UNIT 04材质约 31 分钟 · 核心线
金属为什么在黑屋子里是黑的？
「机器人身上那些光线效果是不是有点奇怪？那些反光，你是用光栅还是光追的？会不会光追更好？还是说这是材质贴图导致的bug」C20。那天的答案是几样东西叠在一起，没有一样是贴图的 bug。这一课拆其中最大的一样：材质，和它周围的环境。一副近乎镜面的铬甲，为什么在暗场里只剩几道白。
同一个镜头的第 1000 帧。左：近乎镜面的铬甲，整颗头几乎是黑的，只剩几道白。右：v4，一次改了好几样：铬改成缎面金属（稍微磨砂的金属），加了几张只在反射里出现的大柔光卡，减少了小面的抖动，还换了渲染器。这一课在实验台上把前两样一样一样拆开。
04 · 1颜色不是物体自己的
冲照片的暗房只开一盏红色的安全灯。一张白相纸拿进去，看起来是什么颜色？红的。我们看见的从来不是「物体的颜色」，是从物体那里进到眼睛里的光。物体能决定的只是：照到它身上的光，它怎么还回去。
它有两种还法。一种是在最表面直接弹开，像镜子：入射角等于反射角（两个角都从法线量起），这叫镜面反射（specular reflection）。另一种是光钻进表层，在里面乱撞几下，再从四面八方散出来；乱撞的时候有些颜色被表层吃掉了，出来的是剩下的颜色，这叫漫反射（diffuse reflection）。3D 软件里的材质，就是一组告诉渲染器「光碰到这个表面会怎样」的参数；其中的基础色（base color），对非金属说的就是漫反射留下哪些颜色、吃掉哪些。
非金属（塑料、漆、木头、皮肤）两样都有：正对着看时，镜面反射只占大约 4%，而且几乎不挑颜色，照原样弹回去（越斜着看这一份越大）；其余是漫反射。金属不一样：钻进去的那部分光立刻被吸收，出不来，所以没有漫反射，看到的全是表面弹开的那一份；而且金属弹回来的时候会挑颜色，金吃掉一部分蓝，剩下的偏暖，这就是金属的基础色。Blender 最常用的材质节点「原理化 BSDF」、网页和游戏常用的 3D 格式 glTF，都用同一个滑杆管这件事：金属度（metallic），0 是非金属，1 是金属，中间的值是两种按比例混合，比如 0.25 就是四分之三按非金属算、四分之一按金属算。
04 · 2金属不就是亮银色的吗？
一颗亮银色的铬球，放在哪都是亮银色吗？
一间黑屋子，只在左上方开一盏小灯。两颗球的基础色是同一种浅灰：左边是塑料（金属度 0），右边是镜子一样光滑的金属（金属度 1）。哪颗看起来更亮？
- 金属球：金属本来就是亮银色的
- 差不多一样亮：基础色一样
- 塑料球；金属球几乎全黑，只有一个小亮点
塑料球被小灯照亮了半边；金属球几乎和背景一样黑，只剩一个小白点（虚线圈标的是它的位置）。
- 来自材料
- 基础色、金属度、粗糙度是 Blender 原理化 BSDF 和 glTF 共用的参数；非金属正对着看约 4% 的镜面反射（折射率 1.5）。
- 本实验的设定
- 屋子、灯的位置和亮度是本实验定的。画面由浏览器实时算（three.js 的物理材质，和 Blender 同一类公式）；周围的屋子先拍成一张一圈的环境图，再按粗糙度模糊，金属去这张图里取颜色，不是路径追踪。环境图里只有屋子，所以两颗球互相映不到对方。
- 它能证明
- 同一个基础色，非金属会被灯照亮，金属只映出它周围有什么。
- 它不能证明
- Cycles 或 EEVEE 渲出来的具体亮度；右边的剖面图只切了竖直一刀，是示意，不逐像素对应三维画面。
旁边的剖面图说了为什么。它倒着追：从镜头出发的每一条视线，碰到金属球都按镜面反射拐一个弯（光路可以倒着走，倒着追和光正着走是同一条路）。9 条视线拐出去，撞到的全是黑墙。金属球上每一点的颜色，就是那条视线拐出去以后撞到的东西的颜色，再乘上基础色：撞到白墙，金色的球那一点就是金色；撞到黑墙，什么基础色都是黑。小灯只是一个点，要恰好拐到它才亮，剖面图里的 9 条一条都没碰上；画面上那个小亮点，就是球上恰好拐到它的那一小片。塑料球不一样：光钻进表层再往四面八方散，不管小灯在哪、你站在哪，总有一份散到你眼里。
猜「金属本来就亮」的，把画面上看到的亮当成了金属自己的。在实验台上把 01 切到「亮天空」：同一颗金属球立刻变成亮银色，上半截映天，下半截映地面。球一点没变，只是屋子换了。
你后来又说过一句：「现在背景是全黑的 能不能做的更好看」C24。全黑的背景没有纵深：镜头一动，远近的东西本该相对移动（视差），黑背景什么也不动；而对金属来说，它连映的东西都没有。v5 把黑背景换成了机库：地砖、光环、列柱上的灯带。第 3 课那张 v5 的头盔，身上那些亮面就是机库映上去的。
04 · 3粗糙度：镜子被磨花了
真实的表面放大了看，是无数个朝向不一的小斜面。这些小斜面越乱，同一个方向进来的光被弹向的方向就越散：镜子里清清楚楚的一盏灯，在磨砂金属上变成一团柔光。「乱的程度」就是粗糙度（roughness），0 是镜子，1 是完全磨砂。
还是那间黑屋子。把两颗球的粗糙度从 0.08 拉到 0.6，右边的金属球会怎样？
- 还是全黑：粗糙度只管倒影清不清楚，不管亮不亮
- 小亮点摊开成一大团柔光，朝着灯的那一片亮起来
- 整颗球均匀地亮起来，和左边的塑料球一模一样
小亮点摊成了一大团光，看上去像一颗被灯照着的磨砂灰球。光没有变多：原来挤在一个点里的光，被摊到了一大片上，所以每一处都比原来那个点暗得多。按实验台用的这套实时公式，粗糙度从 0.08 拉到 0.6，金属反射出去的光的总量少了不到两成；少掉的那点是这套公式自己的缺口（它只算光在微小斜面上弹一次），真实的金属不会少。
- 来自材料
- 反射卡（第 4 节讲）的做法取自红魔 v4 的代码：几块大发光板，中间亮、往边上暗，只在反射里出现；v4 缎面金属的粗糙度（黑甲 0.28、银甲 0.23）。
- 本实验的设定
- 两张卡的大小、位置和亮度是本实验定的，和剖面图里画的一致；实验台里的卡也会照亮漫反射，红魔的卡特意设成只进反射。
- 它能证明
- 粗糙度把同样多的光摊开，不凭空加光；金属读不读得出，取决于它周围有没有东西可映。
- 它不能证明
- 这套实时公式越粗糙少算得越多（粗糙度 1 时只剩约三成），真实的金属不会；所以别拿它比较很粗糙时的亮度。
它和塑料球还是不一样：塑料球是整个朝灯的那一面都亮；金属球的光团聚在「小灯的倒影该在的地方」附近，离开那里就暗下去。猜「还是全黑」的，想的是粗糙度只管清晰度，可一个点被摊成一片，眼睛就读出了形状。
这就是 v4 改法的一半：铬改成了缎面金属，黑甲的粗糙度 0.28、银甲 0.23。灯带和灯的倒影，从刺眼的细线变成成片的渐变。
不看上面，用一句话说：粗糙度改变的是光的「多少」，还是光的「去向」？
04 · 4给金属一点东西去映
另一半改法更直接：金属映什么就是什么，那就给它东西映。拍产品的老办法：在镜头拍不到的地方立几块大柔光板，只为了让金属和玻璃上出现干净的大块高光。3D 里这种板叫反射卡，还能做到现实里做不到的事：Blender 可以把一个物体设成只在反射里出现，镜头看不见它，它也不照亮别的东西。红魔 v4 给机甲加了五张这样的卡：头顶一张 7 × 4 的，左右各一张，前面一张，后面一张红的。
回到黑屋子，粗糙度 0.08。在镜头拍不到的地方立两张大柔光卡：一张在头顶偏前，一张在镜头背后。右边的金属球会怎样？
- 看不出变化：镜头拍不到卡，卡就不在画面里
- 球上出现两大块干净的亮面，一眼就读出是金属
- 两颗球一起均匀地亮起来
卡不在画面里，却在金属球的倒影里。剖面图上，9 条视线里有 3 条拐出去撞到了卡：头顶那张落在球的上半部，镜头背后那张落在正对着你的那一小块。在上面的实验台换到「小灯 + 反射卡」
猜「看不出变化」的，想的是「画面里只有镜头看得见的东西」。可金属映的，恰恰是镜头看不见的那一圈：镜头背后、头顶、两边。塑料球只亮了一点，那是实验台的卡也照了漫反射；红魔的卡连这一点都没有。
04 · 5贴图：把参数画在表面上
到这里，一个材质就是几个数：基础色、金属度、粗糙度（还有透明、自发光等等）。可真东西不是处处一样：指纹处更亮，划痕处更毛，漆掉了的地方露出金属。办法是把这些数画成图：一张基础色图存颜色；一张粗糙度图、一张金属度图用灰度存一个 0 到 1 的数（黑是 0，白是 1）；再加一张法线图（第 3 课）。每个像素存那一小块表面的参数，这些图就是贴图（texture）。
图是平的，表面是弯的，所以还要一张对照表，说清「表面上这一点，对着图上哪一点」：每个顶点在图上的坐标 (u, v)，叫 UV（贴图坐标）。展 UV，就是把曲面剪开、摊平，像把橘子皮剥下来压平；摊得不好，表面上一小块对到图上一大块（或反过来），图案就被拉长或挤扁。不想展也行：从上下、左右、前后三个方向各投一次，每一处挑最正对着它的那个方向；斜面上两个方向差不多正，就两张各取一半混在一起，这叫三平面投影。红魔机甲的面板线和划痕粗糙度就是这么贴的。
04 · 6回到那副铬甲
现在可以回答那天的问题了。v4 之前的铬甲为什么是刺眼的黑白碎块？三样叠在一起：
- 材质和环境：近乎镜面的铬，映什么是什么；暗场里映到的几乎全是黑，只有几条灯带是白的（这一课）。
- 形状：面片故意随机抖过，相邻的小面各朝各的方向，把那几条灯带的倒影切成了碎块（第 3 课）。
- 渲染方式：当时用的 EEVEE 是光栅化，反射有两个来源：画面里已经有的东西，加一张很粗的周围环境图；画面外的东西只能从那张粗图里来，边上会缺、会拉丝（第 6 课）。
面板线的贴图只是在上面又叠了一层花纹。v4 的改法冲着前两样去：缎面金属、反射卡、减少抖动，同时把机甲换成了 Cycles；v5 再把黑背景换成机库，把盔甲换成细分曲面。
同一部片里还有一处同样的毛病：手机背面的金属贴纸，一进暗场就发黑 C28。那次换了一个思路修：贴纸的金属度降到 0.25，再给它一盏只照它的灯。
04 · 7 · 延伸皮肤为什么不像塑料，二次元为什么不按物理算
前面两种还光，一种在表面弹开，一种钻进表层乱撞几下就散出来。皮肤、蜡、玉、牛奶还有第三种：光钻得更深，在里面走上一段，再从旁边别的地方出来。这叫次表面散射（subsurface scattering，SSS）。它让明暗交界变得柔和，也让耳朵、鼻翼、指尖这些薄的地方逆光时透出一圈颜色。光在里面平均走多远，渲染器里是红、绿、蓝各一个数，叫散射半径。
一个人背对着夕阳站着，你从正面看他的耳朵。耳朵边上透出来的光是什么颜色？
- 白的：阳光本来就是白的
- 偏红
- 和脸上一样的肤色
偏红。光钻进耳朵以后，蓝光和绿光走不了多远就被吃掉了，红光走得最远，能从另一面透出来。猜「白的」的，把透过来的光当成了原样穿过去的光；可它在皮下走了一大段，路上被吃掉的颜色补不回来。
你看过 MotionLib 的写实版，说：「人物的建模太粗糙了，能更细腻更精致吗，或者做成二次元风格的」C42。查下来，毛病大多不在形状上：皮肤的散射半径只设了 0.5 毫米、强度 0.2，光刚钻进去就出来，和漫反射几乎没区别，皮肤像塑料；头发是一层贴了图的外壳，像头盔。精修时散射改成接近真实皮肤的尺度，发壳上长出两三万根顺着发流的发丝。散射也不是越大越好：开得太大，光在里面走得太远，五官的细节被抹平，脸就像蜡像。
另一条路是干脆不追写实。三渲二（toon shading）还是三维：同样的模型、骨骼、动作、灯光和相机，只在算颜色这一步不按物理来，改用画画的规矩。
三样东西：色阶，明暗不再连续过渡，压成两三级，亮面一个颜色、暗面一个颜色（VRM 角色常用的 MToon 材质里，暗面颜色叫 Shade Color，交界有多硬由 Shading Toony 控制）；描边，常用「反向外壳」：把网格复制一层、沿法线往外推一点、翻转法线、只画背面，从正面看它只在轮廓上露出一圈，就是那道黑线；边缘光，在侧对视线的边上加一道亮边，把人从背景里勾出来。描边外壳是整整一层网格，每帧都要跟着骨骼一起变形，这是 CPU 摆场景的活之一：MotionLib 的镜头从 1 个角色加到 54 个，一帧从约 1 秒变成约 27 秒，当时的判断是多出来的主要在 CPU 摆场景这一步 C48。
看过两版以后你说：「后面写实版的不用渲染了，就渲染二次元那个就行了」C42。这个直觉有道理：风格化的画面不和真人比，写实版里皮肤像塑料、头发像头盔这类毛病，在二次元版里就不扎眼了。
带走一个问题
一颗镜面一样光滑的金色金属球，放进四面都是白墙的摄影棚里，看起来是金色的。把它搬到一片纯蓝的天空下（地面也刷成同样的蓝），它看起来会是什么颜色？这时候再说「它是金色的」，说的是它身上的哪个参数？
不看上面，写下这一课撞上的几堵墙，再展开对照
- 以为颜色是物体自己的 → 看见的是物体还回来的光：非金属的漫反射留下基础色，镜面反射几乎照原样；金属只有镜面反射，带上基础色的色调。
- 以为金属本来就亮 → 金属没有漫反射，映什么是什么，黑屋子里就是黑的；基础色调成白也救不回来。
- 以为粗糙度只管清不清楚 → 它把同样多的光摊开：一个刺眼的点变成一大团柔光，形状反而读得出来。
- 以为镜头拍不到的东西不影响画面 → 金属映的正是镜头拍不到的那一圈：反射卡、机库。
- 以为是贴图的 bug → 材质和环境、形状、渲染方式三样叠加，贴图只是最后一层花纹。