现如今提到“次世代”的游戏画面和美术，不少人会将其和更加细腻的模型面数和贴图精度联系起来，而暂时不会期待有什么革命性的图形技术再次出现。毕竟在画面表现的探索上，尤其是“写实”这个风格的赛道上，已有的美术制作管线已经在方法上达到了以假乱真的边界。当虚幻5亮相时，怎样增强美术的光影细节和软硬件的优化，已经是次世代游戏美术的主要进攻方向。

而在几年前（2014 ~ 2017左右），游戏的美术制作曾经出现一次历史性的突破。这个突破就是PBR（物理渲染）的出现。例如，生化危机：启示录2（2015）和生化危机7（2017）的画面质感就有真正跨时代的区别。

不知道玩家们有没有印象，那几年间，游戏画面陡然间写实了很多，游戏中的材料质感也向着现实材质跨了一大步。这种变革，就是源自于PBR技术的普及。

我记得当时有一些文章提到，《王者荣耀》最近在研究新的图形技术，将要让游戏画面焕然一新。文章前摇了很久，才提到他们用了PBR技术，并且将这个技术讲得极其神秘和玄妙……

那么，PBR是什么呢？PBR全称 Physically Based Rendering（基于物理渲染），可以模拟现实中的光线的物理性以及与各材质的交互作用。早在2012年，迪士尼在SIGGRAPH 2012上就提出了著名的“迪士尼原则的BRDF（Disney Principled BRDF）”，开始应用PBR技术。

PBR采用基于物理精确公式的算法来重现真实世界中的材质，从而生成一致性的逼真环境。

在PBR出现之前，所有游戏美术对于光线的反射，要么只是用纹理来模拟，要么只是根据灯光颜色进行一些基本的回馈。而PBR的最大特点，就是可以根据材质，对于环境贴图进行真实的反射，尤其是金属材质，这一点的表现尤为重要。

值得注意的是，PBR技术刚刚应用在游戏行业时，对于环境的反射主要还是一张全景的环境贴图，也就是说，不管周围有什么即时环境的变化，反射的内容仍然是那一张全景图，只不过会根据角度不同而反射出全景图的某一个位置。

当然，当时的“光栅”技术会粗糙地反射一部分相近的图像，而真正可以大量即时地反射周边画面的技术，是之后几年才慢慢成熟的“光线追踪”技术。

那么，这种物理反射的实现原理是什么呢？

光线作为一种电磁波，在照射到物体表面后，会因其材料和表面情况，反射出不同的效果。一般来说，漫反射（Diffuse）会呈现出多方向并且缺乏规律的光线反射，而高光（Specular）则是特殊材料会体现出的有明显规律并且反射角度较少的特性。如果材料是导体，那么它的反射就会有我们平常所说的“金属光泽”；如果材料是非导体，那么就会呈现出“塑料感”或者类似的感觉。

在“模拟真实”这个基石下，一个关键的原则便是“能量守恒”。这意味着表面反射的光线总量不能超过其吸收的的光线总量。

在 PBR 中，有几种类型的贴图可帮助创建逼真且具有视觉冲击力的纹理：

反照率（引用的原文是翻译为这个词，但是Diffuse在美术制作中更多是称作“漫反射”或者“基础色”）： 代表材质的基础颜色，影响其整体外观和视觉写实度。
法线：模拟表面细节与不规则性，增强渲染场景细节层次。
粗糙度：粗糙度贴图可控制反射的锐利度，有助于描绘材质表面。
金属度：决定了材质的金属特性，影响其反射率和外观。
高光：根据光线方向和视角描述反射率的变化，有助于渲染场景的写实度。
高度图（Height）：用于对网格进行形变，常用于地形或悬崖等表面。
不透明度：确定材质的透明度，影响其视觉外观。
环境光遮蔽（AO）：影响材质的阴影效果，增加渲染视觉效果的深度。
折射：影响光线穿过材质的方式，从而增强材质的视觉效果。
自发光（Emissive）：控制材质的光线发射，影响其视觉效果。

需要注意的是，并不是每一个PBR材质都会用到这么多种类的贴图。除了流程耗时以外，通道越多，对系统的负担也会越高。尤其是金属度（Metallic）和高光（Specular）这两个贴图很多时候是不会共用的，基本上使用一个就行了。

（同时，本文的重点是Specular和Metallic在PBR贴图中应用的历史，其他的贴图类型并不会花太多篇幅提及。）

由于上文提到的原因，基于PBR的贴图制作，产生了两种制作方法。在当时的美术制作流程中，这两种方法在主流商业游戏中的使用量平分秋色。这就是以Specular（高光）贴图和Metallic（金属度）贴图为主要区分的制作思路。

而最终，Specular贴图惨败于Metallic，因为它为当时的美术团体带来了挥之不去的梦魇……

高光（Specular）贴图代表的含义，基本上就是这个表面所能反射出的光线能量。当你给一个3D物体添加Specular时，如果Specular的某个位置是黑色，那这里就没有反射；如果某个位置是白色，那么这里就有极其强烈的反射效果；如果一个位置是灰色的Specular，那么这里就会有一个中等的反射度。

听起来好像不难理解吧？但是，这中间就有一些不好定义的部分。最基础的实现效果上，在其他参数相同时，你会发现，随着Specular值的提升，这个物体的表面好像从非金属慢慢变成了金属。这显然是不符合现实的，一个物体是不可能平缓地游走于这两种状态之间的。然后，在制作方法层面，这个贴图的难点更多。

第一，Specular的值和现实材质并没有统一的度量值。比如同样是石材，砖头、水泥、大理石、混凝土等等，各自该设置多强的Specular呢？当时有很多有经验的美术很快通过自己的勤奋与观察，迅速找到了自己的一套参数，来模拟出不同的材质。但是你猜怎么着？同样的Specular值，不同的游戏引擎，不同的项目，出来的效果都不同；甚至不同的美术总监，不同的美术人员，都会有自身感受的差异。这就导致很多美术每次做新物件，都会花很多时间在材质参数的确定上。

而这还只是开始。

第二，想做出写实的效果，有时还要进行一些弯弯绕绕的理解。当时我正在参与Arkane工作室的游戏《掠食》的制作，这个项目就使用了Specular流程：金属材质要把基础的漫反射颜色（Diffuse）做成黑色，而金属本身的材质要体现在Specular贴图上。比如，你要做一个白色陶瓷品，但是它的一部分是黄铜，那么，在主体部分，基础色就是白色，Specular是深灰色；而在黄铜部分，基础色是黑色，Specular则是黄色。这还只是一个最简单的例子，在实际制作中，还需要考虑材料是否上漆、是否镀层、是否有磨损、划痕、机油、脏迹、指纹、甚至材料本身是否是拉丝或者车漆等等有花纹的表面。每一种情况都要考虑到Specular的值，都要看看是否会产生不真实的反光。

还不算完！

第三，Specular贴图有个特点，就是当你加入Glossiness（光滑度）贴图时，需要更加小心。记得之前提到过的那个PBR概念吗？表面反射的光线总量不能超过其吸收的的光线总量。（至于Glossiness贴图，不在本文的讨论范围，只需要知道这个贴图也是物理渲染必不可少的一环，并且原理和Specular类似。）而使用Specular时，同一个位置，与Glossiness的亮度值加起来是不能超过1的，不然最终效果就会不真实（黑为0，白为1，中间的灰度就是从0到1的渐变值。简单举例就是，Glossiness如果用了亮灰色，那么Specular就只能用暗色或者黑色）。

当时，提到“次世代”和“PBR”时，往往各种技术理论和专业术语就纷纷出现。为了清楚地理解这一套制作方式背后的原理，甚至还需要参考物理学。同时，我亲眼看到过很多美术人员被各种专有名词折磨得痛苦不堪。想象一下，你本是一个资深美术。以前，你在做好模型后，只需要按照现实情况，把写实的颜色绘制在模型上就行了（虽然中间出现了法线贴图Normal，但是那个没有理解上的难点）。而现在，你需要先确认引擎，参考这个引擎的Specular使用方式，然后总监沟通好主要材质的Specular参数，然后再制作的时候还要时不时想到Glossiness和正在制作的Specular加起来会不会太亮……

不光是制作，连检查流程也是要人老命。以至于当时工作室还准备了PBR理论的教学和考试；而新人来到工作室以后的一个重要考核指标，就是“PBR理解是否正确”。

在经历过这些磨难后，Metallic贴图终于出现了。

Metallic 贴图相对于Specular有什么特点呢？它最大的特点就是：好使。对于一个不了解技术的纯3D美术来说，Metallic简直就是救世主。根据刚才提到的Specular的使用难点，我们对照地看一下Metallic的使用方式。

首先，它很好理解。在这个贴图中，白色就是金属，黑色是非金属，就这么一个简单的区别。不同引擎的不同效果？这个层面上不用考虑。大多数时候，只要用黑白来区分金属与非金属就行了。（我知道有特殊情况下这个贴图会用到灰色，但是已经简单很多了。）

然后，它不必考虑和其他贴图的互相影响。这个材质看起来是什么颜色，和Metallic无关。颜色你就去颜色贴图上加就行了，Metallic只管定义是不是金属。

最后，Glossiness？那更是关我鸟事，自己玩自己的部分就行了。美术不再需要实时提醒自己光线的吸收量和反射量的平衡，光滑与否和金属与否的定义可以根据自己的经验去分别判断。

当美术们做了一次Metallic流程后，就像是高考过后的学生，根本不想回到之前那个拼命学习的状态，脑中只有一个虔诚的祈祷：拜托各位都来使用Metallic贴图吧！果然，没过几年，主流游戏的美术管线全都用上了Metallic流程。在《掠食》这个项目之后不久，我参与的Capcom游戏《鬼泣5》、以及Sandlot的《地球防卫军5》中，就开始全面应用Metallic流程了。

当然，在Metallic美术管线刚刚出现的一两年间，Specular仍然应用于很多主流项目中。毕竟已经养成的制作惯性不是说改就能立刻改过来的，尤其是手游，真正让Metallic流程的普及仍然花费了很长时间。

虽然Metallic对于Specular的替代是大势所趋，但直至今日，或许Specular贴图仍然有自身的一些优点，又或者是其他原因，现在的主流引擎中仍然为它留下了使用接口。

但是，工具是需要贴合使用者的。方便、易用才是最好的宣传。美术人员不是技术人员，微波炉再先进，你让我用微波炉做雪糕，这不是为难我吗？




以上只是我对那个年代的感慨。可以看到，任何一种革命性的技术和方法出现后，都会经历一段时间的混沌期。虽然当时感到了一定程度的痛苦和迷茫，但是事后回忆，也有一定的乐趣存在。这次不是纯粹的技术分享，而是回忆一下当时的业内情况。作为这一段乱世的参与者，我发现中文网络环境中没有什么文章将这一段历史科普给大家，这一点颇为遗憾……所以，我会尽量以人人都能看得懂的语言说明当时发生了什么。不知道下一次的图形革命又会是什么？我听说虚幻5的多边形支持数已经到达了亿级，或许很多贴图和制作流程会被淘汰掉。

不过，现在我已经彻底来到了独立游戏这个赛道，很多新技术来到我身边的那一天，或许还有很久。

参考：

http://blog.wolfire.com/2015/10/Physically-based-rendering

https://www.chaos.com/cn/blog/what-is-pbr-physically-based-rendering-a-complete-guide

https://zhuanlan.zhihu.com/p/53086060

https://www.modding-forum.com/guide/17-diffuse-specular-and-normal-maps/

https://cgobsession.com/complete-guide-to-texture-map-types/

https://www.chaos.com/blog/what-is-pbr-physically-based-rendering-a-complete-guide

http://wedesignvirtual.com/what-does-a-specular-map-do/