LabPBR 材质标准

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这篇文档翻译自 LabPBR Material Standard ，请以原文为准！

这是一个利用资源包中仅有的两张纹理存储材质信息的标准。其信息由光影进行解码，并使用这些信息进行基于物理的渲染（PBR）。但是需要注意法线纹理和反射纹理本身并不与 PBR 有任何直接关联。

这个格式由 shaderLABS Discord 服务器于 2019 年 4 月末发起创建并维护至今，旨在统一过去混乱的光影和资源包的材质格式。
为了便捷，这个 转换器 可以帮助纹理创作家从绝大多数旧格式转换到 LabPBR。

反射纹理 (*_s)

光影只需要满足能正确处理光滑度（红）和 F0（绿）即为 LabPBR 完备，其他定义的材质信息是可选项。

红色通道

• 代表“感知”平滑度。
  • 使用 粗糙度 = pow(1.0 - 感知平滑度, 2.0) 来将感知平滑度转换到线性粗糙度。
  • 使用 感知平滑度 = 1.0 - sqrt(粗糙度) 来将线性粗糙度转化为感知平滑度。

对于纹理创作者

值 255（100%）表示材质完全光滑（例如磨制花岗岩）；值 0（0%）则是粗糙的材质（例如石头）。

绿色通道

• 值 0 ~ 229 表示 F0，也叫反射率。
  • 这个属性以线性存储。请注意值 229 实际上表示 229/255 ，即约 90%，而不是 100%.
• 值 230 ~ 255 表示特定的硬编码金属。
  • 这个区间的硬编码细节见 下文 。

对于纹理创作者

这个值可以视为材质的最小反射强度，因此当正视材质时小的值会产生更弱的反射，而大的值则会产生更强和更明显的反射。不同于传统高光度的是，这并不是反射强度的倍率，意味着平视材质（视线与表面接近平行时）时反射总是更强（称为“菲涅尔效应”，关于这个现象的更多信息见：菲涅尔效应原理）。

蓝色通道

• 对于非金属／绝缘体：
  • 值 0 ~ 64 表示孔隙率。这里 有一些示例。
  • 值 65 ~ 255 表示次表面散射强度。
  • 孔隙率和次表面散射强度均以线性存储。
• 对于金属／导体：
  • 暂留，以备将来使用。

对于纹理创作者

孔隙率表示材质可以吸收多少水分，这个值越高，被打湿（如下雨时）后表面颜色就会更暗并产生更弱的反射。这可以让同时支持孔隙率和基于天气变化的湿度（如雨天水坑）的光影产生更加准确的效果。下面是一些示例值。

材质	孔隙率
沙子	64
羊毛	38
木头	12
金属和其他不透水材料	0

孔隙率的示例可以在 这里 找到。

透明度通道（Alpha）

• 可以设置为 0 ~ 254。0 表示 0% 发光强度，254 表示 100% 发光强度。
• 这个值以线性存储。

对于纹理创作者

低的值意味着更弱的自发光，高的值会产生更强的光照，但 255（不透明）会被忽略。

金属的工作原理

为了能够以有限的信息量更准确地表示金属，一些金属已被预定义，并且通过将绿色通道设置为 230 到 254 的特定值来选择。此时，反照率（颜色纹理）将用于对反射进行着色，而不是对漫反射着色。

如果你需要一个没有被预定义的金属，你也可以将绿色通道设置为 255 。这样反照率依旧会被用作 F0 ，这不太准确，但是也能产生相当不错的效果。

考虑到一些光影可能不支持预定义金属，这个区间的值都将被视为 255 。

金属	颜色值	N (R, G, B)	K (R, G, B)
铁	230	2.9114, 2.9497, 2.5845	3.0893, 2.9318, 2.7670
金	231	0.18299, 0.42108, 1.3734	3.4242, 2.3459, 1.7704
铝	232	1.3456, 0.96521, 0.61722	7.4746, 6.3995, 5.3031
铬	233	3.1071, 3.1812, 2.3230	3.3314, 3.3291, 3.1350
铜	234	0.27105, 0.67693, 1.3164	3.6092, 2.6248, 2.2921
铅	235	1.9100, 1.8300, 1.4400	3.5100, 3.4000, 3.1800
铂	236	2.3757, 2.0847, 1.8453	4.2655, 3.7153, 3.1365
银	237	0.15943, 0.14512, 0.13547	3.9291, 3.1900, 2.3808

布局原理

对于红色和绿色通道的安排相当简单：

• 在大多数以前的格式中，红色代表平滑度。没有什么理由改变这一点。
• 在大多数以前的格式中，绿色表示金属性。定义“半金属”虽然不写实，但通常可以用于在一定程度上控制 F0 。

然后，我们只剩下两个通道用于自发光、孔隙率和次表面散射，所以其中必然有两个要存储在同一通道中。我们最终选择了孔隙率和次表面散射。

最后，将自发光存在透明度通道中，允许纹理创作者更方便地将自发光与其余通道分离，然后将其并入反射纹理的透明度通道，就像法线纹理中的高度图一样。

法线纹理 (*_n)

法线纹理中不仅包含了法向量，还包含了环境光遮蔽和高度／置换图。法向量应被编码为 DirectX 格式（Y-），这通常被称为自上而下法线，表征为X轴／红色通道指向右，Y轴／绿色通道指向下。

材质环境光遮蔽（下称材质 AO）

• AO 强度被存储于法线纹理的蓝色通道中。
  • 法向量的第三分量（ .z ）可以使用 sqrt(1.0 - dot(normal.xy, normal.xy)) 进行重建。
• 这个属性以线性存储；0 表示 100% 遮蔽，255 表示 0% 。

高度图

• 被用于计算 POM（视差遮蔽映射）的高度图存储在法线纹理的透明度通道中。值 0（在高度图中为纯黑色）表示方块的 25% 深度。
  • 注意：高度图值为 0 会导致一些光影的 POM 出现问题，所以建议值至少为 1 。

布局原理

AO 存储在蓝色通道中，因为法线纹理中每个像素的前三个分量表示长度为 1 的矢量。由于我们知道长度，我们只需要三个分量中的两个即可重建向量（感谢毕达哥拉斯）。这意味着三个通道中的一个可以用于其他用途，比如将 AO 存储在蓝色通道中。

版本历史

LabPBR v1.3

• F0 现在以线性存储。
• 过去的线性 F0 通过取其平方根来存储，并通过平方来解码。

LabPBR v1.2

• 更改了材质 AO 在法线纹理中的存储方法。
• 过去的材质 AO 以下列方法编码：
  • 将法线调整到 [-1, 1] 并归一化。
  • 将值域为 [17, 255] ，以 sqrt() 存储的材质 AO 乘入。
  • 将法线调整回 [0, 1] 。
  • 在将法线贴图的范围调整到 [-1, 1] 后，AO 和法线按以下方式解码：
    • 法线 = normalize(法线纹理.rgb)
    • ao = length(法线纹理.rgb)

LabPBR v1.1

• 新增硬编码金属。
• 重新安排了自发光、次表面散射和孔隙率，依照其重要性和用途分配精度。

LabPBR v1.0

• 初次规范。