PBR in Substance Painter: Metallic/Roughness vs. Specular/Glossiness

PBR (Physically Based Rendering) in Substance Painter bezeichnet die Erstellung physikalisch korrekter Materialien auf Basis entweder des Metallic/Roughness- oder des Specular/Glossiness-Workflows, je nach Ziel-Engine und Render-Kontext.

Rubrik: Animation & VFX · Unterrubrik: Substance · Niveau: Fortgeschritten

Synonyme / Auch bekannt als: Physikalisch basiertes Rendering, PBR-Workflow, PBS (Physically Based Shading)

Was ist PBR in Substance Painter?

Physically Based Rendering (PBR) ist ein Rendering-Paradigma, das Materialien nach den physikalischen Gesetzen der Lichtinteraktion beschreibt. Seit etwa 2013 ist PBR der Industriestandard für Game-Engines (Unreal Engine, Unity) und hat sich auch in der VFX- und Animationsindustrie weitgehend durchgesetzt. Substance 3D Painter ist nativ auf PBR ausgelegt und bietet zwei Implementierungs-Workflows: Metallic/Roughness (M/R) und Specular/Glossiness (S/G).

Beide Workflows sind physikalisch korrekt, unterscheiden sich aber in der Art, wie sie Materialeigenschaften beschreiben. Die Wahl des Workflows hängt von der Ziel-Anwendung ab.

Erklärung

Grundprinzipien von PBR

PBR basiert auf zwei zentralen physikalischen Konzepten:

Energieerhaltung: Licht, das auf eine Oberfläche trifft, wird entweder absorbiert, reflektiert oder gestreut – die Summe dieser Anteile übersteigt nie die einfallende Lichtmenge. Ein PBR-Shader stellt sicher, dass Oberflächen nicht mehr Licht reflektieren, als sie empfangen.

Mikrofazetten-Theorie: Reale Oberflächen sind auf mikroskopischer Ebene rau. Die scheinbare Rauheit einer Oberfläche bestimmt, ob Reflexionen scharf (poliert) oder diffus (matt) erscheinen. Roughness und Glossiness beschreiben genau diese Eigenschaft.

Metallic/Roughness-Workflow

Im M/R-Workflow werden Materialien durch drei Kernparameter beschrieben:

• Base Color (Albedo): Die diffuse Grundfarbe der Oberfläche. Für Metalle: die Spiegelfarbe (z. B. Gold = gelblicher Glanz). Für Nicht-Metalle (Dielektrika): die diffuse Reflexionsfarbe. Richtwerte: Nicht-Metalle haben Base-Color-Werte zwischen 0,04 und 0,9; Metalle können den gesamten Bereich nutzen.
• Metallic: Ein 0–1-Wert, der angibt, ob eine Fläche metallisch (1) oder nichtmetallisch/dielektrisch (0) ist. Werte zwischen 0 und 1 sind physikalisch nur für Übergangsbereiche (Korrosion, Schmutz auf Metall) sinnvoll.
• Roughness: Beschreibt die Mikro-Rauheit der Oberfläche auf einer Skala von 0 (perfekt poliert) bis 1 (vollständig matt).

Implizit berechnet der Shader daraus alle weiteren Parameter: Fresnel-Reflektivität (F0), diffuse und spekulare Anteile usw.

Einsatz: Unreal Engine, Unity HDRP, Godot, Marmoset, Echtzeit-Anwendungen.

Specular/Glossiness-Workflow

Im S/G-Workflow werden Materialien expliziter beschrieben:

• Diffuse (Albedo): Diffuse Grundfarbe (für Metalle: schwarz, da Metalle kein diffuses Licht haben).
• Specular: Die direkte Spiegelfarbe und -intensität. Für Nicht-Metalle typischerweise ein neutrales Grau (F0 ≈ 0,04 für Glas/Plastik); für Metalle die charakteristische Metallfarbe.
• Glossiness (Inverted Roughness): Gegenteil von Roughness: 0 = matt, 1 = perfekt poliert.

Der S/G-Workflow gibt mehr direkten Kontrolle über spekulare Farben, ist aber fehleranfälliger: Physikalisch inkorrekte Specular-Werte sind leicht einzugeben und erzeugen unrealistische Ergebnisse.

Einsatz: Unity Standard Shader (Legacy), ältere Engines, VFX-Renderer wie V-Ray, Corona.

Shader-Auswahl in Painter

Painter erlaubt die Wahl des Shaders im Projekt:

• Metallic Roughness (Standard, empfohlen)
• Specular Glossiness
• Benutzerdefinierte Shader (GLSL)

Der Shader beeinflusst, welche Channels im Ebenen-Panel angezeigt werden und wie der Viewport die Materialien darstellt. Es ist möglich, ein Projekt nachträglich zwischen den Workflows zu konvertieren, was jedoch eine Anpassung der Channel-Werte erfordert.

Korrekte PBR-Werte

Für physikalische Korrektheit gibt es Richtwerte für Common-Metalle und -Dielektrika:

Allegorithmic hat einen umfangreichen „PBR Materials Calibration Guide" veröffentlicht (Allegorithmic 2017), der Referenzwerte für hunderte realer Materialien enthält.

Beispiele

Metallwaffe (M/R):

• Base Color: Stahlgrau (85858C)
• Metallic: 1.0
• Roughness: 0.4 (leicht poliert mit Kratzern)

Kunststoffgehäuse (M/R):

• Base Color: Neutralweiß (F5F5F5)
• Metallic: 0.0
• Roughness: 0.7 (Matt-Kunststoff)

In der Praxis

Die meisten modernen Game-Engines präferieren den Metallic/Roughness-Workflow, da er weniger fehleranfällig und in der Datenübertragung effizienter ist (Metallic + Roughness = 2 Kanäle statt 4 bei S/G). Für VFX und Produktvisualisierung dominiert S/G in Legacy-Workflows noch immer, wird aber schrittweise durch M/R verdrängt.

Ein praktischer Test für PBR-Korrektheit: Material im Painter-Viewport bei unterschiedlichen HDRI-Beleuchtungen (innen/außen, neutral/farbig) prüfen. Korrekte PBR-Materialien sehen in allen Lichtsituationen physikalisch plausibel aus.

Vergleich & Abgrenzung

Häufige Fragen (FAQ)

Kann ich ein Projekt von M/R zu S/G konvertieren? Ja, aber es ist aufwändig: Base-Color- und Metallic-Werte müssen in Diffuse- und Specular-Werte umgerechnet werden. Converter-Tools und Substance-Filter können diesen Prozess unterstützen.

Welcher Workflow ist „besser"? Für neue Projekte: Metallic/Roughness. Für Legacy-VFX-Pipelines: S/G. Physikalisch sind beide korrekt, wenn richtige Werte verwendet werden.

Was ist „dielectric F0"? Der Fresnel-Reflektionskoeffizient bei flachem Einfallswinkel für Nicht-Metalle beträgt physikalisch ca. 2–5 % (0,02–0,05). Im M/R-Workflow wird dieser Wert automatisch für alle Nicht-Metalle (Metallic = 0) angewendet.

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Weiterführend

• Allegorithmic: The PBR Guide – Vol. 1: Light and Matter / Vol. 2: Practical Guidelines for Creating PBR Textures. Allegorithmic, 2017.
• Burley, Brent: Physically Based Shading at Disney. SIGGRAPH 2012 Course: Practical Physically Based Shading.
• de Rousiers, Charles; Alain, Charles: Moving Frostbite to Physically Based Rendering. DICE/SIGGRAPH, 2014.
• Adobe Inc.: PBR Workflows in Substance 3D Painter. Adobe Help Center, 2024.