在本教程中，我们将了解什么是 PBR，如何使用基础 Textures 在 Substance 中定义 PBR Material，以及最重要的是，它们是如何协同工作的。
本教程的视频版本目前尚未提供该语言版本。您可以在下方观看带字幕的英文版视频；视频下方提供了翻译成中文的文字稿。
视频文字稿
大家好！如果你来到这里，应该已经知道 Substance Painter 是一款用于为 3D 模型创建 Materials 和 Textures 的软件应用程序。3D 模型文件会被导入到 Substance Painter 中，在这里你可以创建 Texture 图像，并将它们映射到模型几何体表面，然后导出这些图像。这样，带有 Textures 的对象就可以在 Unity 或 Unreal 等游戏引擎中使用，用于制作电子游戏或虚拟现实、增强现实应用程序；也可以用于 Blender 3D、3D Studio MAX 和 Maya 等动画与渲染软件；还可以用于 Sketchfab 等互联网实时 3D 可视化系统，以及更多其他场景。
在继续之前，准确地说，在介绍程序界面或将 3D 模型导入新的空白 Substance Painter 项目之前，我们首先需要解释什么是 Material。
Material 是一组信息。当它被应用到 3D 对象上时，它会定义该对象在虚拟场景中被照明和渲染时的表现方式。Rendering，也就是最终显示在屏幕上的图像，无论是静态还是实时，都是虚拟场景中光线与表面相互作用的结果。一方面，我们有各种类型的光源，从虚拟灯光到环境照明 Texture；另一方面，我们有对象的表面，在某些情况下也包括体积。之后还可以在这个初始结果基础上添加后期处理效果，但正如名字所示，这些实际上是在 Rendering 过程之后才应用的效果和滤镜。
好，那么 Material 是一组信息……但到底是什么样的信息呢？
根据用于创建 Rendering 的理论模型，也就是所谓的 “scheme”、“method” 或 “paradigm”，可以定义不同类型的信息，每种信息都有各自的特性。特别是，Substance Painter 允许我们定义遵循 Physically Based Rendering，也就是 PBR 模型的 Materials。有时候你也会看到 PBS 这个缩写，它代表 Physically Based Shading，指的是对象表面的着色方式。
在本教程中，我们不会过于深入地讲解 PBR 理论，因为这部分内容会在专门的教程中介绍。在这里，我们只会了解用于定义 Substance 中 PBR Material 的基础 Textures，以及更重要的，它们是如何协同工作的。理解这些概念对于我们自信地创建和自定义 Materials 至关重要，而不是在修改某个 Material 信息通道参数时靠猜测来操作。
为了避免让这个视频过于理论化，我会使用一个已经在该软件中创建好 Materials 和 Textures 的 3D 模型，来解释 PBR 的基本元素以及它们在 Substance 中的实现方式。
Physically Based Rendering paradigm，正如名字所暗示的，是基于一种物理化的方法，也就是说，它受到现实世界中物体行为方式的启发。
Materials 可以通过两种 workflow 来定义：Metallic 和 Specular。
在 Metallic workflow 中，表面会被划分为 metallic 和 non-metallic 材质，并且基于这种区分，所有其他通道都会以不同方式工作。
而在 Specular workflow 中，则是通过定义 specular reflections 的强度以及可能的颜色偏移，来决定光线与对象表面交互时的表现方式。
特别是在本示例使用的 PBR Metallic workflow 中，一个表面的外观由多个特性决定，其中最重要的包括：
它的材质属性，首先需要区分它是 metal 还是 non-metal，也就是所谓的 dielectric；
它的 Base Color。在 metallic 对象中，它定义的是光线反射的强度；而在 non-metallic 对象中，它则表示真实的表面颜色，不包含光照效果；
它在不同区域的平滑程度，也就是 Glossiness，或者反过来说，表面的 Roughness 程度。
除了这些来源于现实世界的特性之外，在虚拟世界中还会添加一些额外功能。例如，通过使用 Normal Maps 或 Height Maps 等特定 Texture 图像，可以在不真正对几何体进行建模的情况下模拟细节，从而节省 vertices、edges 和 faces，也就是节省渲染时的计算资源，特别是在电子游戏和其他实时应用程序中。
我在本视频中使用的木桶，可以让我们在同一个对象中观察这些基础信息是如何被转换为 Textures，并组合成一个 Substance Material 的。
为了在 3D View 中显示应用到对象上的完整 Material 预览，我按下键盘上的 M 键，也就是 Material 的快捷键，或者从 3D View 右上角的下拉菜单中选择 Material。
正如你所看到的，我们同时拥有 metallic 元素，也就是铁制部分，以及 non-metallic 元素，也就是木质部分。这将帮助我们理解在 PBR paradigm 中，这两类材质是如何被不同处理的，尤其是在 Base Color 定义以及 specular reflections 颜色方面。
为了显示各个独立的信息通道，也就是应用到对象表面的不同 Texture 图像，我们可以多次按下 C 键，或者从 3D View 右上角的下拉菜单中选择所需通道。
我们先从 Metallic channel 开始。它通过一张 grayscale 图像来定义 Material 的哪些部分应被视为 metallic，哪些部分不应被视为 metallic。其中，白色代表纯金属，黑色代表纯非金属。在这个木桶的案例中，我们还能看到灰色区域，因为用于 metallic 部分的 “Iron Old” 材质旨在表现陈旧磨损的铁，可能还覆盖着灰尘或锈迹，因此它的 “metallicity” 可以说被降低了。
而木质部分则完全显示为黑色，也就是说它们是 non-metallic，这正符合我们的预期。
接下来我们来看第二个基础 PBR 通道：Base Color。
正如你所看到的，这个信息通道使用 color Texture 来显示对象的基础颜色，不包含任何 lighting 或 shading 效果。可以说，这些是 “flat” Textures。metallic 部分和木质部分的颜色强度看起来相近。当然，它们的颜色不同，但从视觉上看并没有显得截然不同，即使它们实际上属于完全不同的材质。
原因在于，在 shading 和 rendering 过程中，Substance 会通过 Metallic channel 以及对应的 Texture 来区分处理方式。它告诉 Substance：根据表面是 metallic 还是 non-metallic，光线反射必须采用不同的计算方式。metallic 部分 Base Color 中的灰度值，则定义了光线反射的强度，以及是否会对这些反射施加颜色偏移。
“Iron Old” 是一种比较 “脏” 的材质，因此这个效果并不算特别明显。不过请看，如果我在木材材质和金属材质之间插入一个 Substance 的 “Aluminium Pure” Material，并禁用下面的 Iron Old 材质，各个通道以及最终结果会发生什么变化。
在最终结果中，也就是结合了所有信息通道的 Material 视图里，metallic 部分明显比之前反射更强了。
在 Metallic channel 中，metallic 部分变成了纯白色，这表示它们是完全纯净的金属。
在 Base Color channel 中，metallic 部分几乎也是白色，这意味着这些区域中的 specular reflections 强度会达到最大，并且不会带有任何颜色偏移。
现在看看，如果我把 Aluminium Pure 的 Metallic 参数设为 0，会发生什么：金属带会变成白色，它们不再像之前那样反射，看起来更像白色塑料对象。
现在我们把 Metallic 恢复为 1，但降低 Base Color 的值：这些金属带仍然保持典型的金属反射特性，但会逐渐变暗。
这正是关键点：在 Metallic workflow 中，也就是这里所使用的 workflow，仅仅依靠对象的 Base Color 并不足以定义表面的反射程度，因为我们还需要指定它是否为 metal。在 metal 中，Base Color 的强度同时也是光线和 specular reflections 的强度；而在 non-metal 中，Base Color 只定义真实的表面颜色，就像木桶的木质部分那样。
我会保持 Aluminium Pure 材质启用，同时关闭 Iron Old，以便向你展示第三个基础 Material 通道：Roughness。
Roughness，也就是平滑度的反面，与 Metallic map 一样，使用 grayscale 图像表示。其中白色代表最大粗糙度，黑色代表完全光滑、完全反射的表面。事实上，一个完美镜面在 PBR 中就是通过一个纯白色的 metallic Material，并将 Roughness 设为 0 来实现的，我现在正在屏幕上演示这一点。
随着 Roughness 值增加，表面会变得不那么平滑，因此它的 specular reflections 会变得更加扩散，或者说更加模糊。从某种意义上讲，这种效果同时适用于 metals 和 non-metals。
现在我会移除 Aluminium Pure Material，并重新启用 Iron Old，以回到项目原本的配置。接下来我们来看看一些额外的信息，这些信息在 Computer Graphics 中能够让我们在 rendering 时添加表面细节，而无需真正把这些细节建模到几何体中。
然后我从 3D View 右上角的选择器中选择 “Normal + Height + Mesh” 选项。
这个视图显示了多个信息通道的组合，它们共同影响对象表面细节的模拟。如果没有这些细节，对象表面会显得非常光滑，也缺乏真实感，尤其是在木质区域。
特别是在当前屏幕中的示例里，表面细节主要通过木质部分中的 “Fibers” layer 来实现。为了观察这些细节存在与否时表面外观的差异，只需在 Layers panel 中启用或禁用对应的 layers，同时在 3D View 的 “Normal + Height + Mesh” 模式和 “Material” 模式下观察变化即可。当对象使用侧面光照而不是正面光照时，这些差异会更加明显。
类似的效果也存在于 metallic 部分，它们通过两个 Iron Old layers，也就是 Iron 和 Edges 的 Height 与 Normal 信息通道来实现。正如你所看到的，这些 Textures 让某些表面变得更加有趣；如果没有它们，这些表面会显得不真实，因为它们看起来会过于光滑和平坦。
Material 是一组通过图像实现的信息，其中有些是 grayscale 图像，有些是 color 图像。这些图像会被映射到对象表面，并按照特定方法组合起来。在我们的案例中，这种方法就是 PBR Metallic paradigm。这些信息定义了对象表面与光源之间如何交互，从而生成最终图像。
PBR 基于现实世界中观察到的材质特性，并通过正确组合代表这些特性的 Textures，在 Computer Graphics 中实现这些效果。
PBR 方法包含两种 workflow：Metallic 和 Specular。在本教程中，我们分析的是使用 Metallic workflow 的示例。
在 PBR Metallic workflow 中，第一步是通过 grayscale Texture 来定义表面的哪些部分是 metallic，哪些部分不是。
在 metallic 区域中，Base Color 信息，也就是一张 color Texture，用于定义 specular reflections 的强度以及可能的颜色偏移。而在 non-metallic 区域中，Base Color 只表示真实的表面颜色，不包含 lighting 或 shading 效果。
Roughness 表示表面的粗糙程度。当 Roughness 值较低时，反射会非常锐利且清晰；在一个拥有白色 base color 的 metallic 表面中，材质会表现得像完美镜子一样。随着 Roughness 值增加，光线反射会逐渐变得更加扩散和模糊。Roughness 与 Glossiness 正好相反。
Normal Textures，也就是 color 图像，以及 Height Maps，也就是特定的 grayscale 图像，可以在对象显示与 rendering 过程中模拟表面细节。它们对于节省几何体数量以及计算资源非常有用，特别是在电子游戏或虚拟现实、增强现实等实时应用程序中。
好了，关于这期 Substance Painter 中 PBR、Materials 和 Textures 基础元素的入门视频教程，我们就在这里先停下。本次我们只介绍了前四个信息通道。之后我还会制作更多教程，分别单独分析各个通道，例如 Height 和 Ambient Occlusion，或者从整体角度分析一个 Material 的所有通道，看看它们是如何结合起来，根据不同情况产生特定效果的。
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