材质入门前置知识
色彩
我们每天都在接触颜色，但你有没有想过，为什么太阳光是白色的，而树叶是绿色的？ 今天，我们就从光的传播到屏幕成像，来揭开色彩的奥秘，同时介绍sRGB、PBR、纹理贴图、着色器等游戏和图形渲染中常见的重要概念。
光的奥秘：太阳光是一个“调色盘”
太阳光，或者说我们日常看到的光，其实是由不同颜色的光组成的“混合光”，这种光在物理学上被称为 可见光。
光通常指的是人类眼睛可以见到的电磁波（可见光），视觉就是对于可见光的知觉。可见光只是电磁波谱上的某一段频谱，一般是定义为波长介于400至700纳米（nm）之间的电磁波，即波长比紫外线长，比红外线短的电磁波。有些资料来源定义的可见光的波长范围也有不同，较窄的有介于420至680nm，较宽的有介于380至800nm
光的颜色取决于波长：
- 红光的波长最长，所以它能穿透雾气（比如红色的日落）。
- 蓝光的波长最短，容易被散射，所以天空是蓝色的。
- 绿光的波长介于两者之间。
为什么树叶是绿色的？
我们看到的颜色，其实是物体对光的“筛选”结果！ 以树叶为例：
🌿 树叶吸收了红光和蓝光，只反射了绿光，所以我们看到的就是绿色。
如果一个物体看起来是红色的，那就是因为它吸收了蓝光和绿光，只反射了红光。
如果它是黑色的，那说明它几乎吸收了所有的光；如果是白色的，那说明它几乎把所有光都反射了！
大脑是如何感知颜色的？
我们的眼睛就像一个光感应摄像头，它内部有三种“颜色传感器”（视锥细胞），分别对红、绿、蓝三种颜色敏感。
📡 眼睛接收到光信号后，会把它转化为电信号，传给大脑，大脑再把这些信息“翻译”成颜色，这就是我们看到色彩的原理！
sRGB
现实中的光是连续变化的，那么屏幕上的颜色是如何显示的？
屏幕上的颜色是通过像素点的数值表示的。为了让不同设备显示一致的颜色，人们引入了 sRGB（标准红绿蓝色彩空间）。
sRGB 是一种色彩标准，它定义了颜色在屏幕上的显示方式，确保相同的数值在不同的显示设备上能产生一致的视觉效果。
🖥 如果没有 sRGB 这样的标准，不同的显示器可能会因为色彩校准问题而显示出不同的颜色！
RGB
如果你用过 Photoshop 或者其他绘图软件，一定见过RGB 这个概念。那么，电脑又是如何表示颜色的呢？
🟥 R（Red）红色 + 🟩 G（Green）绿色 + 🟦 B（Blue）蓝色 = 组成所有颜色
电脑通过调整红、绿、蓝三种颜色的亮度，就能混合出各种色彩。
🎨 每种颜色的亮度范围是 0 到 255，比如：
- (255, 0, 0) → 纯红色
- (0, 255, 0) → 纯绿色
- (0, 0, 255) → 纯蓝色
- (255, 255, 255) → 纯白色
- (0, 0, 0) → 纯黑色
通道：拆解颜色的“单色照片”
在图像处理中，每个颜色通道（R、G、B）都可以单独拆出来，如果你只看红色通道，画面就会变成一张灰度图，亮度越高，表示该部分的红色越强。
简而言之，比如你在 R 通道下，看到显示纯白的地方，就表示这个地方的红色是最红的、最鲜艳、最亮的、如果是纯黑的地方，表示这个地方红色不红，不亮，因为没有红色的信息。同理另外两个通道也是一样。
Alpha通道
在图像编辑软件中，每个像素不仅包含红、绿、蓝（RGB）颜色信息，还可能包含一个额外的 Alpha 通道信息。
Alpha 通道是一种特殊的通道，用于存储图像中的透明度信息。也是用一个值表示，这个值表示该像素的透明程度。
Alpha 值范围通常从0到1（或0%到100%），其中0表示完全透明，1表示完全不透明。
Alpha 通道可以用来创建复杂的透明效果，尤其是在处理半透明物体如烟雾、玻璃时非常有用。
游戏中的玻璃材质、烟雾效果，甚至是人物的头发，都离不开 Alpha 通道。
虚幻引擎中的 RGB
在虚幻引擎中，RGB通道的范围是(0.0 ~ 1.0)。这个范围表示的是颜色的线性强度，其中0.0代表黑色，1.0代表白色，中间的值对应不同强度的颜色。这种表示方法用于确保在渲染过程中进行精确的线性颜色计算，这对于光照和颜色混合至关重要。
值得注意的是，虽然在虚幻引擎内部处理时使用的是(0.0 ~ 1.0)的浮点范围，但在处理图像文件或与外部应用交互时，常见的RGB值范围是(0~255)，这通常指的是8位色深的色彩表示，其中每个通道的整数值从0到255变化。在导入纹理到虚幻引擎时，如果纹理是基于sRGB标准的，虚幻会通过sRGB到线性空间的转换来处理这些值，确保在引擎内部以线性方式正确地表示颜色，从而得到准确的视觉效果。
纹理贴图：让 3D 模型拥有细节
在 3D 游戏或渲染中，光滑的几何模型本身是没有任何颜色或细节的，所有的表面纹理、细节都是通过 纹理贴图（Texture Maps） 赋予的。
🎭 纹理贴图就像是给 3D 物体穿上“皮肤”，让它看起来像石头、木头、金属或布料。
📜 常见的纹理贴图类型：
- 颜色贴图（Base Color / Albedo） → 物体表面的颜色信息。
- 法线贴图（Normal Map） → 用来模拟物体表面的凹凸细节。
- 粗糙度贴图（Roughness Map） → 控制物体表面的光滑程度。
- 金属度贴图（Metallic Map） → 决定表面是否具有金属光泽。
PBR
现代 3D 游戏和影视特效之所以越来越真实，是因为使用了 PBR（基于物理渲染，Physically Based Rendering）。
PBR 的专业概念
PBR，全称 Physically Based Rendering，即基于物理的渲染，是一种先进的计算机图形渲染技术。它模拟光线与物体表面交互的物理过程，以创建更加逼真、统一且符合现实世界物理法则的视觉效果。PBR考虑了材质的物理属性，如表面粗糙度、金属度、反射率等，来决定光线如何被吸收、散射或反射，从而在不同光照条件下都能保持一致和真实的外观。
PBR 主要基于能量守恒原理和微表面理论，简单来说，就是光照在物体表面时，会被吸收、反射或散射，而这些光学行为是可以用公式计算的。
PBR 依赖多个核心贴图：
- Base Color / Albedo（基础颜色贴图） —— 物体的颜色信息。
- Metallic（金属度贴图） —— 控制物体是金属还是非金属。
- Roughness（粗糙度贴图） —— 控制表面的光滑程度。
- Normal Map（法线贴图） —— 让平面物体看起来有凹凸细节。
- AO（环境光遮蔽） —— 提供阴影信息，增强立体感。
这些贴图结合光照计算，使得 PBR 在不同光线环境下都能保持真实感，无论是白天、黑夜、室内还是户外，都能自适应光线变化！
着色器 & 渲染：让 3D 画面最终呈现
PBR 材质最终会经过 着色器（Shader） 进行计算，决定物体在屏幕上如何呈现。
着色器是什么？
想象一下你在画画，你需要给一幅画添加光影效果，让画面看起来更有立体感和真实感。在计算机图形学里，有一个类似的概念叫做“着色器”。着色器就像是一套特殊的颜料和刷子，专门用来给数字图像添加光照、亮度、颜色等各种效果。 最初，着色器主要用于处理这些基本的效果，但现在它的应用范围越来越广。你可以用它来做电脑动画里的特效，做电影后期的各种滤镜效果，甚至是做一些跟绘画完全没有关系的事情！
为什么要用着色器？
使用着色器的好处是可以让你有更多的创作自由。以前的计算机只能按照固定的规则来处理图像，现在有了着色器，程序员可以用自己写的代码告诉计算机怎么去处理每一个细节。 大部分时候，我们会在一种叫 GPU（显卡）的小机器上来运行这些着色器程序。这是因为GPU特别擅长同时处理许多小任务，非常适合这种精细的操作。 通过着色器，我们可以改变图像中的每一个像素的颜色、位置和其他属性。例如，可以让某个地方变得更亮或更暗，增加阴影效果，或者把一个场景变成黑白照片等等。
着色器能做什么？
着色器不仅限于简单的光照效果，在很多领域都非常有用。
以下是一些例子：
- 电影后期处理：可以在电影上映前调整每一帧的画面，让它看起来更好看。
- 电脑游戏：在游戏中创造各种酷炫的特效，比如爆炸、火焰、水波纹等。
- 电视节目：在拍摄过程中使用绿色背景（绿幕）或蓝色背景（蓝幕），然后用着色器去掉不需要的部分，只保留演员或其他主体。
具体来说，着色器可以帮助你做到以下事情：
- 调整图片的颜色、明暗、鲜艳度。
- 创建模糊效果，让人物变得虚化。
- 增加高光部分，突出亮点。
- 模拟灯光照射下的物体，使其显得更有质感。
- 实现焦点外景深效果，让前景清晰而背景模糊。
- 制作卡通风格的渲染，让角色线条分明。
- 分离色调，创造出独特的视觉效果。
- 引入镜头畸变，模仿实际摄影机的效果。
- 使用凹凸贴图，让平面看起来像是有起伏的。
- 进行色键操作，去除特定颜色的背景，留下其他元素。
简而言之，着色器是一段运行在 GPU 上的程序，用于在图像中添加光照、颜色和其他特殊效果，使数字图像看起来更加真实和美观。
🎥 渲染（Rendering） 就是计算这些着色器的过程，把 3D 场景转换成 2D 画面，最终显示在屏幕上。
总结
从光的本质到 3D 渲染，色彩的表现经历了多个关键步骤：
1️⃣ 光线包含各种颜色，不同波长对应不同的颜色。
2️⃣ 物体会“筛选”光，反射特定颜色，让我们看到不同的色彩。
3️⃣ 电脑用 sRGB 确保色彩一致性，用 RGB 颜色模型混合显示色彩。
4️⃣ PBR 通过纹理贴图和物理光照计算，让 3D 物体在不同环境下都保持真实感。
5️⃣ 最终，着色器在 GPU 上运行，渲染出屏幕上的画面。