In diesem Tutorial werden wir uns ansehen, was PBR ist, wie die grundlegenden Textures verwendet werden, um ein PBR-Material in Substance zu definieren, und vor allem, wie sie zusammenarbeiten.
Die Videoversion dieses Tutorials ist derzeit in dieser Sprache nicht verfügbar. Unten kannst du dir die englische Version mit Untertiteln ansehen; unter dem Video findest du die ins Deutsche übersetzte Transkription.
Videotranskript
Hallo zusammen! Wenn ihr hier seid, wisst ihr wahrscheinlich bereits, dass Substance Painter eine Softwareanwendung ist, mit der man Materials und Textures für 3D-Modelle erstellen kann. Die 3D-Modell-Dateien werden in Substance Painter importiert und hier könnt ihr Texture-Bilder erstellen, sie auf die Geometrien projizieren und diese Bilder exportieren, damit das Objekt mitsamt seinen Textures in Game Engines wie Unity oder Unreal verwendet werden kann, um Videospiele oder Anwendungen mit Virtual oder Augmented Reality zu erstellen, in Animations- und Rendering-Software wie Blender 3D, 3D Studio MAX und Maya oder in Echtzeit-3D-Visualisierungssystemen im Internet wie Sketchfab und vieles mehr.
Bevor wir weitermachen, beziehungsweise noch bevor wir überhaupt über die Benutzeroberfläche des Programms oder den Import eines 3D-Modells in ein neues leeres Substance Painter-Projekt sprechen, müssen wir zuerst erklären, was unter einem Material verstanden wird.
Ein Material ist eine Sammlung von Informationen, die, wenn sie auf ein 3D-Objekt angewendet werden, definieren, wie es sich verhält, wenn es in einer virtuellen Szene beleuchtet und gerendert wird. Rendering, also das endgültige Bild, das auf dem Bildschirm sichtbar ist, ob statisch oder in Echtzeit, ist das Ergebnis der Interaktion zwischen Licht und Oberflächen in einer virtuellen Szene. Auf der einen Seite haben wir Lichtquellen verschiedener Arten, von virtuellen Lampen bis hin zu Lighting Environment Textures, und auf der anderen Seite haben wir die Oberflächen oder in manchen Fällen die Volumen der Objekte. Zu diesem ersten Ergebnis können anschließend Post-Production-Effekte hinzugefügt werden, aber wie der Name schon sagt, handelt es sich dabei tatsächlich um Effekte und Filter, die nach dem eigentlichen Rendering-Prozess angewendet werden.
Gut, ein Material ist also eine Sammlung von Informationen... aber um welche Art von Informationen handelt es sich?
Abhängig vom theoretischen Modell oder „Schema“, „Methode“ beziehungsweise „Paradigma“, das für das Rendering verwendet wird, können unterschiedliche Arten von Informationen definiert werden, jede mit ihren eigenen Eigenschaften. Substance Painter ermöglicht es uns insbesondere, Materials zu definieren, die dem Physically Based Rendering-Modell oder kurz PBR folgen. Manchmal findet ihr auch die Abkürzung PBS, was für Physically Based Shading steht und sich auf die Schattierung der Objektoberflächen bezieht.
In diesem Tutorial werden wir nicht zu tief in die Theorie von PBR eintauchen, da wir das in einem eigenen Tutorial behandeln werden. Hier sehen wir uns lediglich die grundlegenden Textures an, die verwendet werden, um ein PBR-Material in Substance zu definieren, und vor allem, wie sie zusammenarbeiten. Das Verständnis dieser Konzepte ist entscheidend, um unsere Materials sicher erstellen und anpassen zu können, ohne beim Verändern der Parameter eines Material-Informationskanals oder eines anderen einfach herumzuraten.
Damit dieses Video nicht zu theoretisch wird, erkläre ich die grundlegenden Elemente von PBR und wie sie in Substance umgesetzt werden, anhand eines 3D-Modells, das bereits in dieser Software erstellte Materials und Textures besitzt.
Das Physically Based Rendering-Paradigma basiert, wie der Name schon sagt, auf einem physikalischen Ansatz, das heißt, es orientiert sich daran, wie sich Dinge in der realen Welt verhalten.
Materials können mit zwei Workflows definiert werden: Metallic und Specular.
Im Metallic-Workflow werden Oberflächen in metallische und nichtmetallische Materialien unterteilt und auf Grundlage dieser Unterscheidung verhalten sich alle anderen Kanäle unterschiedlich.
Im Specular-Workflow hingegen werden die Intensität und eine mögliche Farbtonung der specular reflections definiert, um festzulegen, wie sich Licht verhält, das mit der Oberfläche des Objekts interagiert.
Insbesondere im PBR Metallic-Workflow, der in diesem Beispiel verwendet wird, wird das Erscheinungsbild einer Oberfläche durch mehrere Eigenschaften bestimmt, von denen die wichtigsten folgende sind:
ihre Beschaffenheit, wobei zunächst unterschieden wird, ob es sich um ein Metall oder ein Nichtmetall handelt, letzteres auch Dielektrikum genannt;
ihre Base Color, die bei einem metallischen Objekt die Intensität der Lichtreflexionen definiert, während sie bei nichtmetallischen Objekten tatsächlich die echte Oberflächenfarbe ohne Beleuchtungseffekte darstellt;
der Grad der Glätte oder Glossiness beziehungsweise umgekehrt der Grad der Roughness der Oberfläche in ihren verschiedenen Bereichen.
Zu diesen in der realen Welt beobachtbaren Eigenschaften kommen zusätzliche Merkmale hinzu, die in der virtuellen Welt nützlich sind. Zum Beispiel ist es durch die Verwendung spezieller Texture-Bilder wie Normal Maps oder Height Maps möglich, die Präsenz von Details zu simulieren, ohne sie tatsächlich in die Geometrie zu modellieren. Dadurch werden Vertices, Edges und Faces und somit Rechenressourcen während des Renderings eingespart, insbesondere in Videospielen und anderen Echtzeit-Anwendungen.
Das Holzfass, das ich in diesem Video verwende, ermöglicht es uns, innerhalb eines einzigen Objekts zu untersuchen, wie diese grundlegenden Informationen in Textures umgesetzt und in einem Substance-Material kombiniert werden.
Um die Vorschau des vollständigen Materials anzuzeigen, das im 3D View auf das Objekt angewendet wurde, drücke ich die Taste M für Material oder wähle Material aus dem Drop-down-Menü oben rechts im 3D View aus.
Wie ihr sehen könnt, haben wir sowohl metallische Elemente aus Eisen als auch nichtmetallische Elemente aus Holz. Dadurch können wir die Unterschiede darin erkennen, wie diese beiden Materialarten im PBR-Paradigma behandelt werden, insbesondere hinsichtlich der Definition ihrer Base Color und der Farben der specular reflections.
Um die einzelnen Informationskanäle anzuzeigen, die den verschiedenen Texture-Bildern entsprechen, die auf die Objektoberfläche angewendet werden, können wir mehrmals die Taste C drücken oder den gewünschten Kanal aus dem Drop-down-Menü oben rechts im 3D View auswählen.
Beginnen wir mit dem Metallic-Kanal, der definiert, welche Teile des Materials als metallisch behandelt werden sollen und welche nicht. Dies geschieht mithilfe eines Graustufenbildes, bei dem Weiß für ein reines Metall und Schwarz für ein reines Nichtmetall steht. Im Fall dieses Fasses haben wir auch graue Bereiche, weil das für die Metallteile verwendete Material „Iron Old“ altes, abgenutztes Eisen darstellen soll, das möglicherweise mit Staub oder Rost bedeckt ist, wodurch seine „Metallizität“ sozusagen reduziert wird.
Die Holzteile hingegen erscheinen vollständig schwarz, also nichtmetallisch, wie erwartet.
Wechseln wir nun zum zweiten grundlegenden PBR-Kanal, Base Color.
Wie ihr sehen könnt, zeigt dieser Informationskanal die Grundfarbe des Objekts mithilfe einer Farb-Texture ohne Beleuchtungs- oder Shading-Effekte an. Es handelt sich sozusagen um „flache“ Textures. Die Farben der Metallteile und der Holzteile besitzen ähnliche Intensitätswerte. Die Farben sind natürlich unterschiedlich, aber visuell wirken sie nicht radikal verschieden, obwohl sie zu völlig unterschiedlichen Materialien gehören.
Der Grund dafür ist, dass die Unterscheidung während des Shading- und Rendering-Prozesses von Substance mithilfe des Metallic-Kanals und der zugehörigen Texture vorgenommen wird. Dieser teilt Substance mit, dass Lichtreflexionen unterschiedlich behandelt werden müssen, je nachdem, ob die Oberfläche metallisch oder nichtmetallisch ist. Die Graustufenwerte in der Base Color der metallischen Bereiche definieren die Intensität der Lichtreflexionen und eine mögliche Farbtonung dieser Reflexionen.
Das Material Iron Old ist ein „schmutziges“ Material, daher ist der Effekt nicht besonders auffällig. Aber schaut euch an, wie sich die verschiedenen Kanäle und das Endergebnis verändern, wenn ich ein Substance-Material „Aluminium Pure“ zwischen das Holzmaterial und das Metallmaterial einfüge und das darunterliegende Material Iron Old deaktiviere.
Im Endergebnis, also in der Material-Ansicht, die alle Informationskanäle kombiniert, erscheinen die Metallteile VIEL reflektierender als zuvor.
Im Metallic-Kanal sind die Metallteile reinweiß und repräsentieren damit ein vollkommen reines Metall.
Im Base Color-Kanal sind die Metallteile nahezu weiß, was darauf hinweist, dass die Intensität der specular reflections in diesen Bereichen maximal und ohne Farbtonung sein wird.
Schaut nun, was passiert, wenn ich den Metallic-Parameter von Aluminium Pure auf null setze: Die Metallbänder werden weiß, sie reflektieren nicht mehr wie zuvor und sehen aus wie weiße Kunststoffobjekte.
Jetzt setzen wir Metallic wieder auf 1, reduzieren aber den Base Color-Wert: Die Bänder behalten die typische Reflektivität von Metall bei, werden jedoch nach und nach dunkler.
Das ist der entscheidende Punkt: Im Metallic-Workflow wie dem hier verwendeten reicht die Base Color eines Objekts allein nicht aus, um zu definieren, wie reflektierend eine Oberfläche sein wird, denn wir müssen zusätzlich angeben, ob es sich um ein Metall handelt oder nicht. Bei einem Metall entspricht die Intensität der Base Color auch der Intensität der Licht- und specular reflections, während bei einem Nichtmetall die Base Color lediglich die tatsächliche Oberflächenfarbe definiert, wie bei den Holzteilen des Fasses.
Ich lasse das Material Aluminium Pure aktiviert und Iron Old deaktiviert, um euch die Effekte des dritten grundlegenden Material-Kanals zu zeigen: Roughness.
Roughness, also das Gegenteil von Glätte, wird wie die Metallic Map mithilfe eines Graustufenbildes dargestellt, bei dem Weiß maximale Rauheit und Schwarz eine perfekt glänzende, vollständig reflektierende Oberfläche repräsentiert. Tatsächlich wird ein perfekter Spiegel in PBR mithilfe eines metallischen Materials mit reinweißer Farbe und einer auf 0 gesetzten Roughness umgesetzt, wie ich gerade auf dem Bildschirm zeige.
Durch das Erhöhen des Roughness-Werts machen wir die Oberfläche weniger glatt und dadurch werden ihre specular reflections diffuser beziehungsweise gewissermaßen unschärfer. Dies gilt sowohl für Metalle als auch für Nichtmetalle.
Ich entferne jetzt das Material Aluminium Pure und aktiviere Iron Old wieder, um zur ursprünglichen Projektkonfiguration zurückzukehren und einige zusätzliche Informationen zu betrachten, die es uns in der Computer Graphics ermöglichen, Oberflächendetails während des Renderings hinzuzufügen, ohne sie physisch in die Geometrie zu modellieren.
Anschließend wähle ich im Auswahlmenü oben rechts im 3D View die Option „Normal + Height + Mesh“ aus.
Diese Ansicht zeigt die Kombination mehrerer Informationskanäle, die die simulierten Details auf der Oberfläche eines Objekts beeinflussen. Ohne diese Details würden die Oberflächen des Objekts glatt und wenig glaubwürdig erscheinen, insbesondere in den Holzbereichen.
Im gezeigten Beispiel werden die Oberflächendetails hauptsächlich in den Holzbereichen durch die Ebene „Fibers“ umgesetzt. Um die Unterschiede im Erscheinungsbild der Oberfläche mit und ohne diese Details zu beobachten, genügt es, die entsprechenden Ebenen im Layers-Panel zu aktivieren oder zu deaktivieren, während man die Unterschiede sowohl im Modus „Normal + Height + Mesh“ als auch im Modus „Material“ im 3D View betrachtet. Die Unterschiede werden deutlicher sichtbar, wenn das Objekt mit seitlichem statt frontalem Licht beleuchtet wird.
Ähnliche Effekte sind auch in den Metallteilen vorhanden und werden mithilfe der Height- und Normal-Informationskanäle der beiden Iron Old-Layer, Iron und Edges, umgesetzt. Wie ihr sehen könnt, machen diese Textures einige Oberflächen deutlich interessanter, während sie ohne diese unrealistisch wirken würden, weil sie zu glatt und zu flach erscheinen.
Ein Material ist eine Sammlung von Informationen, die durch Bilder umgesetzt werden, manche in Graustufen und manche in Farbe, die auf Objektoberflächen projiziert und nach einer bestimmten Methode kombiniert werden, die in unserem Fall das PBR Metallic-Paradigma ist. Diese Informationen definieren, wie die Objektoberfläche und die Lichtquellen interagieren, um das endgültige Bild zu erzeugen.
PBR basiert auf Materialeigenschaften, die in der realen Welt beobachtet werden und in der Computer Graphics durch die korrekte Kombination von Textures umgesetzt werden, die diese Eigenschaften repräsentieren.
Die PBR-Methode umfasst zwei Workflows: Metallic und Specular. In diesem Tutorial haben wir ein Beispiel mit dem Metallic-Workflow untersucht.
Im PBR Metallic-Workflow besteht der erste Schritt darin, mithilfe einer Graustufen-Texture zu definieren, welche Teile einer Oberfläche metallisch sind und welche nicht.
In metallischen Bereichen definiert die Base Color-Information, also eine Farb-Texture, die Intensität und eine mögliche Farbtonung der specular reflections. In nichtmetallischen Bereichen repräsentiert Base Color lediglich die tatsächliche Oberflächenfarbe ohne Beleuchtungs- oder Shading-Effekte.
Roughness gibt den Grad der Oberflächenrauheit an. Bei niedrigen Roughness-Werten sind Reflexionen sehr scharf und klar definiert, und auf einer metallischen Oberfläche mit weißer Base Color verhält sich das Material wie ein perfekter Spiegel. Mit zunehmendem Roughness-Wert werden Lichtreflexionen immer diffuser und unschärfer. Roughness ist das Gegenteil von Glossiness.
Normal Textures, also Farbbilder, und Height Maps, also spezielle Graustufenbilder, ermöglichen es, die Präsenz von Oberflächendetails während der Darstellung und des Renderings eines Objekts zu simulieren. Sie sind nützlich, um Geometrie und damit Rechenressourcen einzusparen, insbesondere in Echtzeit-Anwendungen wie Videospielen oder Virtual- und Augmented-Reality-Anwendungen.
Gut, für dieses einführende Videotutorial zu den grundlegenden Elementen von PBR, Materials und Textures in Substance Painter machen wir hier Schluss und bleiben bei diesen ersten vier Informationskanälen. Ich werde weitere Tutorials erstellen, in denen ich einzelne Kanäle separat analysiere, wie Height und Ambient Occlusion, oder alternativ alle Kanäle eines Materials gemeinsam untersuche, um zu sehen, wie sie je nach Fall kombiniert werden, um bestimmte Effekte zu erzeugen.
Hinterlasst gerne Fragen, Kommentare und Wünsche im Kommentarbereich des Videos auf YouTube. Bis zum nächsten Mal!