Alles wat je moet weten over physically based rendering.

Textuurkunstenaars creëren texturen die een oppervlak beschrijven. Daarom is het belangrijk dat zij weten wat het effect van lichtstralen op een oppervlak is. Er is interactie tussen de texturen en materialen die je maakt en het licht in virtuele werelden. Hoe meer je begrijpt hoe licht zich gedraagt, hoe beter je texturen eruit zien. 

Physically based rendering (PBR), soms ook wel physically based shading (PBS) genoemd, is een rendering- en schaduwmethode waarmee je nog nauwkeuriger de interactie tussen licht en materiaaleigenschappen kunt weergeven. Afhankelijk van het aspect van de workflow voor 3D-modellering dat wordt besproken, gaat het bij PBS meestal specifiek over schaduwconcepten terwijl PBR verwijst naar rendering en belichting. Beide termen beschrijven het proces waarbij assets vanuit een fysiek nauwkeurig standpunt worden weergegeven.

Of je nu in computerbeelden of in 3D-filmproducties werkt met een real-time renderingsysteem, de inzet van een PBR-methode voor schaduwwerking verbetert je workflow. 

• Realistisch uitziende assets. Met PBR kun je zonder giswerk oppervlak-kenmerken zoals transparantie creëren, omdat de methodologie en algoritmen zijn gebaseerd op natuurkundige formules, waardoor het resultaat lijkt op materialen uit de echte wereld.
• Samenhang in de omgeving. Ongeacht het gebruikte belichtingssysteem werken andere assets altijd in een PBR-omgeving.
• Duurzame workflow. PBR is een algemeen gebruikte workflow voor het maken van consistent artwork, zelfs bij inzet van meerdere kunstenaars. "Het verkort de productietijd", aldus Wes McDermott, creative producer bij Adobe, zodat "je je meer kunt focussen op het creatieve proces in plaats van het technische aspect". 

In een PBR-workflow moet een kunstenaar zich bewust zijn van de basisweerkaatsing, of de minimale hoeveelheid kleur en licht die wordt weerkaatst.

'Spiegelende reflectie' verwijst naar licht dat is weerkaatst van het oppervlak. De lichtstraal wordt van het oppervlak weerkaatst en gaat in een andere richting verder. De straal volgt de wet van de reflectie, die luidt dat op een perfect plat oppervlak de weerkaatsingshoek gelijk is aan de invalshoek.

De meeste oppervlakken zijn echter niet vlak en de richting na weerkaatsing wordt bepaald door de ruwte van het oppervlak. Deze verandert de richting van het licht, maar de intensiteit ervan blijft gelijk.

Ruwe oppervlakken hebben hooglichten die groter zijn en zwakker lijken. Gladde oppervlakken zorgen voor gefocuste spiegelende reflectie en ze zien er helderder of intenser uit als ze vanuit de juiste hoek worden bekeken.

De termen verstrooiing, strooilicht en ondergrondse verspreiding beschrijven alle drie het effect van licht dat intern is geabsorbeerd of verspreid. Als licht wordt verspreid, verandert de richting van de straal willekeurig. De afwijking van de straal wordt bepaald door de ruwte van het materiaaloppervlak. Bij verspreiding krijgen lichtstralen een willekeurige richting, maar verandert de intensiteit niet. Soms kan het verspreide licht opnieuw op het oppervlak verschijnen, waardoor het weer zichtbaar wordt.

Materialen die het licht in hoge mate verspreiden en weinig absorberen, worden soms participerende media of doorschijnende materialen genoemd. Voorbeelden hiervan zijn rook, melk, huid, jade en marmer.

Licht dat door doorschijnend materiaal valt kan worden geabsorbeerd of verspreid. Als licht wordt geabsorbeerd, neemt de lichtintensiteit af aangezien het wordt omgezet in een andere energievorm, zoals warmte. Deze kleurveranderingen worden bepaald door de golflengte, maar de richting van de straal verandert niet.

Als er geen verspreiding is en de absorptie laag is, kunnen stralen recht door het oppervlak gaan, wat geldt voor glas. Stel je voor dat je in een zwembad met helder water zwemt. Je zou je ogen kunnen openen en door het heldere water heen kunnen kijken. Als het water echter een beetje vuil is, zorgen de vuildeeltjes voor verspreiding van het licht, waardoor het water minder helder is en je minder ver kunt zien.

Hoe verder het licht in dergelijk materiaal voortbeweegt, hoe meer het wordt geabsorbeerd en/of verspreid. Daarom speelt de dikte van het object een belangrijke rol bij de mate waarin het licht wordt geabsorbeerd of verspreid.

Het Fresnel-effect, zoals waargenomen door de Franse natuurkundige Augustin-Jean Fresnel en geciteerd door graphics professor Wenzel Jakob, houdt in dat de hoeveelheid licht die door een oppervlak wordt weerkaatst, afhankelijk is van de kijkhoek.

Stel je weer een zwembad voor. Als je recht naar beneden kijkt, loodrecht op het oppervlak, kun je tot op de bodem kijken. Je bekijkt het oppervlak dan onder een hoek van nul graden ofwel een normale invalshoek, waarbij normaal het oppervlaknormaal is. Als je met een schuine hoek naar het zwembad kijkt, meer parallel met het oppervlak, zie je de spiegelende weerkaatsingen op het wateroppervlak intenser worden en kun je waarschijnlijk niets onder het oppervlak zien.

Naarmate je vaker met texturen werkt, wil je je kennis over deze belangrijke 3D-belichtingsconcepten vergroten. Zo krijg je meer inzicht in de manier waarop PBR vanuit technisch perspectief werkt en kun je dit ook vanuit artistiek oogpunt waarderen. "Het neemt veel van het zware werk van je over", aldus McDermott, die de PBR-methodologie vaak gebruikt. "Ik heb meer tijd om creatief te zijn en ervoor te zorgen dat dingen er cool uitzien."

Bekijk de handleiding The PBR Guide van Wes McDermott, uitgegeven door Allegorithmic als je meer wilt weten over PBR.