C4D材质原理揭秘笔记-初学必看

【前言】

       模型建立好了以后，通常都要赋予材质，这意味着给这个模型对象（这些模型本质就是一个由面组成的空壳）赋予了表面的属性，用于计算模拟真实的物理效果。

        听说过“三分模型七分贴图”的说法吗？模型制作的再好（当然它是基础），如果没有纹理贴图，那它也缺少表面的细节，更缺少“灵气”和“神韵”不是吗？也就是大家所说，没有质感。

         质感是什么？光线照射物体所表现出来的视觉效果。在三维软件中是通过设定材质、灯光、阴影和环境等要素，由渲染器调用不同的着色器进行渲染（模拟计算），对视觉形态的再现的过程。

说到渲染（Render）涉及很多要素，这里为了将来学习纹理绘制打基础，所以简单谈谈材质、重点研究学习贴图原理和应用。下面我以CG人能理解的方式进行研究，尽量回避数学算法。（太深了，我也不会，嘿嘿）

【研究】

一、明确几个概念：

1、 渲染 Render:使用软件从模型生成图像的过程。说白了就是把三维场景特殊数据格式计算，转化为位图图像或图像序列的过程。（XYZ到XY，从三维到二维）。

2、渲染器（renderer) ：渲染工作是通过渲染器完成的。是实现渲染的特定算法（mental ray ,vray，Arnold)。主要两类：一个光线跟踪，一个是光能传递。每个独立渲染器都有适合自己的材质和灯光，当然它也支持它所依赖的三维环境的标准灯光和材质，但效果没有它自己的好。

3、着色器（shader)是一组提供计算机图形资源在执行渲染时使用的指令，负责计算目标颜色。分为定点着色器，几何着色器，像素着色器等，应用于GPU流水线的。在一般情况下，着色器是可以直接在图形处理单元（GPU）上运行的程序。换句话说，着色器类似一个汇编程序。你可以通过使用汇编编程的CPU，你也可以使用顶点和像素着色器的GPU编程。

糊涂了吧? 说白了Shader（着色器）实际上就是一小段程序，它负责将输入的Mesh（网格模型）以指定的方式和输入的贴图或者颜色等组合作用，然后输出。绘图单元可以依据这个输出来将图像绘制到屏幕上。输入的贴图或者颜色等，加上对应的Shader，以及对Shader的特定的参数设置，将这些内容（Shader及输入参数）打包存储在一起，得到的就是一个Material（材质）。所以说Shader并没有什么特别神奇的，它只是一段规定好输入（颜色，贴图等）和输出（渲染器能够读懂的点和颜色的对应关系）的程序。而Shader开发者要做的就是根据输入，进行计算变换，产生输出而已。C4D中已经由官方开发好了的Shader为你服务，等你调用。如果你对渲染效果不满意，总想渲染出自己想要的风格，而这些现成的Shade又满足不了你，怎么办？有能力自己写一个吧!

二、C4D材质

第一部分：材质（Material）用来表述物体表面所呈现的颜色、光泽、透明度、凹凸、反射等属性的着色器集合。C4D基本材质的各个通道就对应着物体的不同属性的数据描述。（描述材质实际上是只是一种材质函数，全名为BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）双向反射分布函数，数学上，完全的材质函数应当是BxDF，即包括了反射透射等等所有的效应。因此BRDF只是BxDF的一种，除此之外，还有透射函数，散射函数等等。但考虑到我们处于实时的框架下，故近似为BRDF，忽略其他的BxDF。）

通过材质各个通道的属性来模拟描绘现实世界的不同物体。

第二部分原理：

材质的各种属性是如何模拟现实的光学物理现象的呢？这必须从物理学上谈起。

一、光与物质的交互

光是一种横向传播的电磁波，电磁波的波长范围非常广，但只有390~760nm之间的一段波谱是人眼可见到的，也就是在图形学里对渲染着色起作用的部分。另外因为光有波粒二象性的缘故，有时候我们在图形学里也会把光做为光子（photon）来处理。

1、当光投射到传感器（眼睛，照相机等）上时，颜色和亮度就会被吸收并感知，而光与物质交互后被感知的，就是物体的颜色。

2、均匀介质

内部密度相同的物质，意味着它有唯一的折射率，对应透明的均匀物质来讲（如水，玻璃），光通过时，并不会改变光的颜色或强度。

3、光被吸收（absorption）。

而当物质对某一种可见光谱有吸收率的时候，那么，光就会随着在物质内的传播距离而逐渐被吸收，而光的方向并不发生改变。

4、非均匀物质

当非均匀物质内部的折射率非常突然的时候，这时就会发生散射（Scattering）现象，光会被分割为多个方向，但光的总量并不会发生变化。

5、自发光”emission“。物质还可能因为其他能量发出新的光。

总之，光与物质交互的三种方式，吸收，散射，发光。

二、光与平面的交互

光与物质交互发生在物体表面时，关于光与空气和物质之间的散射效果。这个时候平面散射光会分为两部分：一部分进入平面的部分（折射，在物体内部传播中被吸收或散射），另一部分从平面出去的部分（反射）。

1、镜面反射：一个假设完美无限光学平坦的平面（简称光学平面）反射效果，平面两侧的空气和物体有各自的折射率。（注意模型底下反射的是地面）

2、非镜面反射：但实际上，平面大多都不是光学平面（除了镜子或镜头等），而是一种微几何体（Microgeometry），表面都会有一些比可见光波长要大的不规则凹凸，但又小到无法覆盖一个像素或者采样点，所以，我们就把这种非光学平面。

3、光滑 roughness

平面相对平滑时，表面方向的变化也比较轻微，从而反射光的方向变化也较小，有了较清晰的反射。而下面的表面粗糙，表面方向的变化范围也较广泛，反射光的方向变化也比较大，出现了模糊的反射。

4、漫反射光与镜面光（diffuse and specular)

从平面直接反射的部分称为镜面反射光（Specular），来源于拉丁语的“Mirror”，镜面光的颜色，通常就是灯光的颜色，只有照射在金属上才会改变颜色（实际是金属吸收了特定波长的光），传入到物体内部，而经过折射，被材质吸收（转变为热能），或者内部进行散射，一些散射光最终会重新返回从平面折射出来，并被摄像机或眼睛所捕捉到，称为漫反射光（Diffuse）。

漫反射光被物质吸收并散射后，会成为不同波长的光，这也就给予了物体颜色，比如物体吸收了蓝色以外的光，那物体就是蓝色的，而因为散射的混乱比较均匀，从每个方向看起来都是一样，所以这点和镜面光不一样。也可以使用这个名字albedo来描述。

5、金属和非金属

物体内部的折射光的作用，取决于物体内部的组成，内部组成的不同，可以分为，金属（metal）导体，电介质（Dielectrics）绝缘体和半导体（Semiconductors ），在处理物体时简单的分组为金属和非金属就可以了。金属会吸收所有的折射光，而且通常会被绝缘体的反射率要高，通常的反射率要达到60%~90%，而绝缘体则是0%~20%，反射率高，就防止了入射光被吸或折射，这样，金属就有了”闪亮“的外观。

金属的折射光能量都立刻被自由电子吸收，而非金属（绝缘体），光会在内部进行吸收和散射活动，最后，一些折射光会通过散射，重新从入射平面反方向射出

6、非金属的折射光会进行散射

导体的反射会跨越光谱，所以反射是有颜色的，虽然颜色反射在导体里比较罕见的，但在一些日常的材质里（金，铜，黄铜）还是可以看到这种效果，而绝缘体的反射通常是他们的本来颜色，因为金属会吸收所有的穿透光，也就没有任何漫反射（diffuse）部分，但金属氧化的部分和一些表面残留物还是会散射少量的光。不同材质的漫反射颜色，金属为0。

7、次级表面散射（Subsurface Scattering）

从前面的图中，可以看到折射后的散射光从平面不同的点发射出来，和原始的入射点的距离也各不相同，可以统称为次级表面散射光，根据散射出的距离和入射点像素的大小的关系，可以分为两种情况：

如左图所示，当像素的尺寸大于入射到出射点的距离时，这个距离就可以被忽略，可以认为这个平面散射出的光和入射光是在相同点上，也就是右图的样子，也就是我们常说的漫反射。

当像素小于出射到入射距离时，每个点的着色就会收到其他光入射到其他点的影响，也就是常说的“次级表面散射”技术，很重要的一点是，它和普通的漫反射着色是一种物理现象（都是折射光的次级表面散射），唯一不同的就是散射的距离与观察点大小的关系，一个通常被认为是“次级表面散射”的表现，当在较远的距离观察时，就可以被认为是漫反射着色（例如远距离角色的皮肤），而“正规的漫反射着色”在很近距离观察时，也会有次级表面散射的效果。

8、Fresnel现象

菲尼尔表现的是材质的反射率和入射角（也就是光源入射向量和平面法线向量的夹角）的对应关系，也就是说，入射光的角度越大，反射率也会越强。以水面为例，正常入射事只有3%的反射，而水平时则几乎到100%。

下图是水折射的菲尼尔现象，看近处和远处对比。离观测者越近折射越强烈，越远越模糊。

下图是水表面反射菲尼尔现象，离观测者越远反射越强烈，越近越模糊。

8、各向异性

前文已经提到了表面的微几何体。从宏观来看，在我们渲染模型网格时，使用凹凸贴图或法线贴图就可以描述表面小的细节。 但还是有一些微小的凹陷，裂缝或突起，而用肉眼是很难看清楚的，而且这些微几何体是有规律分布的，它小到连正常大小的法线贴图也无法来表现，虽然肉眼无法看到，但这些微观特征，还是对Diffuse和Specular产生了影响。光虽然向四处反射，但是有规律的，在模型表面有的地方强，有的地方弱，有的没有，这就是各个方向不同。

第三部分材质和通道的优先级：

C4D标准材质的各通道计算的优先级，一般是从上到下。先计算颜色通道，然后再计算漫射通道，依次类推，这样最后显示的结果，却是后计算的通道要影响先计算的通道效果。仔细看下图：

1、颜色通道设置为红色，其他不勾选，渲染器计算，最后显示结果，当然是红色。

2、如果再勾选漫射通道，为其添加一个噪波贴图（SHADE程序贴图)。渲染器先计算颜色通道为红色，后计算漫射通道的噪波，显示的结果是后者影响了颜色通道红色的显示，你也可以简单理解这是一种层与层之间的混合覆盖。

3、如果继续勾选发光通道，参数设为最大。那么最后计算的结果，它把前两个通道的效果全部覆盖掉了。

4、再继续勾选透明通道，把亮度设为100%，它的影响简直是太大了，全部透明。也就是说颜色、漫射、发光通道计算完之后，没有被显示，最后显示的是透明通道的结果。但是CPU的活还是干了。

5、不选择透明，勾选反射，你会发现它的影响也是很大的。颜色、漫射、发光通道白忙活了，但是CPU的活还是干了。

6、勾选环境通道，它其实是一个优化计算方法。它是假的反射，特点速度快，缺点是假。在其纹理通道载入一个贴图，它就会显示反射的样子。如果你勾选反射通道，它就不显示。如何同时显示呢？仔细看图就知道了。

（答案：把发射通道的衰减一定设为添加）

7、继续向下勾选烟雾，它的影响也不小啊。虽然它是最后计算的，但效果覆盖掉了上边其他通道的效果。

8、勾选凹凸通道，添加一个噪波文件。它影响上边的各个通道，颜色、高光、反射通道。

9、下边这个更厉害，阿尔法通道。

10、辉光实际上是后期渲染运算。它的效果影响上面的各个通道。

11、这是置换通道，也是如此。

以上，简单研究一个材质的各个层之间的相互影响。

不同的材质如果赋予一个模型，在渲染的时候如何呢？

12、建立三个材质，红绿蓝。

13、把它们都赋予一个模型球体。渲染结果会是什么呢？渲染器的计算的优先级是从左到右，那么最后的显示效果一定是右侧的蓝色了。因为这些材质都不透明，也没有阿尔法通道，他们之间也没有设置混合运算。最后计算的蓝色就会覆盖前面的。

14、测试一下，果然如此。（场景中没有用灯光，用全局光渲染，场景是HDRI贴图照亮的）

三、C4D贴图

才说道重点。

为什么要用贴图？虽然材质定义了物体表面的颜色、光泽、透明度、凹凸等属性，但各个通道中的设置：一是非常简单，二是它是对整体进行控制的。对于模型不同地方不同的属性，很难描述复杂情况。所以用贴图来实现对复杂世界的描述。

贴图（Texture 或Map），在C4D中其实就是一种SHADE。在标准材质的各个通道，除了有基本属性设置之外，几乎都有一个纹理通道，可以填充可以是texture或shader。

1、Texture（纹理）通常与2D 位图图像或图像序列（视频）相联系。而2D图像有一些局限性，因为它们依赖于图像的精度。所以当一个物体的贴图精度较低而渲染出的图要求精度较高时，纹理贴图会不清晰或不真实，因为它是由一个小的图拉伸而来的。（其实它也是通过SHADE载入的）

2、 Shader也就程序纹理，是一段程序生成的。它的精度可以由参数决定，在渲染时按照灯光、环境等因素计算呈现效果。一是不会产生上述精度的麻烦，二是能够随着环境而变化。

它分为2Dshader 3Dshader。2Dshader似于2D图像纹理。除了没有精度问题，它在物体上的投影方式与2D 的图片一样有平面、柱体、球体等。它依据U、V 将图片投射在物体表面。3Dshader 可以在真实的空间中分布，因为它是基于U、V、W 三个坐标方向的，W 给了3D shader体积感。由于3Dshader使用UVW 投影，所以它不会拉伸或扭曲。3D shader 是面对复杂物体时，代替2D texture 和2D shader 的最佳方案。

3、Shader包含Channelshader和Volumetric Shaders 。

一是Channelshader：

可以被材质的某个单独的通道载入。如噪波、菲尼尔等。这些shader 被称为通道shader

噪波是通道SHADE，它是程序纹理，可以通过参数控制纹理的形态。

通道SHADE所在的位置：

二是Volumetric Shaders  ：

C4D 有一套内建的高级shader包：volumetric shaders，它们增强了C4D 的材质系统。volumetric shaders也包括了2D 和3D 的shader，它们提供了高级的特别控制用于制作基本材质无法做到的效果，如金属表面的刮痕，真实的透明、半透明等。它们如材质一样独立使用，不能被标准材质载入纹理通道使用。

位置在于：

官方帮助截图：

1、玻璃材质

2、木纹材质

3、有机生物材质

4、金属材质：

5、大理石材质

6、NUKEI复合物材质

多么好的材质，怎么就不用呢？初学者总是用标准材质费劲调试，效果也不见得比这个好。

个人理解总结如下：

程序纹理Shade：能够生成一个变化纹理的着色器，又能保持图像精度，如表面里的木纹、大理石、星空等等，可以通过参数改变形态。

功能性Shade：该Shade不能直接生成程序纹理，有的如PS滤镜，对纹理起着调整和混合作用；有的有管理作用，如图层、过滤等是泛称。

举例子说明，如下所示：

1、在材质的凹凸通道中添加一个噪波，这是一个程序纹理Shade。

2、在此基础上，在添加一个图层，这是一个功能Shade（我这么叫）。

3、点击图层，进入再点击着色器（Shade），再添加一个棋盘（程序纹理Shade）。

4、然后，改变混合模式为变暗。

5、这个图层所起到的作用就是“功能性”的，如同进入PS一样，处理多个纹理进行混合管理，再生成一个新的纹理。

【后记】

1、C4D不支持PBR基于物理渲染，只能近似模拟光的物理现象。

这些知识是我学习的心得，不一定完全正确。但我认为任何一个CG培训的老师如果进行渲染教学，首先应该谈光的物理原理，然后谈渲染器利用材质是如何模拟的，这个真是很重要。

追本溯源，才能融会贯通，最后才能随心所欲不是吗？

如果纹理贴图的原理你都不知道，你还想学“纹理贴图的绘制“，那简直是笑话！

2、通过上面的学习，知道纹理贴图重要，那又如何学习呢？

首先热爱生活，观察自然真实的物品。现实的物品，没有那么完美的，总有污垢、破边、划痕、锈迹等等，仔细观察，并用手机拍照收集，金属如何、塑料如何、布料如何？石头砖墙如何？然后想想，在三维软件中，利用什么样的贴图来表现这些细节，做到优化；如何用材质的属性和参数去模拟表现它。找个简单的模型一遍遍测试，不断调整。渲染的是个慢功夫，非常耗时间，所以，你必须能坐住凳子才行啊！千万不要“乳胶漆”参数如何如何，瓷砖参数如何如何，死记硬背，这样的确可以速成，但削弱你的独立和再创造性。

这是我的自学心得：日积月累，你的功力就会大增，游刃有余。

声明：文章中第二部分内容和图片参考了《Trace的空间》的文章。