 (偏振在校准时会消除非金属材质的镜面反射)。

BaseColor_QS.png

对于非金属材质测得的底色值(仅限强度):

材质

底色强度

木炭

0.02

新鲜沥青

0.02

老化沥青

0.08

裸露土壤

0.13

绿色草地

0.21

沙漠沙子

0.36

新鲜混凝土

0.51

海冰

0.56

新鲜雪

0.81

针对金属测得的底色:

材质

底色 (R, G, B)

(0.560, 0.570, 0.580)

(0.972, 0.960, 0.915)

(0.913, 0.921, 0.925)

(1.000, 0.766, 0.336)

(0.955, 0.637, 0.538)

(0.550, 0.556, 0.554)

(0.660, 0.609, 0.526)

(0.542, 0.497, 0.449)

(0.662, 0.655, 0.634)

(0.672, 0.637, 0.585)

粗糙度

粗糙度(Roughness)输入控制材质表面的粗糙或平滑程度。与平滑的材质相比,粗糙的材质将向更多方向散射所反射的光线。 这决定了反射的模糊或清晰度(或者镜面反射高光的广度或密集度)。 粗糙度 0(平滑)是镜面反射,而粗糙度 1(粗糙)是漫射(或无光)表面。

roughness_nonmetal.png roughness_metal.png

粗糙度 0 到 1。上图为非金属,下图为金属。

拖动滑块可查看"粗糙度"(Roughness)值更新

贴图粗糙度

粗糙度是一个属性,它将频繁地在对象上进行贴图,以便向表面添加大部分物理变化。

拖动滑块可查看在纹理中有所偏差的"粗燥度"(Roughness)值更新。接近 0.5 时,可产生最有趣的效果。

如果您已经在虚幻引擎的先前迭代中建立材质,并且不习惯基于物理的材质,请记住,粗糙度贴图是您处理大部分镜面反射纹理的位置。

金属色

金属色(Metallic)输入控制表面在多大程度上"像金属"。非金属的金属色(Metallic)值为 0, 金属的金属色(Metallic)值为 1。对于纯表面,例如纯金属、纯石头、 纯塑料等等,此值将是 0 或 1,而不是任何介于它们之间的值。创建受腐蚀、落满灰尘或生锈金属之类的混合表面时, 您可能会发现需要 介于 0 与 1 之间的值。

metallic.png

金属色 0 到 1

最初,您可能会勉强将任何材质设置为完全金属。请忍住,不要这样做!

您将注意到,我们在此示例中添加了少许粗糙度。这完全是艺术性选择。

拖动滑块可查看"金属色"(Metallic)值更新

高光

在编辑 非金属 表面材质时,您有时可能希望调整它反射光线的能力,尤其是它的 高光 属性。 要更新材质的高光度,需输入介于0(无反射)和1(全反射)之间的标量数值。注意,材质的默认高光值为0.5。

对于漫射度非常大的材质,您可能倾向于将此值设置为零。请忍住,不要这样做!所有材质 都具有镜面反射,请参阅此帖子以获取示例 [5] 。对于漫射度非常大的材质,您真正想做的是 使它们粗糙。

一般而言,通过修改"高光"(Specular),可添加轻微的吸着现象或小比例的遮蔽,例如在法线贴图中表示的裂缝。有时,将这些现象称为腔洞。 比例较小的几何体,尤其是仅存在于高多边形中且并入法线贴图的细节,不会被渲染器的实时阴影拾取。为了捕获这种遮蔽,我们生成腔洞贴图, 这通常是追踪距离非常短的 AO 贴图。此贴图先乘以最终的底色,然后输出并乘以 0.5(镜面反射默认值)以作为镜面反射输出。 即,BaseColor = Cavity*OldBaseColor,Specular = Cavity*0.5。

对于高级使用,这可用来控制折射率 (IOR)。我们发现对于 99% 的材质,这并非必要。以下是基于实测 IOR 的镜面反射值。

实测镜面反射值:

材质

镜面反射

玻璃

0.5

塑料

0.5

石英

0.570

0.224

0.255

牛奶

0.277

皮肤

0.35

拖动滑块可查看"高光"(Specular)值更新。

measured_materials.png

实测材质示例。顶部:木炭、新鲜混凝土、老化沥青。底部:铜、铁、金、铝、银、镍、钛

参考

1.Lagarde:Feeding a physically based shading model

2.Karis:Real Shading in Unreal Engine 4

3.Burley:Physically-Based Shading at Disney

4.Smits:Reflection Model Design for WALL-E and Up

5.Hable:Everything is Shiny

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