车漆和PBR（基于物理渲染）技术

前段时间研究车漆，话说电影《老炮》里被划伤的恩佐补漆要了六爷10万，观众的第一反应都是我去这么贵，富二代你敲诈吧！但是贵吗？想想真不贵，估计还不止！亲身经历补漆的时候，听四爱思店小哥吐槽调漆喷漆有多麻烦，色差稍有不对就是一扇门白一扇门灰，好车做漆那都是全车一起做。更何况炭纤维车身的恩佐，重新走一次喷烤磨收才收10万，良心富二代啊！

真实车漆

按照传统 Diffuse+Spec 的 Shading 着色模式，稍微加点 Mix 属性，你用任何3D 软件，都大概能得出这么个效果：

眨眼一看真不错，要是在学校这个当作业肯定拿高分了。不过如果把这个效果贴到论坛，你会发现大部分的反馈无外乎是『啧啧效果不错，可就是反光太强，过爆了』『真棒！但和真实的车漆效果总有点哪里不一样呢？』。不错，这是一个很棒的3D 效果，但现在大众对 CG 效果的审美已不再是简单的渲染效果，而是被主流电影和特效带入到了一个非照片真实感不赞的阶段。你能做出这个效果，基本上可以说对材质的理解很到位了，可怎么在这个基础上做点提高呢？我们再看个别人做的车：

仔细对比下是不是可以发现以下几个区别：

别人的车在边缘处有光线的环境光细节，例如车顶和地盘区域。
别人的车在高光位置存在两种边缘效果，远景面光源处是柔光渐变，近景反射处是硬线条的高光感。
别人的车在材质通透感上更富有层次，红色和淡淡的橙色在不同区域的渐变效果不一样。

好吧，原来别人的车是有这么多细节的！看来我们有必要研究下真实世界的车漆是如何构成的。

真实世界车漆

下面这张图是一个工艺范例：

在车身钢板之上，有电泳层、中涂层、色漆层和清漆层四个漆层组成，这四个漆层共同构成了我们目视所得的车漆层，如果你车要是被刮花了得补，修补的车漆仅相当于部分中涂层+色漆层+清漆层。每一个漆层的作用大致如下：

电泳层：直接附着在白车身上，对车身有防腐保护，并为中涂层提供良好的附着环境。
中涂层：附着在电泳层上，防紫外线，保护电泳层，并加强车身的防腐保护，为色漆层提供良好的附着环境，部分厂商的中涂层也能对色漆的色相起一定的衬托作用。
色漆层：附着在中涂层，进一步加强车身的防腐保护，并展示色相，我们看到的各种颜色就是色漆层展示出来的。
清漆层：附着在色漆层，更一步加强车身的防腐保护，并保护色漆层不受微小的刮擦，使颜色更透亮，减缓褪色现象。

所以在车漆制作过程中，喷完漆都要用烤的，让车漆快速烘干的同时，还能增加下一层漆的附着力。如果采用的是油性漆或水性漆，烘焙工艺和顺序也会不一样。那么，如果你的车要是被刮到了这个份上：

划痕深到了底漆，补漆的时候就一定会出现色差或者厚度不均的情况，甚至颗粒度都有不匀产生橘皮效果的。这事你还真不能怪修车师傅打磨不用心，或者嫌赚的钱不够手上劲就松了点之类，而是这种涂层由于没有重新走从电泳就进烤房的流程，瑕疵难免的。

恩，歪楼了，我其实想说的是，开车一定要注意，平时也要多多保养不要任凭鸟屎粘在上面还放太阳下面烤，原厂漆弄坏了真可惜，恩佐的补漆费用这么一合计（算账一定要算上国内支持该车的设备成本和对应工时费），是不是你也觉得这富二代可真没讹诈六爷了吧！

好吧，我真实想说的是，车漆的视觉表现是由其物理特性来决定的，他不是我们普通看到的石头或者陶瓷，表面的反射和折射等光学效果如此单纯，他在不同环境和光线下表现的层次和色彩都会不一样。也正因为如此，我们的眼睛平时看惯了大街上的汽车，即使我们不知道为什么效果是这样，但也能第一时间感觉出我们用传统手段制作出的车漆不够真实。

那么车漆大致分为几种效果呢，简单分类如下：

普通漆（素色漆）：合成材质包括树脂、颜料和添加剂。最常见的颜色有白色、大红色和黄色。一般便宜的五菱宏光这些都是采用这类漆，色彩很纯，没有其他的层次感。
金属漆：在素色漆中加有细微金属粒子的一种涂料，还能增加车漆硬度，是目前流行的一种车漆。最常见的是加有微细的铝粉，光线射到铝粒上后，又被铝粒透过漆膜反射出来，亮晶晶的。
珠光漆：加入了云母粒，于是他的反光的方向性导致了色彩斑斓的视觉效果。它的抗氧化能力强，一般多出现在高端车型上。但是珠光漆修补比较麻烦，费用也相对较高一些。

现在市面上还有一些后端技术来调整漆面效果，例如封釉镀膜镀晶，但都是起保护作用为主，对视觉影响较小。改装车的话一般会用到哑光漆，或者其他无限骚包效果的花样贴膜，另外还有特种车辆例如军车（量产方式）是必须亚光不能有反光，这里都不单独讨论了。

了解如此，我们大致可以对车漆效果有了一定概念定位，要做什么材质的效果就可以按照其生产原理设计材质了。

CG 车漆

但是，我们在一些广告片或海报中，又会发现另外一个问题，那就是同一辆车在工作室灯光模式下和户外模式下的效果又不一样，例如下图对比：

这是一个标准的户外光影车漆效果，其光源采用的是环境光，对应3D 制作就是 HDR 照明模式。其表面车漆效果和前面的麦克昆基本一致，具备了和环境光线产生交互影响的细节，边缘明亮，特别是高光线条，动感十足。

这是一个标准的室内拍摄片，其光影采用的是面光源等轮廓照明方式，沿着车身的位置做区域性打光，光线边缘柔软，车漆本色和高光过渡平缓，而有大幅度转折的位置才会出现明显的高光线条，目的是突出车身的造型细节。例如门上的一个凹槽轮廓，在这种角度光下可以看到明显的轮廓线，这在上面的那个效果图中是看不出来的。

那么打开 Blender 吧，我们按照刚才的思路，以分层的方式添加车漆效果，大致节奏如下图：

设置一个基础场景，利用反光板作为打光设置，我喜欢红色，改下，效果如下：

可以看到，按照真实车漆的制作，其实在反光板下会呈现出边缘明晰的高光效果，这其实是环境光效果下期望的效果，当然如果里觉得这个效果复核你的需求，也是可以的。可是这就和上面白色奔驰车的室内效果图略有区别，因此要想获得不一样的效果，不得不去修改材质。当然，不浪费这个材质，我将环境光设置为 HRR 照明模式，如下图所示。

可以看到，光线的包围感更强，线条和光线层次很清晰，完全符合对一张效果图的制作需求。

对比发现，如果要制作的场景不同，那么在光线设计上会有不一样的思路和方法。而我们的材质展示是否会因此受到影响呢？毕竟光线和材质在不同场景中已经出现多对多的情况。根据上面测试，我不得不制作两套材质，放在不同环境光照和片面光照下，分别获得了希望得到的效果，效果如下：

从上图可以看到，如果不分别调整材质，还真难获得对应的效果，而这两个材质的区别，也在于对菲涅尔和反光等属性的调整。那么问题也来了，是否可以有一种方法，让材质设计变得更简单，我只考虑其物理属性，不需要根据不同灯光设计甚至环境去做独立的设置呢？这样是否可以大大减少去应对不同场景下材质重复设计的压力，特别是游戏和动画等需要各种转场的案例。最近这段时间里，我一边尝试一边试图找寻答案，最后我发现了 PBR （Physically Based Rendering /基于物理的渲染）技术！

什么是 PBR？

其实不是一项特别新的技术，我搜索了下历史，大概2010年就在 Siggraph 会议上被提出了技术原型。最近随着游戏越来越多地使用3A 技术以及次时代制作手段去呈现 CG 级游戏画面，手游引擎 Unity5也完全支持 PBR，影视动画公司在为优化视觉效果的同时，尝试借助该技术去降低劳动压力，所以当皮克斯宣布为了 PBR 体系去修改了 Renderman 的架构时，PBR 在主流圈中逐渐火了起来。

PBR 不是仅针对材质，他其实是一个系统性渲染流程，包含了光线、材质、纹理、色彩管理等。在这个体系当中，无论是经由物理化材质实现的光照、阴影或者色彩变化，还是物体表面的材质特征都将会有非常大的提升。

PBR 看似如此复杂的技术，但背后的原则却很简单，就两条：

光线能量守恒定律。
菲涅尔效果无处不在。

光线能量守恒

物理上大家都了解能量守恒定律，这里我们用同样概念来理解光线。Specular 高光反射光与 Diffuse 漫反射光其实是相互排斥的，有你没我的感觉，因为离开表面的光总量不能比其接受的入射光强，两者的综合值加起来不能超过1，这意味着，如果你的希望材质有较高的高光反射效果（高反射率），就需要要去降低漫反射，能量守恒是 PBR 的一个重要的指导思想，可以让系统计算光线效果时，不会违法物理定律。

上面这个图表现的，就是对于同一个材质，在100%的漫反射到100%的镜面反射转化过程中，光线总量是不会变化的。而我们的视觉路径大致是这样的：

其实任何物体都会对光线有吸收，称之为平面散射，光线在接触物体后会分为两部分继续前进：进入物体表面的部分（折射，在物体内部传播中被吸收或散射），从表面出去进入人眼（反射）。

车漆和PBR（基于物理渲染）技术

但因为物体的表面材质不同，表面光线的方向变化也会有区别。平滑的表面偏移比较轻微，从而反射光的方向变化也较小，有了较清晰的反射，如上面图效果。而下面的表面粗糙，表面方向的变化范围也较广泛，反射光的方向变化也比较大，出现了模糊的反射。通常我们在材质中会用 Roughness 参数来控制，有时俗称这是在添加磨砂效果。

这里还有一点误区，就是我们常理解只有水这样的液体或果冻类软体，会存在光线穿透再折射或反射（通常使用 SSS 效果来表现这种质感），在现实世界中，我们如果只是看 Specular 高光效果，那这个理解是没问题的，但 Diffuse 漫反射呢？

对于任何一个物体，当产生漫反射的光线到达物体表面时，一部分会经过折射，被材质吸收（或者说转变为热能，这就是太阳下的石头越烤越烫的原因），或者在内部进行散射。一部分散射光最终会重新返回表面，再从表面折射出来，并被摄像机或眼睛所捕捉到。那么形成漫反射效果的光在被物质吸收并散射后，会成为不同波长的光（也称跨越光谱），这也就给予了物体不同的颜色，比如金属会吸收所有的穿透光，也就没有任何漫反射部分，但金属氧化的部分会和一些表面残留物，构成少量的散射光，形成不同的颜色，而正因为散射的混乱比较均匀，从每个方向看起来都是一样，所以这点和镜面光效不一样。看个图就能明白了。

所以你看，其实金属的漫反射属性是为0的。这样思考之后，就会发现一个问题，这和我们平时制作材质的思路好像有点不一样了呢？对，不过要将这种反射思路混合起来，还需要了解最重要的一个参数，就是刚才提到的，无处不在的菲涅尔效果。

Fresnel 菲涅尔属性

菲涅尔指的是：光在光疏介质传递到光密介质的时候，在一定的角度下会发生全发射。公式为sinc=n1/n2。其中两个n分别为两种介质的折射率。角度C为全反射的临界角度。听不懂是吧，哈哈太科学了，换个简单的方式解释吧，看个图。

有没有发现，其实湖水是相当清澈的，我们看近景位置，水的穿透效果真好，水底一览无余，但是越往对岸看去，越发现水的反射效果越强，在最远处，也就是平面和视觉夹角最小的位置，可以看到湖面几乎成了一面镜子（100%的反射）。那么我们就可以用菲涅尔来定义这种效果，其指代的是材质的反射率和入射角（也就是光源入射向量和平面法线向量的夹角）的对应关系，也就是说，入射光的角度越大，反射率也会越强。

PBR 理论中，就是重点借助菲涅尔来修正材质的光线关系，这里略枯燥，但很重要哦，看下图！

这是一个黑色的塑料材质，我们就称之为通用的非金属效果，其中，越接近边缘橙色区域，也就是视觉角度达到了90度，材质反射率可以无限趋近100%，而平视角度的反射率接近物体本身的值。对应现实中，水和液体的物理反射率是2%，砖块8%，其他有机材质和塑料是5%，半导体和晶体是15%~50% ，那么金属呢？看下图。

我们可以看到，金属本身的反射率就是60%~90%，而当视觉角度逐渐加大时，金属和非金属都会无限接近100%反射，他们之间的唯一区别也就是效果的跨度感了。所以，制作材质的时候，是不是我们只需要设置物体的起始反射率就行了，剩下的逼近效果就留给系统自己完成，如何？

那么 PBR 中通常就会使用到前面讲到的 Roughness 光泽度属性，为物体提供一个基础反射率，设置其表面的最小反射值，然后剩下就交给系统，让其自动解算菲涅尔曲线，以满足不同角度的效果需求。

恩，终于在原理上说通了，那么系统内怎么处理 PBR 呢？

系统如何支持？

根据上面梳理出来的逻辑，支持 PBR 的系统起码需要支持一套全新的着色计算，那么我们看看传统的反射模型计算函数，简单如下图所示：

好像有点复杂，但是，如果看看需要实现 PBR 的算法公式（来源于游戏 EVE Online），如下图所示：

不管你怎么看，我的表情是这样的：

可是还没有完哦，光是材质计算方式更新了还不够，配套的光线计算也要做相应调整，基于物理原理的镜面反射 BRDF 的 Blinn Microfacet 大致如下：

其中，公式中光线结算采用了对纹理的复合计算，尽管纹理的命名与传统的命名相似，但是内容是完全不同的（和以往的线性色彩和 Gamma 控制方式完全不一样了）。

如果你希望了解纹理的更新制作流程，可以看看这篇《-CryEngine3-简易制作PBR纹理贴图的技巧》（全文下载地址），其中对纹理制作规范和标准做了较为规范的说明，这里就不复述了。

Blender 你怎么看？

不好意思，Blender 目前并不能在系统层面上去支持 PBR，尽管你可以采用一些 PBR 的思路重制材质，但光照和渲染性能等机制上无法做到同步。BlenderGuru 提供了一篇教程，解释了如何在 Blender 中制作 PBR 材质，原理类似，所以这里就不翻译了，大家直接看图下载源文件吧，PBR 材质1，PBR 材质2。

因为 PBR 引入了更为严谨的物理模型，为渲染带来了更逼真的效果，但对应的算法复杂度也发生了成倍甚至数倍的提升，运算将会给 CPU 和 GPU 的处理能力和效率提出全新的挑战。除此之外，更高解析度的材质不仅会给显卡带来压力，还会给制作带来新的负担。有得必有失，所以我大致整理了一下我对 PBR 的看法：

基于物理过程改良的制作工艺，一定会带来更逼真高效的效果，但也必定带来软件本身和材质库的大量重制，包括工作流程，推荐阅读 ToolBag 的 PBR 教程合集。
PBR 为整个渲染搭建了完整的演算模型，所以未来用户不需要再花费大量精力去关注一些小的细节设置，例如 AO 的反弹距离等，推荐阅读 PBR 的工作流答疑。
新的技术必然带来与艺术之间新的一轮融合，是走向更严谨的模式？还是为了真实而不计一切？这些都值得期待。
美术的制作工艺和对人员的要求将被提到一个新的高度，材质的制作将基于真实物质的测试值，或者需要为一个特定的风格创造一套完整的参数世界（例如皮克斯的怪兽大学），并且同样的规则还将支持在多个引擎系统间切换。
从艺术和技术的角度看 PBR 的方式是有很多优势的，它能够确保一个美术团队创建出来的资源，在各种光照条件下看起来都不错。但这也意味着，美术人员会逐渐往特种兵的方式成长，单一技术劳动密集型团队也许会出现劳动力过剩，整体美术成本面临再分配。
未来一定是属于交互的，技术的演变已经在围绕 Procedual Generate 工作流上发展，实时引擎的技术升级速度在这两年随 VR 和 AR 技术的火爆急速前进，照这个方向来看，美术不再需要担心技术配合的问题，程序猿们你就老老实实写逻辑吧。恩，你看《ADAM》就是一个美术自己干完的。
PBR 就是个巨坑，你现在想玩就玩玩吧，干活，好好想想吧。

最后，实在不知道怎么收尾了，话题都发散到这份上了，本来只是想研究研究车漆的，那就附上一个制作的车漆材质，供大家参考，渲染效果如下啦。