材质笔记 - Simluate Solid Surface

光的行为

    当光和物体相遇时，光会有三种行为：被物体反射、穿过物体（物体是透明或半透明的）或者被吸收。

高光反射和漫反射

    高光反射（Specular Reflection）会在表面光滑且反光的物体上看到，比如镜子，不锈钢球等，此时光线在物体表面是直接“弹”到了反射方向。还有一种反射叫做漫反射（Diffuse Reflection），此时光线被吸收并反射到了四面八方。下图白色箭头表示高光反射，红色箭头表示漫反射：

漫反射系数：Base Map

    在Unity中，URP/Lit Shader需要Base Map来表示漫反射系数。其他Shader通常称这个属性为Albedo或Diffuse Map（从技术上严格地来讲，它们并不是完全相同的东西）。

    Albedo这个词描述了漫反射的度量值。通常就是指颜色值，通过RGB三通道值表达。RGB值可以转换为Hue（色调），Saturation（饱和度）和Luminosity（亮度）。Albedo的luminosity对应于漫反射的量，hue和saturation描述了从表面出来的光的质量。

Specular workflow

    日常生活中有许多金属物体比如钢笔，不锈钢球等，在光源下它们会产生高光反射。在Shader中，高光又是怎么和漫反射进行描述和区别的呢？

    让物体表面看起来像是金属一样的属性叫做高光度（Specularity）。高光度和光滑度（smoothness）是不同的。我们可以将一颗苹果擦到很光滑，但没办法将它擦成金属外观。但是光滑的物体是有一些高光度的。

    下图中的苹果，smoothness都一样，但specularity从左至右依次增强。

       和漫反射表面一样，金属表面会吸收光。在阳光下放置一个金属物体，过一段时间后，它会变烫。

        Specular workflow

        有两种workflow可供我们使用来指定材质中的金属外观（metallic apperance）。当使用URP/Lit Shader中的Specularity属性时，用到的是Specular workflow（后面笔记再解释Metallic workflow）。

        在Specular workflow中：

•         闪亮的金属表面拥有高Specularity以及高Smoothness。
•         闪亮的非金属表面拥有低的Specularity和高Smoothness。
•         Smoothness控制高光反射的范围，Specular Map控制了高光反射的量的大小以及高光反射的颜色。
•         Specular Map可使用RGB颜色值

        下面通过实验来说明：

        在Unity场景中选择一个物体，比如苹果，选择苹果的材质

        Inspector中将其Workflow Mode设置为Specular

    将其Smoothness进行调整，比如设置为1。

    接下来，设置Specular Map，然其看起来像是一颗金属苹果，带镜面反射效果。

Metallic workflow

        在Unity中，Specular workflow是更加科学的让物体有金属感的方式。另一种方式，metallic workflow是一种更加简单的方式，但这种方式并不严格遵循物理光学的规则。

        Metallic workflow中：

•         闪亮的金属表面拥有高Metallic和高Smoothness
•         闪亮的非金属表面使用0或者低的Metallic和高Smoothness
•         Smoothness控制高光反射的范围
•         Metallic map值使用灰阶值

        之前的苹果的例子中，我们将Metallic Map设置为1，Smoothness设置为1，可以得到和Specular workflow类似的效果。

Specular workflow和Metallic workflow对比

        具体应用中改如何选择哪种workflow呢？在导入资源的时候，我们可能会看到有一些资源使用Specular workflow，另外一些资源使用Metallic。实际上我们也不必纠结，只要能达到想要的效果即可。Metallic workflow通常来说更常见，因为它使用起来更加简单，但其是一种经验性的近似。Specular workflow基于真实世界中反射的物理规则，但Specular Map用起来是很有挑战的事情。

Smoothness

       也称作gloss或glossiness。它影响高光的范围。光滑的表面上，光线会反射到统一的方向上，因此我们能够从物体表面看到光源的形状。对于一个粗糙的表面，仍然有高光反射存在，但反射光的方向是分散的。

        下图的五颗苹果，Metallic都是0.5，但Smoothness从左至右依次增加。