Dans ce tutoriel, nous verrons ce qu’est le PBR, comment les Textures fondamentales sont utilisées pour définir un Material PBR dans Substance et, surtout, comment elles fonctionnent ensemble.
L'audio de ce tutoriel n'est pas disponible en Français. Vous pouvez regarder ci-dessous la vidéo avec l'audio en Anglais et des sous-titres en Français, en Anglais et dans d’autres langues. Sous la vidéo, vous trouverez la transcription traduite en Français.
Transcription de la vidéo
Bonjour à tous ! Si vous êtes ici, vous savez probablement déjà que Substance Painter est une application logicielle qui permet de créer des Materials et des Textures pour des modèles 3D. Les fichiers de modèles 3D sont importés dans Substance Painter et, ici, vous pouvez créer des images de Texture en les projetant sur les géométries, puis exporter ces images afin que l’objet, avec ses Textures complètes, puisse être utilisé dans des moteurs de jeu comme Unity ou Unreal pour créer des jeux vidéo ou des applications de réalité virtuelle ou augmentée, dans des logiciels d’animation et de rendu comme Blender 3D, 3D Studio MAX et Maya, ou encore dans des systèmes de visualisation 3D en temps réel sur Internet comme Sketchfab, et bien plus encore.
Avant de continuer, et même avant de parler de l’interface du programme ou d’importer un modèle 3D dans un nouveau projet vide Substance Painter, nous devons d’abord expliquer ce que l’on entend par Material.
Un Material est un ensemble d’informations qui, lorsqu’il est appliqué à un objet 3D, définit la manière dont celui-ci se comportera lorsqu’il sera éclairé et rendu dans une scène virtuelle. Le rendu, c’est-à-dire l’image finale visible à l’écran, qu’elle soit statique ou en temps réel, est le résultat de l’interaction entre la lumière et les surfaces dans une scène virtuelle. D’un côté, nous avons les sources lumineuses, de différents types, allant des lampes virtuelles aux Textures d’environnement d’éclairage, et de l’autre côté nous avons les surfaces, ou dans certains cas les volumes, des objets. Des effets de post-production peuvent ensuite être ajoutés à ce premier résultat, mais comme leur nom l’indique, il s’agit d’effets et de filtres appliqués après le processus de rendu lui-même.
Très bien, donc un Material est une collection d’informations... mais quel type d’informations ?
Selon le modèle théorique, ou le « schéma », la « méthode » ou le « paradigme » utilisé pour créer le rendu, différents types d’informations peuvent être spécifiés, chacun avec ses propres caractéristiques. Substance Painter, en particulier, nous permet de définir des Materials qui suivent le modèle Physically Based Rendering, ou PBR. Vous pourrez aussi parfois trouver l’acronyme PBS, qui signifie Physically Based Shading, en référence à l’ombrage des surfaces des objets.
Dans ce tutoriel, nous n’allons pas approfondir la théorie du PBR, que nous aborderons dans un tutoriel dédié. Ici, nous allons simplement examiner les Textures fondamentales utilisées pour définir un Material PBR dans Substance et, surtout, voir comment elles fonctionnent ensemble. Comprendre ces concepts est essentiel pour créer et personnaliser nos Materials en toute confiance, sans devoir procéder par essais et erreurs en modifiant les paramètres d’un canal d’information du Material ou d’un autre.
Afin d’éviter de rendre cette vidéo trop théorique, je vais expliquer les éléments fondamentaux du PBR et la manière dont ils sont implémentés dans Substance en utilisant un modèle 3D qui possède déjà des Materials et des Textures créés dans ce logiciel.
Le paradigme Physically Based Rendering, comme son nom l’indique, repose sur une approche physique, ce qui signifie qu’il s’inspire du comportement des choses dans le monde réel.
Les Materials peuvent être définis selon deux workflows : Metallic et Specular.
Dans le workflow Metallic, les surfaces sont divisées en matériaux métalliques et non métalliques et, sur la base de cette distinction, tous les autres canaux se comportent différemment.
Dans le workflow Specular, en revanche, l’intensité et la possible teinte colorée des réflexions spéculaires sont définies afin de déterminer la manière dont la lumière interagissant avec la surface de l’objet va se comporter.
Plus précisément, dans le workflow PBR Metallic, qui est celui utilisé dans cet exemple, l’apparence d’une surface est déterminée par plusieurs caractéristiques, dont les plus importantes sont :
sa nature, tout d’abord en distinguant s’il s’agit d’un métal ou d’un non-métal, également appelé diélectrique ;
sa Base Color, qui dans un objet métallique définit l’intensité des réflexions lumineuses, tandis que dans les objets non métalliques elle représente réellement la véritable couleur de la surface, sans effets d’éclairage ;
le niveau de lissage, ou Glossiness, ou inversement le niveau de Roughness de la surface dans ses différentes zones.
À ces caractéristiques observées dans le monde réel s’ajoutent des fonctionnalités supplémentaires utiles dans le monde virtuel. Par exemple, grâce à l’utilisation d’images de Texture spécifiques comme les Normal Maps ou les Height Maps, il est possible de simuler la présence de détails sans réellement les modéliser dans la géométrie, ce qui permet d’économiser des sommets, des arêtes et des faces, et donc des ressources de calcul lors du rendu, en particulier dans les jeux vidéo et les autres applications en temps réel.
Le tonneau en bois que j’utilise dans cette vidéo nous permet d’examiner, à l’intérieur d’un seul objet, comment ces informations de base sont traduites en Textures et combinées ensemble dans un Material Substance.
Pour afficher l’aperçu du Material complet appliqué à l’objet dans la 3D View, j’appuie sur la touche M, pour Material, ou je sélectionne Material dans le menu déroulant en haut à droite de la 3D View.
Comme vous pouvez le voir, nous avons à la fois des éléments métalliques, en fer, et des éléments non métalliques, en bois. Cela nous permettra d’apprécier les différences dans la manière dont ces deux types de matériaux sont gérés dans le paradigme PBR, en particulier en ce qui concerne la définition de leur Base Color et les couleurs des réflexions spéculaires.
Pour afficher les différents canaux d’information, qui correspondent aux différentes images de Texture appliquées à la surface de l’objet, nous pouvons appuyer plusieurs fois sur la touche C ou choisir le canal souhaité dans le menu déroulant situé en haut à droite de la 3D View.
Commençons par le canal Metallic, qui définit quelles parties du Material doivent être traitées comme métalliques et lesquelles ne doivent pas l’être, à l’aide d’une image en niveaux de gris où le blanc représente un métal pur et le noir représente un matériau totalement non métallique. Dans le cas de ce tonneau, nous avons également des zones grises parce que le matériau utilisé pour les parties métalliques, « Iron Old », est conçu pour représenter du vieux fer usé, peut-être recouvert de poussière ou de rouille, ce qui réduit sa « metallicité », si l’on peut dire.
Les parties en bois, en revanche, apparaissent complètement noires, ce qui signifie non métalliques, comme prévu.
Passons maintenant au deuxième canal fondamental du PBR : Base Color.
Comme vous pouvez le voir, ce canal d’information affiche la couleur de base de l’objet à l’aide d’une Texture couleur, sans effets d’éclairage ni d’ombrage. Ce sont, pour ainsi dire, des Textures « plates ». Les couleurs des parties métalliques et des parties en bois ont des niveaux d’intensité similaires. Les couleurs sont différentes, bien sûr, mais visuellement elles ne semblent pas radicalement différentes, même si elles appartiennent à des substances complètement différentes.
La raison est que la distinction lors du shading et du rendu est réalisée par Substance à l’aide du canal Metallic et de sa Texture associée, qui indique à Substance que les réflexions lumineuses doivent être gérées différemment selon que la surface est métallique ou non métallique. Les valeurs de gris présentes dans la Base Color des parties métalliques définissent l’intensité des réflexions lumineuses et la possible teinte colorée appliquée à ces réflexions.
Le matériau Iron Old est un matériau « sale », donc l’effet n’est pas très visible, mais regardez comment les choses changent dans les différents canaux et dans le résultat final si j’insère un Material Substance « Aluminium Pure » entre le matériau bois et le matériau métal et que je désactive le matériau Iron Old situé en dessous.
Dans le résultat final, c’est-à-dire la vue Material qui combine tous les canaux d’information, les parties métalliques apparaissent BEAUCOUP plus réfléchissantes qu’auparavant.
Dans le canal Metallic, les parties métalliques sont d’un blanc pur, représentant un métal parfaitement pur.
Dans le canal Base Color, les parties métalliques sont presque blanches, ce qui indique que l’intensité des réflexions spéculaires dans ces zones sera maximale et sans aucune teinte colorée.
Regardez maintenant ce qui se passe si je règle le paramètre Metallic de Aluminium Pure sur zéro : les bandes métalliques deviennent blanches, elles ne réfléchissent plus comme avant et ressemblent à des objets en plastique blanc.
Maintenant, remettons Metallic à 1, mais réduisons la valeur de Base Color : les bandes conservent la réflectivité typique du métal, mais deviennent progressivement plus sombres.
C’est ici le point essentiel : dans le workflow Metallic, comme celui utilisé ici, la Base Color d’un objet ne suffit pas à elle seule à définir le niveau de réflectivité d’une surface, car il faut également préciser s’il s’agit d’un métal ou non. Dans un métal, l’intensité de la Base Color correspond également à l’intensité des réflexions lumineuses et spéculaires, tandis que dans un non-métal la Base Color définit uniquement la véritable couleur de la surface, comme c’est le cas pour les parties en bois du tonneau.
Je garde le matériau Aluminium Pure activé et Iron Old désactivé afin de vous montrer les effets du troisième canal fondamental d’un Material : Roughness.
Roughness, qui est l’opposé du lissage, est représenté comme la map Metallic à l’aide d’une image en niveaux de gris, où le blanc représente une rugosité maximale et le noir représente une surface parfaitement lisse et totalement réfléchissante. En effet, un miroir parfait est implémenté en PBR à l’aide d’un Material métallique avec une couleur blanche pure et Roughness réglé sur 0, comme je le montre actuellement à l’écran.
En augmentant la valeur de Roughness, nous rendons la surface moins lisse et, par conséquent, ses réflexions spéculaires deviennent plus diffuses, ou floues, en quelque sorte. Cela s’applique aussi bien aux métaux qu’aux non-métaux.
Je retire maintenant le Material Aluminium Pure et je réactive Iron Old afin de revenir à la configuration originale du projet et d’examiner quelques informations supplémentaires qui, en Computer Graphics, nous permettent d’ajouter des détails de surface lors du rendu sans les modéliser physiquement dans la géométrie.
Je sélectionne ensuite l’option « Normal + Height + Mesh » dans le sélecteur situé en haut à droite de la 3D View.
Cette vue montre la combinaison de plusieurs canaux d’information qui influencent les détails simulés sur la surface d’un objet. Sans ces détails, les surfaces de l’objet paraîtraient lisses et peu crédibles, en particulier dans les zones en bois.
Plus précisément, dans l’exemple affiché à l’écran, les détails de surface sont principalement implémentés dans les parties en bois par le layer « Fibers ». Pour observer les différences dans l’apparence de la surface avec et sans ces détails, il suffit d’activer ou de désactiver les layers correspondants dans le panneau Layers tout en observant les différences à la fois en mode « Normal + Height + Mesh » et en mode « Material » dans la 3D View. Les différences deviennent plus visibles lorsque l’objet est éclairé avec une lumière latérale plutôt qu’avec une lumière frontale.
Des effets similaires sont également présents dans les parties métalliques, implémentés à l’aide des canaux d’information Height et Normal de deux layers Iron Old, Iron et Edges. Comme vous pouvez le voir, ces Textures rendent certaines surfaces beaucoup plus intéressantes, alors que sans elles elles paraîtraient irréalistes car trop lisses et trop plates.
Un Material est un ensemble d’informations implémentées à travers des images, certaines en niveaux de gris et d’autres en couleur, projetées sur les surfaces des objets et combinées selon une méthode spécifique, qui dans notre cas est le paradigme PBR Metallic. Ces informations définissent la manière dont la surface de l’objet et les sources lumineuses interagissent pour produire l’image finale.
Le PBR repose sur des caractéristiques de matériaux observées dans le monde réel et implémentées en Computer Graphics grâce à une combinaison correcte de Textures représentant ces caractéristiques.
La méthode PBR comprend deux workflows : Metallic et Specular. Dans ce tutoriel, nous avons examiné un exemple utilisant le workflow Metallic.
Dans le workflow PBR Metallic, la première étape consiste à définir, au moyen d’une Texture en niveaux de gris, quelles parties d’une surface sont métalliques et lesquelles ne le sont pas.
Dans les zones métalliques, l’information Base Color, qui est une Texture couleur, définit l’intensité et la possible teinte colorée des réflexions spéculaires. Dans les zones non métalliques, Base Color représente uniquement la véritable couleur de la surface, sans effets d’éclairage ni d’ombrage.
Roughness indique le degré de rugosité de la surface. Avec des valeurs de Roughness faibles, les réflexions sont très nettes et bien définies, et dans une surface métallique avec une couleur de base blanche le matériau se comporte comme un miroir parfait. À mesure que la valeur de Roughness augmente, les réflexions lumineuses deviennent progressivement plus diffuses et plus floues. Roughness est l’opposé de Glossiness.
Les Textures Normal, qui sont des images couleur, et les Height Maps, qui sont des images spécifiques en niveaux de gris, permettent de simuler la présence de détails de surface lors de la visualisation et du rendu des objets. Elles sont utiles pour économiser de la géométrie et donc des ressources de calcul, en particulier dans les applications en temps réel comme les jeux vidéo ou les applications de réalité virtuelle et augmentée.
Très bien, pour ce tutoriel d’introduction consacré aux éléments de base du PBR, des Materials et des Textures dans Substance Painter, nous allons nous arrêter ici avec ces quatre premiers canaux d’information. Je réaliserai d’autres tutoriels dans lesquels j’analyserai séparément certains canaux, comme Height et Ambient Occlusion, ou bien j’examinerai ensemble tous les canaux d’un Material afin de voir comment ils se combinent pour produire des effets spécifiques selon les cas.
N’hésitez pas à laisser des questions, des commentaires et des demandes dans la section des commentaires de la vidéo sur YouTube. À la prochaine !