虛幻4渲染編程(材質編輯器篇)【第三卷：正式準備開始材質開發】
來自專欄虛幻4渲染編程
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前面兩章我們已經完成了對工具的研究，下面我們久正式開始啟程啦！後面的內容可能就比較美術了。
還是老規矩上個效果先：
（高級紗材質）
不過這一節我們不會立刻開始開發材質，我們先探究一下材質的基礎。（上面的可不是alpha blend，沒有透明亂序和高光混合損失！）。上面那個效果我會在後面介紹布料的章節連同：絲綢，紗，布，皮，麻，鐳射重金屬，棉等一起介紹。
現在的次世代遊戲，材質表現已經成為遊戲中非常重要的一部分，本專欄將一步步簡述遊戲開發中的材質開發。
首先要普及一個概念，到底什麼叫「材質」。是一個材質球嗎？是一個shader嗎？是幾張貼圖嗎。我理解的材質準確地說應該叫 shading。請不要把它翻譯為「著色」，我認為這是不對的。在計算機里shading包含了很多事情。一個材質的表現需要模型，貼圖，shader，燈光，後期等一系列配合。
在我們開始我們的材質開發之旅之前我們需要具備以下知識：
（1）C++和C#
（2）DirectX+HLSL或者OpenGL+GLSL等，還需要直到一些圖形學知識。
（3）3DMax或Maya，Photoshop，SusbtancePainter和SubstanceDesigner，Zbrush等DDC軟體
（4）引擎的話需要掌握Unity和UnrealEngine4
後面的文章將默認閱讀者已經掌握或至少入門以上知識。如果你還沒有掌握上述的知識，也不必擔心，可以大家一起來討論學習自然就會了。或者現在先去看以下上述羅列的基礎知識。也可以去看看我以前的一些文章，希望有所幫助
下面是我們主要需要用到的軟體：
其中VS的插件需要以下：
UnrealVS這個插件是虛幻引擎自帶的，在引擎目錄的extra下即可找到，其餘的插件除VSAssist外全部都能在VS的拓展里找到。
VSCode需要以下插件：
也是直接在VSCode的拓展更新里就能找到。編寫max腳本會非常方便。如果你喜歡用maya請跳過這一步。
下面我們來對材質作進一步探索。現在的遊戲工業大致有兩個走向，一個是真實向如刺客信條起源等。一個是風格化向，如塞爾達，二之國等。特別是歐美等大作，都是喜歡寫實風格，但是其實不管是那種方向，其實都感覺你中有我我中有你。就拿神秘海域4來說，其實他寫實的背後也做了不少風格化處理，這一點很好論證，你拿刺客信條的畫面和神秘海域的做對比就能輕易發現，各個寫實類遊戲都有自己的風格化的東西在裡面。一提到寫實我們會常常聽到PBR。所以到底什麼是PBR呢？
PBR顧名思義，基於物理的渲染，可以更加準確地表示光和表面的相互作用。PBR其實是一套渲染方案，它不是一個材質球，不是幾張貼圖，不是SubstancePainter！！！我們在做PBR材質的時候，需要讓我們的貼圖是基於物理的，我們的shader是基於物理的，我們的燈光是基於物理的，我們的攝像機需要是基於物理的等等。如果只是shader的計算是基於物理的，那隻能叫PBS。下面我們就來梳理一下PBR材質製作過程。
很多美術被很多錯誤的理論所誤導，比如有些人會去根據經驗，金屬的metalic是多少，布料的Rouph是多少。這些其實會變化的，不同的引擎，不同的計算公式，這些值多多少少都會有變化，那麼如何才能做出正確的效果呢，最好的辦法就是在你們項目所在的環境下去實驗，找出正確的那幾個值。
我們可以做一個陣列，這樣就一目了然了。
不同的項目不同的計算公式，這些值多多少少都會有所變化，我們可以去挨個實驗，找出非金屬，高光塑料皮革，亞光塑料皮革，高光金屬，亞光金屬的值，然後把這個值記錄下來，以後就按照這個值去做。當然會有偏移，偏移造成的主要原因是臟跡掛痕造成的。
其實現在業界流行的這套PBR材質模型能夠描述遊戲內90%的材質效果，如金屬石頭，沙子泥土等等，但是這並不意味著有了這個我們能做一切事情了，有些比較特別的材質如寶石，頭髮，皮膚，眼睛，絨布，皮毛，羽毛等可能現在的這套比較流行的PBR材質模型就不適用了。而且PBR材質模型也有很多種，更多詳情可以去網上搜搜PhysicbasedRendring相關文章。遊戲內使用的基於物理的渲染大部分也都是擬合的。為什麼頭髮布料不適用PBR那套模型公式呢？因為原理就不一樣。想了解原理的話只有去看各大論文了，在RTR3里有對這些公式模型的詳細描述。
【貼圖】
第一：BaseColor
既然是基於物理的渲染，貼圖自然也要基於物理。BaseColor一般儲存為sRGB，線性空間中的顏色值。線性空間和gama空間的關係必須要搞清楚。一般顏色的計算這些都是線性空間下的。在製作PBR材質的時候，Basecolor的亮度很有講究。非金屬的基本上應該服從正太分布，然後金屬集中在240左右附近。
可以把PS的圖像模式改成LAB模式，然後窗口打開直方圖來檢測BaseColor的製作是否合法。
BaseColor一般應該是一致的，平台的，沒有過亮或過暗的，BaseColor應該只包含純顏色信息不應該有光影信息。顏色代表了非金屬材料的反射率，除了遮擋外，應該沒有光照信息，黑色值不應該低於30 sRGB或50sRGB（如果材質顏色低於的話，你以為你是黑洞啊），亮度值不應高於240 sRGB
第二：Normal
法線貼圖烘焙的時候主要是注意坐標空間，左右手坐標系。杜絕手動PS這些操作。除非你有特異功能可以人眼光線追蹤。
第三：Metalic和Rouphness
金屬度和光滑度這一點上需要特別注意，因為PBR模型其實是擬合的（也可以說是帶有一定trick的）。所以其實並無法表現所有零到一各個數值的完美效果，我們只能取其中一小段來使用會比較完美。這個取值範圍會根據不同的PBR模型不同的環境而變化。具體值需要自己取實驗。
第四：貼圖使用
在貼圖的製作過程中，可能我們並不會刻意地去關心什麼貼圖應該繪製什麼東西。可能這個問題會有點奇怪，但是仔細想想，美術在貼圖製作過程中一般都是怎麼好看怎麼來，也不會刻意去關心到底貼圖裡面應該畫什麼。舉個例子，布料的紋路到底應該怎麼表現呢？畫在Diffuse上？那那種有高光的布條怎麼辦？美術可能會說，這個好辦，在光滑度或者金屬度上也畫上去啊！但是問題就來了，貼圖就那麼幾張。假設貼圖上能保存的我們肉眼能看到的紋理信息的總量是10單位，那麼我們想儘可能多地表達我們的信息，那麼就會涉及到儲存空間不夠用的問題。所以合理地分配什麼信息儲存在什麼貼圖上，可以有效地使我們貼圖的利用率更高。比如水漬使用光滑度去表現就可以了，沒必要使用Diffuse或者別的。這樣還能避免過噪和貼圖壓縮帶來的信息損失。
【模型】
在遊戲開發過程中其實會常常遇見一個問題，模型到底應該如何拆分？怎麼建模怎麼布線這些我就不多說了，這些都是角色師應該知道的。我們站在材質的角度上想這個問題。一個材質至少是一次DrawCall，如果角色材質過多，會導致DrawCall過多，當然DrawCall的多少和遊戲運行效率不是必然關係。那麼我們應該如何拆分模型呢？
可以確定的是，在其他外在因素一定的情況下，如果遊戲瓶頸在Drawcall上的話，材質數量越少越好。當材質計算很複雜的情況下，可以把模型拆開使用兩個材質，可能效率反而還有所提升。單單就從效果上說的話，如果引擎架構是像Unreal那種分材質模型或者光照模型的話，那麼模型拆分就是根據光照模型的數量種類來拆，如果是像unity那種不分這些概念的話，那麼就可以按照複雜度等因素來拆，其實這個還是一個比較靈活多變的概念，這裡只是一個聲明性的論述，希望引起大家的關注罷了。
【動畫和物理模擬】
有些人可能會疑問了，這不是材質么，跟動畫和物理模擬有關係么。其實是有一定關係的，我們需要知道一些相關的東西。比如我們製作布料材質，我們需要去設定布料模擬狀態下布料的運動狀態的物理硬度這些。布料的表現，布料的物理模擬至少佔了一半的比重。比如我們要做草的材質，這時候是需要考慮草的擺動因素的，如果草的擺動通過操控頂點著色器來實現的話。
至此我們大概描述了一下材質的一些東西。後面我們就會開始實際動手製作研究材質了。還有很多細節我們沒有討論到或者上面有很多東西還很粗略，後面我們慢慢來細化。
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