基于物理的渲染材质(PBR)

Author: Charley

PBR（Physically Based Rendering，基于物理的渲染）材质是LayaAir引擎中最常用的高品质材质类型。它通过模拟自然界的物理光照规律，使3D模型呈现出更加真实的质感，能够准确还原金属、木材、塑料、皮革等各种不同材料的外观特征。

一、PBR材质概述

1.1 什么是PBR

PBR是一种基于物理规律的着色模型，其核心思想是通过物理上合理的方式来描述光线与材质表面的交互。与传统的光照模型（如Blinn-Phong）相比，PBR材质的优势在于：

• 物理正确性：遵循能量守恒定律，光照效果更加真实；
• 直观的参数：使用金属度、粗糙度等直观参数描述材质，美术调参更加方便；
• 环境一致性：材质在不同的光照环境下都能呈现合理的效果。

1.2 PBR材质类的继承关系

在LayaAir引擎中，PBR材质的类继承关系为：

Material → PBRMaterial → PBRStandardMaterial

• PBRMaterial：PBR材质的基类，包含了PBR材质的通用属性（反照率、法线、遮蔽、自发光等）；
• PBRStandardMaterial：PBR标准材质，在 PBRMaterial 基础上增加了金属度工作流相关属性。

在IDE中创建材质并选择PBR（Standard）Shader时，使用的就是 PBRStandardMaterial。

二、反照率（Albedo）

反照率描述了材质表面的基础颜色，即物体本身的颜色（不包含光照信息）。

2.1 反照率颜色（albedoColor）

反照率颜色定义了材质表面的固有颜色，是一个RGBA值。

（图2-1）

2.2 反照率贴图（albedoTexture）

反照率贴图用于提供逐像素的颜色信息，使材质表面呈现更丰富的细节。贴图颜色会与反照率颜色相乘。

（图2-2）

2.3 纹理平铺和偏移（tilingOffset）

控制纹理在模型表面的重复次数和偏移量。类型为 Vector4，其中：

• X、Y分量：纹理在U、V方向的重复次数（Tiling）
• Z、W分量：纹理在U、V方向的偏移量（Offset）

三、金属度与光滑度

金属度和光滑度是PBR材质的核心参数，它们共同决定了材质对光线的反射方式。

3.1 金属度（metallic）

金属度描述物体表面在多大程度上像金属。取值范围为0到1：

值	说明
0	非金属（绝缘体），如木头、塑料、皮革等
1	纯金属，如金、银、铁等
0~1	过渡值，用于模拟带有氧化层或涂层的金属

（图3-1）

3.2 光滑度（smoothness）

光滑度描述物体表面的光滑程度。取值范围为0到1：

值	说明
0	完全粗糙，漫反射为主，如未打磨的石头
1	完全光滑，镜面反射为主，如镜子

（图3-2）

注意：在某些PBR工作流中，使用”粗糙度”（Roughness）代替光滑度，两者是互补关系：粗糙度 = 1 - 光滑度。

3.3 金属光滑度贴图（metallicGlossTexture）

金属光滑度贴图可以在一张纹理中同时提供金属度和光滑度信息，实现逐像素的精确控制。

3.4 光滑度数据源（smoothnessSource）

smoothnessSource 属性控制光滑度数据的来源，类型为 PBRMetallicSmoothnessSource：

值	说明
0	从金属光滑度贴图的Alpha通道读取
1	从反照率贴图的Alpha通道读取

四、法线贴图（Normal Map）

4.1 法线贴图（normalTexture）

法线贴图通过修改表面法线方向来模拟凹凸细节，而无需增加实际的几何面数。它可以让低面数模型呈现出丰富的表面细节效果。

（图4-1）

4.2 法线贴图缩放系数（normalTextureScale）

控制法线贴图的影响强度。值越大，凹凸效果越明显；值为0时法线贴图不生效。

五、遮蔽贴图（Occlusion Map）

5.1 遮蔽贴图（occlusionTexture）

遮蔽贴图（也称AO贴图，Ambient Occlusion）用于模拟环境光在缝隙、角落等位置的遮蔽效果，使这些区域看起来更暗，增强立体感和真实感。 （图5-1）

5.2 遮蔽贴图强度（occlusionTextureStrength）

控制遮蔽效果的强度，取值范围为0到1。值为1时遮蔽效果最强，值为0时无遮蔽效果。

六、自发光（Emission）

自发光效果使材质看起来像是自身在发光，常用于LED屏幕、霓虹灯、岩浆等效果。自发光不会对周围物体产生照明效果。

6.1 开启自发光（enableEmission）

通过设置 enableEmission 为 true 来开启自发光功能。

6.2 自发光颜色（emissionColor）

设置自发光的颜色。

6.3 自发光贴图（emissionTexture）

自发光贴图可以精确控制模型不同区域的发光效果和颜色。

6.4 自发光强度（emissionIntensity）

控制自发光的亮度强度。

七、各向异性（Anisotropy）

各向异性反射用于模拟在特定方向上具有不同反射特性的材质，如拉丝金属、丝绸、光盘等。

7.1 开启各向异性（anisotropyEnable）

设置 anisotropyEnable 为 true 开启各向异性功能。

7.2 各向异性属性

属性	类型	说明
anisotropy	number	各向异性强度
anisotropyRotation	number	各向异性在切线空间中的旋转角度
anisotropyTexture	Texture2D	各向异性强度贴图

（图7-1)

八、清漆层（Clear Coat）

清漆层用于模拟表面有透明涂层的材质，如汽车漆面、漆器、包装薄膜等。

8.1 开启清漆层（clearCoatEnable）

设置 clearCoatEnable 为 true 开启清漆层。

8.2 清漆层属性

属性	类型	说明
clearCoat	number	清漆层强度
clearCoatRoughness	number	清漆层粗糙度
clearCoatTexture	BaseTexture	清漆层强度贴图
clearCoatRoughnessTexture	BaseTexture	清漆层粗糙度贴图
clearCoatNormalTexture	BaseTexture	清漆层法线贴图

九、细节贴图与视差贴图

9.1 细节贴图

细节贴图用于在近距离观察时为材质添加更多的表面细节：

属性	类型	说明
detailAlbedoTexture	BaseTexture	细节反照率贴图
detailNormalTexture	BaseTexture	细节法线贴图
detailNormalScale	number	细节法线缩放系数
detailTilingOffset	Vector4	细节贴图的平铺和偏移

9.2 视差贴图

视差贴图通过偏移纹理坐标来模拟更强的深度效果：

属性	类型	说明
parallaxTexture	BaseTexture	视差贴图
parallaxTextureScale	number	视差贴图缩放系数

十、渲染模式

PBR材质支持以下渲染模式，通过 renderMode 属性设置：

渲染模式	值	说明
Opaque	0	不透明渲染，默认模式，性能最优
Cutout	1	Alpha裁剪，根据Alpha阈值决定像素是否可见
Fade	2	透明混合，游戏中经常使用的透明
Transparent	3	透明混合，物理上看似合理的透明

10.1 渲染质量（renderQuality）

PBR材质还提供了渲染质量设置（PBRRenderQuality 枚举），可在高质量和低质量之间切换，以适应不同平台的性能需求。

十一、其他属性

属性	类型	说明
enableVertexColor	boolean	是否支持顶点色，开启后可叠加网格的顶点颜色

十二、代码示例

12.1 创建PBR标准材质

// 创建PBR标准材质
let pbrMat = new Laya.PBRStandardMaterial();

// 设置反照率
pbrMat.albedoColor = new Laya.Color(0.8, 0.2, 0.2, 1.0);

// 设置金属度和光滑度
pbrMat.metallic = 0.9;
pbrMat.smoothness = 0.7;

// 加载反照率贴图
Laya.loader.load("res/texture/albedo.png").then((tex: Laya.Texture2D) => {
    pbrMat.albedoTexture = tex;
});

// 加载法线贴图
Laya.loader.load("res/texture/normal.png").then((tex: Laya.Texture2D) => {
    pbrMat.normalTexture = tex;
    pbrMat.normalTextureScale = 1.0;
});

// 设置渲染模式为不透明
pbrMat.renderMode = Laya.PBRRenderMode.Opaque;

// 应用到模型
let meshRenderer = sprite3D.getComponent(Laya.MeshRenderer);
meshRenderer.sharedMaterial = pbrMat;

12.2 创建自发光PBR材质

let emissiveMat = new Laya.PBRStandardMaterial();
emissiveMat.albedoColor = new Laya.Color(0.1, 0.1, 0.1, 1.0);
emissiveMat.metallic = 0.0;
emissiveMat.smoothness = 0.5;

// 开启自发光
emissiveMat.enableEmission = true;
emissiveMat.emissionColor = new Laya.Color(0, 1, 0.5, 1);
emissiveMat.emissionIntensity = 2.0;

meshRenderer.sharedMaterial = emissiveMat;

12.3 创建各向异性PBR材质

let anisotropicMat = new Laya.PBRStandardMaterial();
anisotropicMat.albedoColor = new Laya.Color(0.8, 0.8, 0.8, 1.0);
anisotropicMat.metallic = 1.0;
anisotropicMat.smoothness = 0.8;

// 开启各向异性
anisotropicMat.anisotropyEnable = true;
anisotropicMat.anisotropy = 0.8;
anisotropicMat.anisotropyRotation = 0.0;

meshRenderer.sharedMaterial = anisotropicMat;