PBR-Texturing – Grundlagen

PBR-Texturing (Physically Based Rendering Texturing) bezeichnet die Erstellung von Texturen nach physikalisch plausiblen Regeln, sodass Oberflächen unter beliebigen Lichtbedingungen realistisch reagieren.

Was ist PBR-Texturing?

PBR steht für Physically Based Rendering – ein Ansatz zur Materialdarstellung, der auf physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Lichtreflexion basiert. Im Gegensatz zu älteren, empirischen Shading-Modellen (Phong, Blinn-Phong) beschreibt PBR Oberflächen durch messbare physikalische Eigenschaften wie Rauheit, Metallizität und Reflexionsverhalten.

PBR-Texturing meint konkret: die Erstellung und Kombination mehrerer Texturkanäle (Maps), die zusammen das physikalische Verhalten einer Oberfläche vollständig beschreiben. Diese Maps werden von PBR-fähigen Renderern und Game-Engines zur korrekten Lichtberechnung verwendet.

Der Begriff wurde in der Spieleindustrie maßgeblich durch Disney (Burley, 2012) und später durch Epic Games mit der Unreal Engine 4 (2012) popularisiert.

Erklärung

Die wichtigsten PBR-Texturkanäle

Base Color / Albedo Enthält die grundlegende Farbe der Oberfläche ohne Beleuchtungsinformationen. Bei metallischen Materialien kodiert sie die Reflektionsfarbe; bei nichtmetallischen die diffuse Farbe. Keine Schatten oder Glanzlichter dürfen enthalten sein.

Roughness (Rauheit) Beschreibt die Mikro-Oberflächenrauheit auf einer Skala von 0 (spiegelglatt) bis 1 (vollständig diffus). Niedrige Werte erzeugen scharfe Spiegelungen, hohe Werte breite, weiche Reflexe.

Metallic (Metallizität) Binäre oder graduelle Map: Werte nahe 0 = dielektrische (nichtmetallische) Oberflächen, Werte nahe 1 = Metall. Metalle haben keine diffuse Komponente und hohe Fresnel-Reflexion.

Normal Map Kodiert die Oberflächenorientierung per Tangenten-Normalenvektor (RGB = XYZ). Erzeugt die Illusion von Höhendetails ohne Geometrie-Overhead. Standard ist das Tangent-Space-Normal-Format.

Height / Displacement Map Tatsächliche oder durch Parallax Occlusion angenäherte Oberflächenhöhe. Kann in Tesselierungs-Pipelines zur echten Geometrieverschiebung genutzt werden.

Ambient Occlusion (AO) Schätzt das lokale Verschattungspotenzial durch nahe Geometrien. In PBR ist AO ein Annäherungswert für indirektes Licht, keine echte Schatten-Map.

Emissive Stellt selbstleuchtende Bereiche dar – unabhängig von Umgebungslicht. Wird für Displays, Glühfäden oder Biolumineszenz verwendet.

Die zwei PBR-Workflow-Varianten

Metallic-Roughness (MR) Entwickelt von Disney/Burley (2012) und standardisiert durch die Khronos Group für GLTF und OpenGL. Genutzt in Unreal Engine, Unity, Godot und Substance Painter (Standardmodus).

Specular-Glossiness (SG) Älterer Ansatz, hauptsächlich in älteren Rendering-Engines (V-Ray bis Version 3.x, älterem Maya). Glossiness ist die invertierte Roughness; Specular ersetzt den Metallic-Kanal mit einer RGB-Reflexionsfarbe.

Energieerhaltung und Fresnel

Beide Workflow-Varianten basieren auf dem Prinzip der Energieerhaltung: Die Gesamtmenge reflektierten Lichts übersteigt nie die einfallende Menge. Der Fresnel-Effekt (nach Augustin-Jean Fresnel) beschreibt, dass alle realen Oberflächen bei flachem Betrachtungswinkel stärker reflektieren – ein Verhalten, das PBR-Shader automatisch berechnen.

Beispiele

• Rost auf Metall: Metallic nahezu 0 (Rost ist dielektrisch), Roughness 0,8–1,0 (sehr rau), AO in Vertiefungen stark.
• Polierter Stahl: Metallic = 1, Roughness = 0,05–0,15, Base Color = dunkles Grau/Stahl-Ton.
• Feuchter Stein: Roughness-Variation zwischen trockenen (0,9) und nassen Bereichen (0,1–0,2), AO in Rissen stark.
• Schmutzige Glasscheibe: Glas als dielektrisches Material (Metallic 0), Roughness-Variation für Schlieren, Opacity für Transparenz.

In der Praxis

In Substance Painter werden alle PBR-Kanäle gleichzeitig bearbeitet. Ein Pinselstrich schreibt beispielsweise gleichzeitig in Base Color, Roughness und Height. Das ist der entscheidende Vorteil gegenüber älterer Texturierungssoftware.

Typische PBR-Texturauflösungen:

• Mobile Games: 512×512 bis 1K
• PC/Console Games: 2K–4K pro UDIM-Kachel
• Film-VFX: 4K–8K pro UDIM-Kachel

Dateiformate: PNG (verlustfrei), EXR (16-Bit oder 32-Bit für Render-Pipelines), TIFF. Roughness, Metallic und AO können als separate Kanäle in einem RGB-Bild gepackt werden (sog. ORM-Textur).

Vergleich & Abgrenzung

PBR ist heute der De-facto-Standard; reine Phong-Shading-Materialien kommen praktisch nur noch in Legacy-Projekten vor.

Häufige Fragen (FAQ)

Muss jedes Material alle Kanäle haben? Nein. Einfache Materialien können auf AO, Height oder Emissive verzichten. Mindestens Base Color, Roughness und Metallic sind für korrekte PBR-Darstellung nötig.

Was ist der Unterschied zwischen Roughness und Glossiness? Sie sind invertiert: Roughness 0 = Glossiness 1 (spiegelglatt). Viele Engines bieten Konvertierungs-Presets.

Warum sehen meine Texturen in der Engine anders aus als in Substance Painter? Tonemapping, Gamma-Kurven, Licht-Setup und Post-Processing unterscheiden sich zwischen SP und der Ziel-Engine. Export-Presets helfen, bekannte Abweichungen zu minimieren.

Was sind sRGB-Texturen? Base Color und Emissive sollten als sRGB gespeichert werden (nichtlinear). Roughness, Metallic, AO und Normal Maps müssen als lineare Daten gespeichert werden.

Verwandte Einträge

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• Texture Baking in Substance Painter – Erzeugung von AO, Normal und Curvature Maps
• Textur-Export für Game & Film in Substance Painter – PBR-Textur-Export für verschiedene Targets

Weiterführend

• Burley, B. (2012): Physically Based Shading at Disney. SIGGRAPH 2012 Course: Practical Physically Based Shading in Film and Game Production. Disney Animation Studios.
• Karis, B. (2013): Real Shading in Unreal Engine 4. SIGGRAPH 2013. Epic Games.
• Lagarde, S. & de Rousiers, C. (2014): Moving Frostbite to Physically Based Rendering 3.0. SIGGRAPH 2014. Electronic Arts / DICE.
• Khronos Group (2023): GLTF 2.0 Specification – PBR Metallic Roughness. khronos.org/gltf
• Adobe (2024): PBR Guide. Substance 3D Community Resources. substance3d.adobe.com/tutorials/pbr-guide