Albedo 与 Pointer’s Gamut

引言

如果你直接在 ACEScg 中设置你的 基础颜色（或 漫反射颜色），重要的是要意识到在饱和度和亮度方面应该有一些限制。有人可能会问：漫反射颜色 的合理限制应该是什么？

以下是我的个人答案：Pointer 色域！在我们深入探讨其定义之前，让我们先退一步，好好审视一下 albedo。

Albedo 定义

在阅读了第 1 章（关于色彩管理）和第 1.5 章（关于 ACES）之后，你可能会问自己：我该从哪里开始？ 如何正确设置所有这些值？有时，我们很难在纹理、灯光或调色之间正确平衡资产的外观开发。例如，在旋转展示中，我们的灯光应该有多强？或者我们的纹理应该有多亮、多饱和？

我个人认为 albedo 颜色是一个“稳定”的参考。 由于 albedo 来源于“现实生活”，将其视为平衡我们资产的合理方式是很自然的。

来自 Substance PBR 指南：表面的可见颜色是由于光源发出的波长。这些波长被物体吸收，并以镜面反射和漫反射两种方式反射。剩余的反射波长就是我们看到的颜色。

130_albedo_0010_apple_wavelengths_FHD

来自 Jeremy Selan：在真实场景中，如果你使用光谱辐射计等工具测量亮度值，可以观察到单个场景中非常广泛的值范围。[…] 非常暗的材料（如木炭）只反射一小部分入射光，通常在 3-5% 的范围内。作为一个单一数值，这种整体反射率被称为“albedo”。

Albedo 与反射

我们刚刚从 Substance 和 Jeremy Selan 那里得到了两个很好的定义。我认为非常值得停下来思考一下 albedo 到底是什么。因为关于它有很多误解。

来自 Wikipedia：表面反照率定义为 辐射出射度 与表面接收的 辐照度（单位面积通量）之比。[…] albedo 是在给定时间段内所有太阳角度上反射率的方向积分。

关于这个主题的精彩文章：Everything is shiny。

所有这些定义告诉我们什么？那就是你在 albedo 值中嵌入了一些镜面/光泽度信息。 这一点非常重要。

让我们以木炭为例。木炭并非纯 朗伯表面，在掠射角下你会得到一些 “镜面”反射。为了在 CG 中进行艺术控制，我们通常将漫反射和镜面反射分开，但在现实生活中它们其实是同一回事。

Thomas Mansencal 的解释。

漫反射颜色还是 Albedo AOV？

在现实生活中，albedo 同时包含 漫反射 和 镜面反射。 这是我们需要澄清的第一点。但许多渲染引擎，如 Guerilla Render，简化了这个过程：albedo AOV 就是 漫反射颜色（也称为 基础颜色 或 漫反射）。另一方面，Arnold 似乎做了“真实”的处理：

diffuse_albedo 中的菲涅尔效应是 镜面 IOR 的结果，以及它如何影响漫反射的 albedo 以实现能量守恒。因此，如果没有 镜面反射，diffuse_albedo 上就不会有菲涅尔效应，因为所有能量都在漫反射中。

来自 Arnold 文档。

我发现最后这部分特别有趣。我之前提到的关于 albedo 的误解可能就来自这些不同的行为。这对我们下一段内容尤其关键。

现在重要的是要记住，“地面实况”在某种程度上是模糊的：albedo 首先是一种与太阳辐照度相关的测量，当测量时，它包含了反射的漫反射和镜面反射分量。纹理几乎从未在直射阳光下拍摄。地面实况更应该是从光谱上测量表面的 BTF（双向纹理函数），并测量其偏振反射率：一种空间变化的偏振 BRDF（双向反射分布函数）。这将获得几乎完美的表面表示，但这样做你也会失去对它的所有艺术控制。否则，你可以查看 vrscans（VRScans 是非光谱 BTF）或 Quixel Megascans。

Thomas Mansencal 关于 albedo 相关挑战的论述。

Albedo 的限制是什么？

如果还不够清楚的话，我明确地将 颜色选择 分为两类：

• 灯光和自发光表面 -> Rec.2020 或 ACEScg 色域。
• 非发光表面的 Albedo 和 镜面颜色 -> Pointer 色域。

要获得饱和的颜色，光谱分布必须是窄带的。 激光，即一条线，是世界上最饱和的。这与表面恰恰相反，表面是相当平滑的。因此，由于其反射光谱分布的本质，它们不可能极其饱和。

Thomas Mansencal 的另一个解释。

（第 2/4 段）

因此，我们得到两个类别：

• 使用光源时，光谱变化剧烈，伴有尖峰。
• 使用自然或人造表面时，光谱非常平滑。

然而，你可能会遇到的问题是，当你用一个窄带光源照射表面时。你会发现自己处于这样一种情况：即使你的表面确实是平滑的，它反射的却是窄带光。因此，你最终可能会得到一个饱和度极高的表面（例如，这在音乐会场景中经常发生）。有时（通常是）结果并不如我们所愿，例如蓝色高光修复。

有趣的音乐会例子。非常直观！

最后，我不得不问他关于荧光的问题：

荧光实际上被认为是发射光。因此，它不像非发射表面那样受到限制。荧光只是以不同波长重新发射光。 我们甚至在洗衣业中谈论光学增白剂。

我喜欢当所有的点像这样开始连接起来的时候。

现有解决方案

对于这个问题：我们如何将反照率范围限制在 PBR 范围内？ 工作室们提供了不同的答案。以下是我见过的一些解决方案：

• 一种技术检查，扫描反照率纹理，如果发现超出范围的值，则停止发布。
• 在着色器中直接设置一个软裁剪限制，以适应任何颜色输入的范围。
• 对反照率 AOV 进行视觉检查，查看是否存在超出范围的值（这意味着反照率 AOV 设置正确）。

所有这些解决方案都可以。即使大多数时候它们只考虑贴图的亮度。但是饱和度呢？这就是Pointer 色域派上用场的地方！

有趣的是，Thomas Mansencal 早在 2014 年就曾呼吁在 DCC 应用中引入色彩分析工具…！

我仅仅晚了六年。

Pointer 色域

我一直在想，是否有关于漫反射颜色/反射和饱和度的研究。直到我发现了Pointer 色域。我的大部分数据来自这篇文章。

首先，一个困扰很多人的非常基本的问题。为什么叫Pointer色域？其实很简单！1980 年，一位名叫 Michael Pointer 的科学家收集了 4000 多个参考样本研究它们的颜色，并提出了一个以他命名的色域。

Pointer 色域是（一个近似）人眼可见的真实表面颜色的色域，基于 Michael R. Pointer (1980) 的研究。[…] 这意味着任何材料物体表面能够反射的所有颜色都在 Pointer 色域之内。

这听起来完全像一个合理的解决方案。但是我们应该将Pointer 色域与什么进行比较呢？答案在同一篇文章中给了我们（读一下就知道）：

Pointer 色域是为漫反射（哑光表面）定义的。 与漫反射相对的是镜面反射，或类似镜子的反射。通过镜面反射，物体可以反射出 Pointer 色域之外的颜色。

再清楚不过了。真的。

Pointer 色域最初是为柯达公司进行的一项研究，所使用的 4089 个样本列表并未公开。不过，你可以在RIT 网站上找到数据集。

基于 Pointer 色域的技术检查

我们绝对可以考虑开发一个应用程序，允许我们将基础颜色纹理与 Pointer 色域进行比较。一些工作室已经在内部开发了一些解决方案，而对于社区来说，一个开源软件将是非常受欢迎的。

关于这个Pointer 色域检查的一些建议：

• 重要的是防止大多数情况。
• Pointer 色域并非详尽无遗，它并不代表所有可能的反射率。
• Pointer 并没有测量所有实际的表面。他有一个相当有代表性的样本。
• 我们必须明智地应用所有这些，过滤掉 98% 的有问题的情况。
• 它不应该成为创造力的阻碍，相反，它应该有助于创造力。
• 这个系统不是为了阻止人们完成工作，而是为了帮助他们更好、更快地完成工作。

Pointer 色域示例值

我将在这里分享一些值，让你大致了解它们是否在 Pointer 色域内。但我们也不要太教条，因为在数字 RGB 场景渲染中，一切都是“错误”的……

反照率图表及其限制

现在，我们为漫反射有了一个明确的目标。我们可以将其转化为技术检查，甚至是一个反照率图表。

市面上有一些有趣的反照率图表可供参考，甚至来自不同的渲染引擎，比如 Unity 和 Unreal。由于这些值是从真实世界测量值中获得的，它们是很好的指导原则。同样有趣的是，木炭和雪通常是大多数反照率图表中的“极端”例子。

在我看来，没有人像Unity的Sebastien Lagarde那样深入研究过它们。早在 2013 年，Sebastien 就已经在谈论它们的用途和限制了。

我有时会看到着色器在反照率中使用 0 值。我同意 0 值可以是一种优化，因为没有值或 BSDF 需要计算。但要记住，在 RGB 渲染引擎中，0 值很可能会停止光线路径。

CG 反照率图表

我生成这些图表的过程非常简单。我将ACEScentral 上发布的一个图表、Sebastien Lagarde 的一个图表和Macbeth 色卡合并成一个。由于这些图表中的大多数都有 0 到 255 之间的 sRGB 值，我使用了这个转换器对它们进行归一化。我还不得不挖掘一下，以找到sRGB 下的 Macbeth 值。

（第 3/4 段）

整个过程，类似于此处展示的资产转换过程，可以通过将色卡导入 Nuke 并在查看器中直接拾取值来简化。

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现在有两张色卡：一张包含 ACEScg 值，另一张包含 Linear – sRGB 值。亮度值来自 Nuke 的查看器。我按照亮度对反照率值进行了排序，因为我认为这样会更方便。色卡本身已保存为 png 文件，并使用了以下“色彩空间”：“Utility – sRGB – Texture”。

你可能需要“谨慎地”使用这些值，因为我们并不确切知道它们是否严格指漫反射率或反照率。根据我对木炭所做的渲染测试，这里有一些更准确的值（与 Unreal Engine 中的值 相符）：

“新雪”的情况类似。有些图表显示反照率值为 0.9，有些是 0.81。我选择了较低的值，因为我更倾向于制作一个漫反射颜色值图表。这引出了我们的最终问题……

Macbeth 色卡值

Macbeth 色卡的值是漫反射反照率还是总反照率？ 很久以前，一位同事使用交叉偏振法拍摄了物品的材质参考照片，当然，Macbeth 色卡具有镜面反射分量。[…] 但也许我们应该将在线 Macbeth 色卡（来自 colour-science）视为漫反射值，而任何参考带有色卡照片的人都需要补偿镜面反射分量？

我无法比 Thomas Mansencal 回答得更好，所以我直接引用他的话。

从测量和单位的角度来看，反照率旨在表示漫反射（太阳辐照度的反射）。问题是，尽管在建模 BRDF 时可以区分它们，但在现实生活中进行测量时确实很难做到。在某种程度上，镜面反射几乎总是漫反射的一个子集，毕竟它也是反射。当测量色卡的反射率时，是在特定的几何条件下进行的，例如 0:45（光线与切面对齐，接收器/传感器在 45 度角），测量的是入射光的总反射。因为光的辐照度是已知的，所以可以推断出表面的反射率。

我自己从未做过任何现实生活中的测量，所以我只是坐着听。以下是最后一部分：

这告诉你的是，没有镜面反射与漫反射的分离，它是全包含的。它还告诉你，如果你期望实现匹配，你应该在渲染引擎中匹配测量几何条件，因为这是唯一可以完全实现匹配的几何条件。

结论

尽管 Pointer 色域已有 40 年历史，但它仍然是着色器中反照率值的有效参考。但我们当然不应该成为它的奴隶，而应将其用作资产间保持一致性的指导原则。和往常一样，这些选择取决于你的艺术方向和工作流程。最近，软件工程师 Björn Ottosson 在推特上谈到了 Pointer 色域，并生成了这两张图片。

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展示了最亮和最暗的自然表面反射颜色是什么（使用 sRGB HSV）。如果你正在制作漫反射纹理，大多数时候你希望保持在这个范围内。更亮和更暗的反射颜色在物理上是可能的，但会相当罕见。这是一个很好的合理性检查，而不是严格的限制。此外，荧光色可能看起来更亮。

这种限制纹理值范围的概念可能会引发相当多的争论。但我认为，在做出这些决定时，记住这些概念是有用的。最后，我们用 Thomas 的话来结束：

嗯，一切都是情境相关的，将你的值锚定在现实世界中，作为一个起点，通常是获得更高质量的关键，这在某种程度上是 PBR 的基础。请记住，Pointer 色域仅与反射率有关 […] 。它关乎数字资产创作，特别是着色器和纹理的外观开发，在这些领域，人们往往需要追求物理准确性。[…] 这不是关于图像质量，而是关于物理正确性。像任何工具一样，必须理解其原理才能使用。PBR 验证工具 […] 可以说有助于提高 Lookdev 的一致性和整体图像质量。

（第 4/4 段）

这篇文章一个可能的改进方向是生成两张图表：一张用于漫反射率，另一张用于镜面反射率。这听起来像是未来一个有趣的作业！