PBR材质

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同一材质换了环境以后金属感消失，可能是参数语义、颜色导入或光照输入发生变化。PBR把这些参数与能量关系联系起来，让变化有明确原因。材质的反射类型决定 Base Color 和镜面参数的含义，颜色导入、遮罩打包与标定场景共同约束这些数据的使用。

反射语义

Metalness/Roughness 工作流

常见输入：

Base Color；
Metallic；
Roughness 或 Smoothness；
Normal；
Ambient Occlusion；
Emissive；
其他项目 Mask。

同名贴图在不同引擎中可能有不同通道和反向约定。资产规范必须记录语义，而不只是命名和打包方式。

Dielectric 和 Metal

非金属

Base Color 主要描述漫反射颜色。正视角镜面反射率 $F_0$ 通常较低，常见实时模型把默认值设在约 0.04 附近，但真实材料会变化。

剩余能量进入表面并形成漫反射或更复杂的次表面传输。

正入射反射率

对于无吸收电介质，入射介质与透射介质的折射率分别为 $\eta_i$ 、 $\eta_t$ ，垂直入射时

F_0=\left(\frac{\eta_t-\eta_i}{\eta_t+\eta_i}\right)^2.

空气中取 $\eta_i\approx1$ ，若材料 $\eta_t=1.5$ ，则 $F_0=0.04$ 。这个算例解释常见默认值，但默认值不代表所有电介质；高折射率材料需要自己的参数。

金属使用包含消光系数的复折射率。光谱反射率经过光源光谱、色匹配函数和工作色域转换后才能得到 RGB；RGB 三通道并不是三个固定波长的测量值。这条关系的实用价值在于校验：美术给的材质 $F_0$ 若明显超出已知材料的物理范围，通常是数据错误或工作流混淆，例如把高光强度当成了 $F_0$ 。

金属

金属几乎没有普通漫反射。Base Color 用来描述有色镜面反射， $F_0$ 可以是彩色。

Metallic 通常应接近 0 或 1。中间值主要用于抗锯齿、脏污混合或复合材质边界，表达像素覆盖的有效混合，而不是一种独立的均匀材料分类。

漫反射与镜面反射分配

简化实时模型常写成：

k_s=F,\qquad k_d=(1-k_s)(1-metallic)

$F$ 是当前微面入射角的 Fresnel 反射率， $k_d$ 用它衰减漫反射。它体现反射和透入表面的竞争关系，但不是完整半球能量的精确分配。

半球能量约束

固定一个入射方向 $\omega_i$ ，把所有出射方向的反射能量相加，必须满足

E(\omega_i)=\int_{\Omega}f_r(\omega_i,\omega_o) (\mathbf N\cdot\omega_o)d\omega_o\le1.

$E$ 是方向到半球的反射率。满足互易性时，也可固定出射方向、对入射方向积分进行白炉检查。Lambert 的 $f_d=\rho/\pi$ 给出 $E=\rho$ ，因为余弦半球积分等于 $\pi$ 。

微表面模型的 $E$ 还依赖粗糙度、视角、遮蔽和多次散射，不能用某一对方向的 $F(V\cdot H)$ 替代。 $(1-F)$ 因而是便于实时计算的局部分配近似；严格的层模型需要处理光透入、内部散射和再次穿出界面的能量，或根据半球积分建立补偿表。单次散射近似没有计算光在微面间的多次反弹，粗糙且高反射率的表面可能因此偏暗。Kulla–Conty一类补偿根据半球反射量估计这份缺失贡献；具体引擎是否启用以及采用哪种近似，需核对目标模型。排查时固定曝光、材质参数和IBL约定，再比较有无补偿的结果。

纹理参数

Base Color 的边界

Base Color 不应包含：

烘焙高光；
固定方向的阴影；
环境 AO 造成的大面积黑边；
Tone Mapping 后的画面颜色。

否则材质换到新灯光下会重复计算这些效果。

Base Color 是颜色纹理，通常按 sRGB 读取并在线性空间参与光照。Metallic、Roughness、AO 和 Mask 是数据，不应做 sRGB 解码。

Roughness

Roughness 描述微表面法线分布的宽度，不是“高光强度”。

低 Roughness：高光集中，反射清晰；
高 Roughness：高光展开，反射模糊；
积分后的能量由整个反射模型决定，需区分波瓣变宽与单次散射损失。

把 Roughness 调高后画面变暗，可能来自 NDF、几何项、IBL 预过滤、单次散射能量损失或曝光，而不是 Roughness 本来就代表更少反射。

Ambient Occlusion

AO 近似局部几何对环境光的遮挡。它通常不应直接乘到所有直接光上。

常见做法：

影响间接漫反射；
使用 Specular Occlusion 近似间接镜面遮挡；
与屏幕空间或烘焙 AO 组合时避免重复变黑。

AO 是几何可见性近似，不是材质脏污颜色。

Emissive

Emissive 表示表面自己发出的 Radiance。它是否真正照亮其他物体，取决于 GI 系统。只把像素写得很亮，通常只会影响自身颜色和 Bloom。

HDR Emissive 应在线性空间保存和计算。最终画面亮度还会受曝光和 Tone Mapping 影响。

贴图通道打包

把 AO、Roughness、Metallic 打进一张 ORM 纹理可以减少资源绑定和采样次数，但需要权衡：

三个通道是否需要相同分辨率；
是否一起使用 Mipmap；
压缩格式对各通道的误差；
资产更新时是否产生无关通道重打包；
Alpha 通道会不会改变压缩格式大小。

打包是工程策略，不是 PBR 的定义。

一份材质从导入到求值

设资产Base Color存sRGB灰值0.5，Metallic=0，Roughness=0.5。采样解码得到线性Base Color约0.214，两个数据通道保持原值；粗糙度映射得到alpha=0.25，电介质F0取本资产折射率对应的0.04。直接光函数收到这些线性参数后计算漫反射与镜面，再乘一次光源贡献和可见性。

若把Roughness误设为sRGB，0.5会被读成约0.214，平方后alpha约0.0458，材质突然接近光滑表面。若把Base Color当线性读取，漫反射输入从0.214变成0.5，能量约放大2.34倍。只看最终金属球或调曝光，会混淆这两类错误；逐通道输出能直接检查资产语义。

资产与标定

PBR 资产检查

语义

Base Color 是否去除了光照和高光？
Metallic 是否符合材质类型？
Roughness 是否使用正确正反方向？
Normal 使用 DirectX 还是 OpenGL Y 方向？

导入

颜色纹理和数据纹理的 sRGB 标记；
Normal Map 导入类型；
压缩格式；
Mipmap 和 Streaming；
通道打包和平台 Override。

范围

不要只用统一 Min/Max 暴力裁剪所有资产。合理范围与材质类型、扫描来源和项目美术风格有关。验证工具最好先报告异常，再允许有依据的例外。

材质标定场景

一个稳定的材质检查场景应包含：

中性灰背景；
已知强度和色温的主光；
可控 HDRI；
灰球、镜面球和 Roughness/Metallic 阶梯；
固定曝光；
与目标平台一致的 Tone Mapping。

材质只在一个电影式灯光里好看，不代表参数正确。

漫反射与镜面能量分配

下列 HLSL 调用片段使用 BRDF与微表面模型中展开的 EvaluateDirectResponse。输入颜色已在线性空间，方向已归一化，incidentContribution 包含光源强度与距离衰减，visibility 为 $[0,1]$ 的可见性。

hlsl

float3 dielectricF0 = 0.04.xxx; // 本资产约定 etaIncident=1，etaTransmitted=1.5
float3 F0 = lerp(dielectricF0, baseColor, metallic);
float3 response = EvaluateDirectResponse(
    N, V, L, baseColor, metallic, roughness, F0);
float3 result = response * incidentContribution * visibility;

metallic=1 时，漫反射权重归零，Base Color 控制镜面颜色；metallic=0 时，Base Color 控制漫反射，镜面正入射值由电介质参数控制。函数已经乘过入射余弦。仅看最终画面很难判断重复乘法，验证时应同时保存参数值、直接光响应和白炉积分值。

本页的数值依据与 BRDF 共用光照模型检查。它检验所声明的单次散射模型，不代表完整材质、资产导入或目标引擎已运行。

验证方法

用灰球与镜面球对比参考实现，球面便于在一个物体上检查多种法线方向和高光形状。
把 Metallic 在 0 与 1 之间扫一遍，中间值区域不应出现大面积异常发亮或发暗。
单独输出 $k_d$ 与 $F$ ，在微面入射角趋于掠射时检查其变化；宏观 $N\cdot V$ 不能替代 $V\cdot H$ 。
固定曝光、光照、粗糙度与 $F_0$ ，比较有无多次散射补偿的能量；高反射率材料通常更容易显示差异，低反射率材料的变化可以很小。
换 HDRI 环境重测：只在单一灯光下好看的材质，参数多半不可靠。
用资产采用的折射率或测量数据反查 $F_0$ ，记录入射介质、色域和近似条件。
检查 sRGB 标记：Base Color 走 sRGB，其余数据纹理不走，反了会整体偏亮或偏灰。

参考资料

Google Filament：Material system，核对材料参数及能量损失。
Adobe Substance 3D, PBR Guide.
Epic Games, Physically Based Materials.