Alles, was du über physikalisch basiertes Rendering wissen musst.

Aufgabe von Texturkünstlerinnen und -künstlern ist es, Oberflächen realitätsgetreu nachzubilden. Sie müssen deshalb genau wissen, wie Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Materialien interagieren. Auch im virtuellen Raum kommen die erstellten Texturen und Materialien mit Licht in Kontakt. Je mehr du über das Verhalten von Licht weißt, desto realistischer kannst du deine Texturen gestalten. 

Physikalisch basiertes Rendering (PBR) – manchmal auch als physikalisch basierte Schattierung (PBS) bezeichnet – ermöglicht eine präzisere Darstellung der Interaktion von Licht und Materialeigenschaften. Je nachdem, um welchen Aspekt des 3D-Modellierungs-Workflows es sich dreht, stehen entweder Schattierungskonzepte (PBS) oder Rendering und Beleuchtung (PBR) im Vordergrund. Bei beiden Verfahren geht es darum, Elemente präzise aus dem Blickwinkel eines konkreten physischen Standorts darzustellen.

Die Verwendung einer physikalisch basierten Schattierungs- oder Rendering-Methode kann deinen Workflow verbessern – unabhängig davon, ob du im Bereich der Computer-Grafik mit einem Echtzeit-Renderer arbeitest oder in der 3D-Filmproduktion tätig bist. 

• Realitätsgetreue Elemente. Methodik und Algorithmen von PBR basieren auf physikalisch akkuraten Formeln. Damit entfällt das Rätselraten zu Oberflächeneigenschaften wie Transparenz, und die erstellten Materialien sind absolut realitätsgetreu.
• Kohäsive Umgebungen. Andere Elemente lassen sich immer in eine PBR-Umgebung einfügen, egal welche Beleuchtungssysteme verwendet werden.
• Nachhaltiger Workflow. PBR ist ein weitverbreiteter Workflow, mit dem auch mehrere verschiedene Artists einheitliche Designs gestalten können. „Das verkürzt die Produktionszeit“, so Wes McDermott, Creative Producer bei Adobe. Anwenderinnen und Anwender können sich „ganz auf die kreativen Aspekte ihrer Arbeit konzentrieren, statt sich mit den wissenschaftlichen Details zu beschäftigen.“

Im PBR-Workflow müssen Artists die grundlegende Reflexionsstärke eines Objekts berücksichtigen, also den Mindestgrad an reflektierter Farbe und reflektiertem Licht.

Das von der Oberfläche zurückgeworfene Licht wird als „Spiegelreflexion“ bezeichnet. Trifft ein Lichtstrahl auf eine Oberfläche, wird er in eine andere Richtung abgelenkt. Dabei folgt er dem Gesetz der Reflexion, das besagt, dass der Ausfallwinkel bei einer absolut glatten Oberfläche dem Einfallwinkel entspricht.

Die meisten Oberflächen sind jedoch uneben. Die Richtung des reflektierten Lichts ändert sich in Abhängigkeit von der Rauheit der Oberfläche. Die Intensität des Lichts bleibt dagegen gleich.

Bei raueren Oberflächen ist die Reflexionsfläche größer und erscheint matter. Bei einer glatten Oberfläche bleibt die Spiegelreflexion dagegen enger fokussiert, sodass sie aus dem richtigen Winkel heller oder intensiver wirkt.

Mit den Begriffen Diffusion, diffuses Licht und Volumenstreuung wird der Effekt von absorbiertem oder inwendig gestreutem Licht bezeichnet. Gestreutes Licht ändert seine Richtung willkürlich. Je rauer die Materialoberfläche, desto stärker die Streuung und desto größer der Grad der Abweichung. Die Intensität des Lichts ist davon nicht betroffen. In einigen Fällen kann das gestreute Licht erneut auf der Oberfläche sichtbar werden.

Materialien mit hoher Streu- und geringer Absorptionskraft werden gelegentlich als partizipierende Medien oder lichtdurchlässige Materialien bezeichnet. Beispiele dafür sind Rauch, Milch, Haut, Jade und Marmor.

Wenn Licht in ein lichtdurchlässiges Material eindringt, kann es absorbiert oder gestreut werden. Absorbiertes Licht wird in eine andere Form von Energie umgewandelt, z. B. Wärme. Parallel dazu nimmt die Intensität des Lichts ab. Diese Farbänderungen hängen von der Wellenlänge ab. Die Richtung des Lichtstrahls ist davon nicht betroffen.

Bei fehlender Streuung und geringer Absorption (etwa im Fall von Glas) können Strahlen direkt durch die Oberfläche dringen. Angenommen, du schwimmst in einem sauberen Pool. Wenn du beim Tauchen die Augen öffnest, kannst du durch das klare Wasser sehen. In einem verschmutzten Pool würden dagegen die Schmutzpartikel das Licht streuen. Das hätte zur Folge, dass das Wasser trüber ist und du nicht so weit sehen kannst.

Je weiter das Licht in ein solches Material eindringt, desto mehr wird es absorbiert und/oder gestreut. Die Dicke eines Objekts spielt deshalb bei der Bestimmung der Absorptions- oder Streukraft eine wichtige Rolle.

Der Fresnel-Effekt ist benannt nach seinem Entdecker, dem französischen Physiker Augustin-Jean Fresnel. Grafikprofessor Wenzel Jakob zufolge besagt der Effekt, dass die Menge des von einer Oberfläche reflektierten Lichts vom Winkel der Betrachtung abhängt.

Kommen wir noch einmal auf das Beispiel unseres Pools zurück. Wenn du senkrecht von oben nach unten blickst, kannst du vermutlich bis auf den Boden des Beckens sehen. In diesem Fall entspricht dein Blickwinkel 0 Grad oder einer normalen Inzidenz. Blickst du dagegen aus einem eher parallelen Winkel auf die Oberfläche, wird die Spiegelreflexion immer stärker, bis du am Ende eventuell gar nicht mehr unter die Oberfläche sehen kannst.

Je intensiver du dich mit Texturen beschäftigst, desto mehr zahlt sich deine Kenntnis dieser grundlegenden 3D-Beleuchtungskonzepte aus. Durch das bessere Verständnis des technischen Hintergrunds lernst du auch, den künstlerischen Aspekt von PBR mehr zu schätzen. „PBR nimmt einem viel Aufwand ab“, ergänzt McDermott, der die PBR-Methodik häufig nutzt. „So bleibt mir mehr Zeit, um meiner Kreativität freien Lauf zu lassen und coole Projekte zu gestalten.“

Ausführlichere Informationen zu PBR vermittelt der PBR Guide von Wes McDermott, der von Allegorithmic herausgegeben wurde.