Graphics: Texture

有几种贴图？

在图形学中，贴图（Texture）是增强3D模型真实感和细节的核心技术。以下是12种常见贴图类型的分类详解，涵盖它们的作用、原理、应用场景及使用方法，结合代码和案例说明：

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📌 1. 基础颜色贴图（Albedo/Diffuse Map）

• 作用：定义材质的基础颜色（无光照信息）。

• 为什么需要：分离颜色与光照计算，避免重复烘焙阴影。

• 格式：sRGB色彩空间（通常为PNG/JPG）。

• 用法示例（GLSL）：

vec3 albedo = texture(albedoMap, uv).rgb;

📌 2. 法线贴图（Normal Map）

• 作用：模拟表面凹凸细节（不改变几何体）。

• 为什么需要：低多边形模型表现高模细节。

• 原理：RGB通道存储切线空间法线向量（范围[-1,1]映射到[0,1]）。

• 用法：

vec3 normal = texture(normalMap, uv).rgb * 2.0 - 1.0; // 转换到切线空间
normal = normalize(TBN * normal); // TBN为切线空间矩阵

📌 3. 粗糙度贴图（Roughness Map）

• 作用：控制表面微观粗糙度（0=镜面，1=完全漫反射）。

• PBR核心：决定高光反射的锐利程度。

• 用法：

float roughness = texture(roughnessMap, uv).r;

📌 4. 金属度贴图（Metallic Map）

• 作用：标记金属（1）与非金属（0）区域。

• PBR规则：金属区域Albedo直接作为反射颜色。

• 示例：

float metallic = texture(metallicMap, uv).r;
vec3 F0 = mix(vec3(0.04), albedo, metallic); // 基础反射率

📌 5. 环境光遮蔽贴图（AO Map）

• 作用：预计算环境光遮蔽阴影（缝隙/凹陷处更暗）。

• 优化手段：替代实时全局光照计算。

• 用法：

float ao = texture(aoMap, uv).r;
vec3 color = (diffuse + specular) * ao;

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📌 6. 高度贴图（Height/Displacement Map）

• 作用：通过顶点位移实现真实几何凹凸（不同于法线贴图的视觉欺骗）。

• 格式：灰度图（白色=凸起，黑色=凹陷）。

• 细分曲面：需配合Tessellation使用（DirectX/OpenGL）。

// HLSL示例（曲面细分阶段）
float height = texture(heightMap, uv).r;
vertex.y += height * displacementScale;

📌 7. 自发光贴图（Emissive Map）

• 作用：使部分表面发光（如霓虹灯、屏幕）。

• HDR支持：通常使用EXR格式存储高亮度值。

• 代码：

vec3 emission = texture(emissiveMap, uv).rgb * intensity;
fragColor.rgb += emission; // 直接叠加到最终输出

📌 8. 透明度贴图（Alpha Map）

• 作用：控制像素级透明度（如树叶、栅栏）。

• 通道：通常存储在Albedo贴图的Alpha通道。

float alpha = texture(albedoMap, uv).a;
if (alpha < 0.5) discard; // Alpha Test

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📌 9. 次表面散射贴图（Subsurface Scattering Map）

• 作用：模拟光线在半透明材质内的散射（皮肤、玉石）。

• 技术：需配合次表面散射算法（如Diffusion Profile）。

float sss = texture(sssMap, uv).r;
vec3 scattering = calculateSSS(sss, thickness);

📌 10. 曲率贴图（Curvature Map）

• 作用：标记表面曲率（凸起/凹陷边缘），用于边缘磨损特效。
• 生成方式：通过ZBrush/Mari等工具烘焙。

📌 11. 各向异性贴图（Anisotropy Map）

• 作用：控制各向异性高光（如拉丝金属、头发）。
• 原理：修改高光形状（非圆形）。

vec2 anisotropy = texture(anisotropyMap, uv).rg;
vec3 specular = calculateAnisotropicSpecular(anisotropy);

📌 12. 遮罩贴图（Mask Map）

• 作用：混合多种材质（如泥土+石块）。
• 引擎应用：UE5的Virtual Texture系统。

float mask = texture(maskMap, uv).r;
vec3 materialA = texture(materialAMap, uv).rgb;
vec3 materialB = texture(materialBMap, uv).rgb;
vec3 final = mix(materialA, materialB, mask);

📌 贴图使用流程（以Blender为例）

1. 导入贴图：

   # Blender Python API
   import bpy
   texture = bpy.data.images.load("path/to/albedo.png")

2. 连接节点：

   bsdf = mat.node_tree.nodes["Principled BSDF"]
   tex_node = mat.node_tree.nodes.new("ShaderNodeTexImage")
   tex_node.image = texture
   mat.node_tree.links.new(tex_node.outputs[0], bsdf.inputs["Base Color"])

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📌 为什么需要这么多贴图？

1. 物理准确性：PBR要求多参数精确控制（如金属度/粗糙度分离）。
2. 性能优化：预计算（如AO）替代实时计算。
3. 艺术控制：允许美术师精细调整每个材质属性。

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📌 学习资源

• 工具：Substance Painter（贴图制作）、RenderDoc（调试）。
• 书籍：《Real-Time Rendering》第4章。
• 教程：LearnOpenGL Textures。

掌握这些贴图，你就能驾驭从风格化卡通到影视级渲染的所有需求！ 🎨

什么是PBR贴图？

您的问题非常关键！PBR贴图（Physically Based Rendering Textures） 实际上是上述多种贴图的组合使用规范，而非单一贴图类型。以下是针对PBR贴图的完整解析，补充说明其核心要点和实际应用：

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📌 什么是PBR贴图？

PBR贴图是一组基于物理渲染规则的纹理组合，用于精确模拟真实世界材质的光学行为。它通过多张贴图协同工作，确保材质在不同光照环境下保持物理正确性（如能量守恒、微表面理论）。

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📌 PBR贴图的核心成员

以下是PBR工作流中必须或常用的贴图类型及其作用：

贴图类型	PBR中的作用	非PBR对比
Albedo Map	纯颜色信息（无光照阴影）	Diffuse Map可能包含烘焙光照
Normal Map	表面微观几何细节（切线空间法线）	同非PBR，但精度要求更高
Roughness Map	控制微表面粗糙度（0=光滑，1=粗糙）	Gloss Map（1-粗糙度，易混淆）
Metallic Map	标记金属（1）与非金属（0）区域	旧流程用Specular Map模拟金属
AO Map	环境光遮蔽阴影（增强缝隙暗部）	非PBR中可能被Diffuse贴图合并

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📌 为什么PBR需要特殊贴图？

1. 物理一致性
   • 金属度贴图：金属的反射颜色由Albedo直接定义（非金属反射为灰色）。
   • 粗糙度贴图：统一控制高光散射范围，避免非PBR中“高光强度”和“模糊度”参数冲突。
2. 动态光照适应性
   PBR材质在任意HDR环境光下都能表现正确（传统材质需针对特定光照烘焙）。
3. 标准化工作流
   行业标准工具（Substance Painter、Quixel）默认输出PBR贴图集。

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📌 PBR贴图使用示例（Unreal Engine）

// UE5材质节点示例
void Main(
    Texture2D AlbedoTex,
    Texture2D NormalTex,
    Texture2D RoughnessTex,
    Texture2D MetallicTex,
    out float3 BaseColor,
    out float3 Normal,
    out float Roughness,
    out float Metallic
) {
    BaseColor = AlbedoTex.Sample(uv).rgb;
    Normal = UnpackNormal(NormalTex.Sample(uv).rgb);
    Roughness = RoughnessTex.Sample(uv).r;
    Metallic = MetallicTex.Sample(uv).r;
}

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📌 常见PBR贴图组合

① 基础PBR套装（必备）

• T_Albedo.png

• T_Normal.png

• T_Roughness.png

• T_Metallic.png

• T_AO.png（可选但推荐）

② 扩展PBR贴图（高级效果）

• T_Height.png（视差遮挡）
• T_Subsurface.png（皮肤/蜡质材质）
• T_Anisotropy.png（拉丝金属）

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📌 PBR贴图生成工具

1. 手动制作
   • Substance Painter：手绘/智能材质生成PBR贴图集。

   • Photoshop + NVIDIA Texture Tools：转换普通贴图为PBR格式。

2. AI生成
   • Stable Diffusion + ControlNet：输入文本生成PBR贴图（需后处理）。

   • Materialize（免费工具）：从单张照片生成PBR贴图。

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📌 常见误区解答

❌ 误区1：PBR贴图是某种特殊文件格式。
✅ 事实：PBR是贴图的使用规范，格式仍为PNG/EXR等。

❌ 误区2：PBR必须配合光线追踪使用。
✅ 事实：PBR在光栅化（如UE4 Mobile）和光线追踪（如UE5 Lumen）中均可使用。

❌ 误区3：Roughness和Glossiness贴图可互换。
✅ 事实：Roughness = 1 - Glossiness，需注意引擎约定（如Unity用Smoothness）。

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📌 学习资源推荐

• 视频教程：
Substance Painter PBR全流程
• 论文：
《Physically Based Shading at Disney》
• 实践工具：
Marmoset Toolbag（实时PBR材质预览）

掌握PBR贴图，你就能产出符合3A游戏标准的材质！ 🎮