Neste tutorial veremos o que é PBR, como as Textures fundamentais são utilizadas para definir um Material PBR no Substance e, principalmente, como elas funcionam juntas.
Transcrição do vídeo
Olá a todos! Se você está aqui, provavelmente já sabe que o Substance Painter é um software que permite criar Materials e Textures para modelos 3D. Os arquivos de modelos 3D são importados para o Substance Painter e, aqui, você pode criar imagens de Texture, mapeando-as sobre as geometrias, e exportar essas imagens para que o objeto, completo com suas Textures, possa ser utilizado em game engines como Unity ou Unreal para criar videogames ou aplicações com realidade virtual ou aumentada, em softwares de animação e renderização como Blender 3D, 3D Studio MAX e Maya, ou em sistemas de visualização 3D em tempo real na Internet, como Sketchfab, e muito mais.
Antes de continuar, na verdade antes mesmo de falar sobre a interface do programa ou de importar um modelo 3D para um novo projeto vazio no Substance Painter, primeiro precisamos explicar o que significa um Material.
Um Material é um conjunto de informações que, quando aplicado a um objeto 3D, define como ele irá se comportar quando iluminado e renderizado em uma cena virtual. Rendering, ou seja, a imagem final visível na tela, seja estática ou em tempo real, é o resultado da interação entre luz e superfícies em uma cena virtual. De um lado temos as fontes de luz, de vários tipos, desde lâmpadas virtuais até Textures de ambiente de iluminação, e do outro lado temos as superfícies, ou em alguns casos os volumes, dos objetos. Efeitos de pós-produção podem então ser adicionados a esse resultado inicial, mas, como o próprio nome sugere, esses são efeitos e filtros aplicados após o processo de rendering em si.
Certo, então um Material é uma coleção de informações... mas que tipo de informações?
Dependendo do modelo teórico, ou “esquema”, “método” ou “paradigma” utilizado para criar o rendering, diferentes tipos de informações podem ser especificados, cada um com suas próprias características. O Substance Painter, em particular, permite definir Materials que seguem o modelo Physically Based Rendering, ou PBR. Às vezes você também pode encontrar a sigla PBS, que significa Physically Based Shading, referindo-se ao shading das superfícies dos objetos.
Neste tutorial, não vamos nos aprofundar demais na teoria de PBR, que abordaremos em um tutorial dedicado. Aqui, vamos apenas observar as Textures fundamentais usadas para definir um Material PBR no Substance e, mais importante ainda, como elas funcionam juntas. Entender esses conceitos é essencial para criar e personalizar nossos Materials com segurança, sem depender de tentativas aleatórias ao alterar os parâmetros de um canal de informação do Material ou de outro.
Para evitar tornar este vídeo excessivamente teórico, vou explicar os elementos fundamentais do PBR e como eles são implementados no Substance utilizando um modelo 3D que já possui Materials e Textures criados neste software.
O paradigma Physically Based Rendering, como o próprio nome sugere, é baseado em uma abordagem física, ou seja, inspirado em como as coisas se comportam no mundo real.
Os Materials podem ser definidos usando dois workflows: Metallic e Specular.
No workflow Metallic, as superfícies são divididas entre materiais metálicos e não metálicos e, com base nessa distinção, todos os outros canais se comportam de maneira diferente.
Já no workflow Specular, a intensidade e a possível tonalidade de cor das reflexões especulares são definidas para determinar como a luz interagindo com a superfície do objeto irá se comportar.
Em particular, no workflow PBR Metallic, que é o utilizado neste exemplo, a aparência de uma superfície é determinada por várias características, sendo as mais importantes:
sua natureza, antes de tudo distinguindo se é um metal ou um não-metal, também chamado de dielétrico;
seu Base Color, que em um objeto metálico define a intensidade das reflexões de luz, enquanto em objetos não metálicos representa efetivamente a verdadeira cor da superfície, sem efeitos de iluminação;
o nível de suavidade, ou Glossiness, ou inversamente o nível de Roughness da superfície em suas diferentes áreas.
A essas características observadas no mundo real, são adicionados recursos extras úteis no mundo virtual. Por exemplo, utilizando imagens de Texture específicas como Normal Maps ou Height Maps, é possível simular a presença de detalhes sem realmente modelá-los na geometria, economizando vértices, edges e faces e, consequentemente, recursos computacionais durante o rendering, especialmente em videogames e outras aplicações em tempo real.
O barril de madeira que estou utilizando neste vídeo nos permite analisar, em um único objeto, como essas informações básicas são traduzidas em Textures e combinadas em um Material do Substance.
Para exibir a visualização do Material completo aplicado ao objeto na 3D View, pressiono a tecla M, de Material, ou seleciono Material no menu suspenso no canto superior direito da 3D View.
Como você pode ver, temos tanto elementos metálicos, feitos de ferro, quanto elementos não metálicos, feitos de madeira. Isso nos permitirá observar as diferenças na forma como esses dois tipos de materiais são tratados no paradigma PBR, especialmente em relação à definição de Base Color e às cores das reflexões especulares.
Para exibir os canais individuais de informação, que correspondem às diferentes imagens de Texture aplicadas à superfície do objeto, podemos pressionar a tecla C várias vezes ou escolher o canal desejado no menu suspenso no canto superior direito da 3D View.
Vamos começar pelo canal Metallic, que define quais partes do Material devem ser tratadas como metálicas e quais não devem, utilizando uma imagem em escala de cinza, na qual o branco representa um metal puro e o preto representa um material totalmente não metálico. No caso deste barril, também temos áreas cinzas porque o material utilizado nas partes metálicas, “Iron Old”, foi criado para representar ferro velho desgastado, talvez coberto de poeira ou ferrugem, o que reduz sua “metalicidade”, por assim dizer.
As partes de madeira, por outro lado, aparecem completamente pretas, indicando que não são metálicas, como esperado.
Vamos agora para o segundo canal fundamental do PBR, Base Color.
Como você pode ver, este canal de informação exibe a cor base do objeto utilizando uma Texture colorida, sem efeitos de iluminação ou shading. São, por assim dizer, Textures “flat”. As cores das partes metálicas e das partes de madeira possuem níveis de intensidade semelhantes. As cores são diferentes, claro, mas visualmente não parecem radicalmente diferentes, apesar de pertencerem a substâncias completamente distintas.
O motivo é que a distinção durante o shading e o rendering é feita pelo Substance utilizando o canal Metallic e sua respectiva Texture, que informa ao Substance que as reflexões de luz devem ser tratadas de forma diferente dependendo se a superfície é metálica ou não metálica. Os valores em cinza no Base Color das partes metálicas definem a intensidade das reflexões de luz e qualquer possível tonalidade de cor aplicada a essas reflexões.
O material Iron Old é um material “sujo”, então o efeito não é muito evidente, mas observe como as coisas mudam nos vários canais e no resultado final se eu inserir um Material do Substance chamado “Aluminium Pure” entre o material de madeira e o material metálico e desativar o material Iron Old abaixo dele.
No resultado final, ou seja, na visualização Material que combina todos os canais de informação, as partes metálicas aparecem MUITO mais reflexivas do que antes.
No canal Metallic, as partes metálicas estão em branco puro, representando um metal perfeitamente puro.
No canal Base Color, as partes metálicas estão quase brancas, indicando que a intensidade das reflexões especulares nessas áreas estará no máximo e sem qualquer tonalidade de cor.
Agora observe o que acontece se eu definir o parâmetro Metallic de Aluminium Pure para zero: as faixas metálicas ficam brancas, deixam de refletir como antes e passam a parecer objetos de plástico branco.
Agora vamos definir Metallic novamente para 1, mas reduzir o valor de Base Color: as faixas mantêm a refletividade típica do metal, mas gradualmente ficam mais escuras.
Este é o ponto principal: no workflow Metallic, como o utilizado aqui, o Base Color de um objeto sozinho não é suficiente para definir o quão reflexiva uma superfície será, porque também precisamos especificar se ela é metálica ou não. Em um metal, a intensidade do Base Color também é a intensidade das reflexões de luz e especulares, enquanto em um não-metal o Base Color apenas define a verdadeira cor da superfície, como acontece com as partes de madeira do barril.
Estou mantendo o material Aluminium Pure ativado e o Iron Old desativado para mostrar a vocês os efeitos do terceiro canal fundamental do Material: Roughness.
Roughness, que é o oposto de suavidade, é representado como o mapa Metallic utilizando uma imagem em escala de cinza, onde o branco representa máxima rugosidade e o preto representa uma superfície perfeitamente lisa, brilhante e totalmente reflexiva. De fato, um espelho perfeito é implementado em PBR utilizando um Material metálico com cor branca pura e Roughness definido como 0, como estou mostrando na tela neste momento.
Ao aumentar o valor de Roughness, tornamos a superfície menos lisa e, consequentemente, suas reflexões especulares tornam-se mais difusas ou borradas, de certa forma. Isso se aplica tanto a metais quanto a não-metais.
Agora vou remover o Material Aluminium Pure e reativar o Iron Old para retornar à configuração original do projeto e observar algumas informações adicionais que, em Computer Graphics, permitem adicionar detalhes de superfície durante o rendering sem modelá-los fisicamente na geometria.
Em seguida, seleciono a opção “Normal + Height + Mesh” no seletor localizado no canto superior direito da 3D View.
Esta visualização mostra a combinação de múltiplos canais de informação que influenciam os detalhes simulados na superfície de um objeto. Sem esses detalhes, as superfícies do objeto pareceriam lisas e pouco convincentes, especialmente nas áreas de madeira.
Em particular, no exemplo mostrado na tela, os detalhes da superfície são implementados principalmente nas partes de madeira pela layer “Fibers”. Para observar as diferenças na aparência da superfície com e sem esses detalhes, basta ativar ou desativar as layers correspondentes no painel Layers enquanto observa as diferenças tanto no modo “Normal + Height + Mesh” quanto no modo “Material” na 3D View. As diferenças tornam-se mais perceptíveis quando o objeto é iluminado lateralmente em vez de frontalmente.
Efeitos semelhantes também estão presentes nas partes metálicas, implementados utilizando os canais de informação Height e Normal de duas layers Iron Old, Iron e Edges. Como você pode ver, essas Textures tornam algumas superfícies muito mais interessantes, enquanto sem elas elas pareceriam irreais por serem excessivamente lisas e planas.
Um Material é um conjunto de informações implementadas através de imagens, algumas em escala de cinza e outras coloridas, mapeadas sobre as superfícies dos objetos e combinadas de acordo com um método específico, que no nosso caso é o paradigma PBR Metallic. Essas informações definem como a superfície do objeto e as fontes de luz interagem para produzir a imagem final.
O PBR é baseado em características dos materiais observadas no mundo real e implementadas em Computer Graphics através da combinação adequada de Textures que representam essas características.
O método PBR inclui dois workflows: Metallic e Specular. Neste tutorial, analisamos um exemplo utilizando o workflow Metallic.
No workflow PBR Metallic, o primeiro passo é definir, através de uma Texture em escala de cinza, quais partes de uma superfície são metálicas e quais não são.
Nas áreas metálicas, a informação Base Color, que é uma Texture colorida, define a intensidade e a possível tonalidade de cor das reflexões especulares. Nas áreas não metálicas, Base Color representa apenas a verdadeira cor da superfície, sem efeitos de iluminação ou shading.
Roughness indica o grau de rugosidade da superfície. Com valores baixos de Roughness, as reflexões são muito nítidas e bem definidas e, em uma superfície metálica com cor base branca, o material se comporta como um espelho perfeito. À medida que o valor de Roughness aumenta, as reflexões de luz tornam-se progressivamente mais difusas e borradas. Roughness é o oposto de Glossiness.
Normal Textures, que são imagens coloridas, e Height Maps, que são imagens específicas em escala de cinza, tornam possível simular a presença de detalhes de superfície durante a visualização e o rendering do objeto. Elas são úteis para economizar geometria e, consequentemente, recursos computacionais, especialmente em aplicações em tempo real, como videogames ou aplicações de realidade virtual e aumentada.
Certo, para este videotutorial introdutório sobre os elementos básicos de PBR, Materials e Textures no Substance Painter, vamos parar por aqui com estes quatro primeiros canais de informação. Vou criar tutoriais adicionais nos quais analisarei canais individuais separadamente, como Height e Ambient Occlusion, ou alternativamente examinarei todos os canais de um Material em conjunto para observar como eles se combinam para produzir efeitos específicos, dependendo do caso.
Fiquem à vontade para deixar perguntas, comentários e sugestões na seção de comentários do vídeo no YouTube. Até a próxima!