介绍
在本文中，我们想简要介绍虚拟材质构成的基本原理。材料管理涉及几种复杂的方法，术语表有时会导致混淆。在介绍了一些原理和方法之后，我们将介绍一些使用Ocean™软件进行材质管理的简单示例。
要在 3D 世界中查看对象，每个对象的每个表面都必须与光交互。需要传感器模型（相机）来捕获所有这些交互并将其输出为常用的渲染图像。
物体的表面需要“材质”。材质定义驱动物体用光的行为。在渲染软件中，没有材质的对象被视为不可见或空。
即使我们看到它是黑色、灰色、半透明或有线的，所有这些都是由材料定义的表面属性的一部分。每个软件对构建材料模型都有自己的解释。但也有共同点。自从首次使用CAD（“计算机辅助设计”）以来，软件开发人员试图用简单或更复杂的方法重现表面属性。
由于几个原因（内存消耗，艺术方法，简化使用），某些方法在物理上是错误的，因为它们仅基于对象的最终外观。相反，一些方法使用测量数据定义模型，允许表面的物理真实预测行为。
Ocean™ 使用树结构来表示材质属性，允许在渲染时使用简单和详细的模型。模型甚至可以使用专用设备生成的测量数据。
以下内容旨在探索具有共同类别的现代软件如何管理复杂的材料世界，并了解Ocean™如何处理它们。
图1 – 相机捕获的各种光/表面相互作用
材质
“材质”是一个全局名称，它定义了更复杂的概念，结合了几个数据值：着色器或纹理或同时使用两者。
图2 – 海洋™中的材料示例：介质属性（体积），改变的表面属性（凹凸），自发光属性，主要表面属性（BSDF）
着色
“着色器”是一种程序/算法：一种数学运算，用于管理表面的光学特性，如反射、光泽度、粗糙度、金属度、吸收、折射、透明度或光发射率。
BSDF
“BSDF”（双向散射分布函数）是描述表面光学特性的数学函数。
图 3 – BSDF 表示形式。
纹理
“纹理”由二维 （2D） 表示中的像素组成。纹理通常是带有图案或照片表示的图片。它们可以按程序生成。在计算机语言中，图形图像文件称为“位图”，通过扩展纹理文件称为“map”。常见的文件类型是JPG，PNG。它们可以是全彩色的，也可以是 8 位或 16 位的灰度图像，也可以带有 alpha 通道（透明度）。
图 4 – 几种纹理贴图的示例：混凝土、渐变、瓷砖、损坏、噪声。
图 5 – 应用于 3D 模型的网格纹理贴图示例。
UV贴图
将 2D 纹理贴图应用于 3D 表面称为“贴图”。3D 对象的坐标系基于 3 轴 X Y Z，因此其在 2D 中的纹理坐标系基于 U（X 轴）和 V（Y 轴）。
纹理UV贴图是将二维（2D）纹理/图像/贴图包裹/投影到3D表面的过程。例如，这就像在一块乐高上贴上贴纸！
图 6 – 立方体的 UV 映射表示。
图 7 – UV 坐标表示对象 2D 表面上的 3D 位置。3D 模型上选定的红色面在 UV 坐标中表示为红色选择。值从 0 到 1 不等。
图8 – 不良UV展开和良好UV展开的示例。
在大多数情况下，展开过程必须将纹理贴图无缝地投影到表面上，没有任何剪切、撕裂或拉伸图案。这不是一个自动的过程。对于一个复杂的几何，这可能是一个乏味的工作，涉及多种方法。这就是为什么熟练的操作员比机器更有效地完成这项任务。
材料属性
>> 所有渲染的图像均使用Ocean™<<制作
表面的外观
漫反射贴图/底色/反照率贴图：
它使用颜色或图片给出第一个主要外观。
图 9 – 用作球体模型上照片级真实外观的漫反射图的图片示例。
表面如何与光或环境反应
图 10 – 粗糙度和 IOR 变化的示例。
图 11 – 金属材料示例：拉丝阳极氧化铝。
表面如何改变
图12和图13是各种凹凸方法及其外观结果的示例：
图 12（将鼠标移到图像上以放大）
发光
材料具有“自发光”属性，如图14所示。
图14 – 自发光材质
Volumes
此外，材料还可以具有体积特性，例如液体，玻璃…（图15）。
在这里，我们将其他信息层（例如体积属性）添加到材料中。我们仍然可以像以前的属性（凹凸、发射器、bsdf）一样更改其表面。
图15 – 具有体积特性的材料演示
快速审查OCEAN™材料
任何材料的表面都应可见。为了避免任何错误，Ocean™ 会自动为每个没有材质的对象分配一个“默认”材质。此“默认”材质是具有灰色的简单“Lambert”着色器算法。
让我们看看一些关于OCEAN™如何管理其他材质模型的基本示例:
图 16 – 这是 Ocean™ 使用的默认材质。一种完美的漫反射朗伯色，灰色由 0（黑色）和 1（白色）之间的数字定义。
图 17 – 光反射由 Glossy 着色器控制的材质，颜色由均匀值驱动，粗糙度由 Phong 着色器控制。
图 18 – 由于粗糙度的 Phong 值较高，具有更精确的反射的相同材料。高Phong=光滑表面，低Phong=粗糙。
图 19 – 降低 IOR，意味着反射更少。反射仍然是精确的。
图 20 – 添加凹凸纹理贴图（网格图像）以模拟表面的更改。表面仍然平坦。
图 21 – 完美的漫反射朗伯材质，但纹理贴图为漫反射而不是均匀的颜色。
图 22 – 体积在其整个表面上发射光能。漫反射是黑色的，由于能量功率和温度，我们看到亮度。
图 23 – 金属没有扩散。它们的复杂IOR定义了反射颜色，由“介电函数”驱动。
图 24 – 体积玻璃材料。在这里，一些体积属性由介电函数驱动。
图 25 – 纹理贴图中使用灰尘、污垢和划痕图像来混合反射着色器和粗糙着色器。该图像还用作凹凸图，用于改变表面，伪造小凹口和条纹。
结论
在虚拟3D表示中，设计材料的过程至关重要，需要大量关注。一个简单的3D体积由于其材料而变得真正易于理解。尽管相关的几何形状很重要，但材料可以根据其特性和质量从根本上改变体积外观。
海洋™允许管理许多材料属性，并在使用非常详细的物理模型以及艺术驱动的模型时大放异彩。
在使用 Ocean™ 等渲染软件之前，需要执行许多 CAD 准备步骤。充分理解必须表示的内容是必要的。它还涉及场景布局、照明、环境、视点、具有足够细节的相关网格拓扑、无错误、大小适中、有效投射在其上的 UV 映射的区域。所有这些东西都不是一个自动的过程，需要专业知识。
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