Vše, co jste chtěli vědět o fyzikálně založeném vykreslování

Pro tvůrce textur, jejichž úkolem je vytvářet textury popisující povrch, je důležité pochopit, jak světelné paprsky interagují s povrchovým materiálem. Textury a materiály, které vytváříte, interagují se světlem ve virtuálních světech. Čím lépe porozumíte chování světla, tím lépe budou vaše textury vypadat. 

Fyzikálně založené vykreslování (PBR), někdy označované jako fyzikálně založené stínování (PBS), je metoda stínování a vykreslování, která poskytuje přesnější reprezentaci interakce světla s vlastnostmi materiálu. V závislosti na tom, o kterém aspektu pracovního postupu 3D modelování hovoříme, se PBS obvykle týká konceptů stínování, zatímco PBR se týká vykreslování a osvětlení. Oba pojmy popisují proces reprezentace objektů z fyzikálně přesného hlediska.

Použití metody fyzikálně založeného vykreslování zlepší váš pracovní postup, ať už pracujete se systémem vykreslování počítačové grafiky v reálném čase, nebo se zabýváte produkcí 3D filmů.

• Realisticky vyhlížející datové zdroje. Fyzikálně založené vykreslování vás zbaví nepřesností při vytváření atributů povrchu, jako je průhlednost, protože jeho metodika a algoritmy jsou založeny na fyzikálně přesných vzorcích, díky čemuž se takto vytvořené datové zdroje podobají reálným materiálům.
• Ucelená prostředí. Ať už použijete kterýkoli systém osvětlení, ostatní datové zdroje budou v prostředí PBR vždy vypadat správně.
• Udržitelné pracovní postupy. Fyzikálně založené vykreslování je široce rozšířený pracovní postup pro vytváření konzistentní grafiky, který používá řada umělců. „PBR zkracuje dobu produkce,“ říká Wes McDermott, kreativní producent ve společnosti Adobe, „takže se můžete více soustředit na kreativní stránku věci než na to, jak dosáhnout kýženého výsledku.“

V pracovním postupu PBR si umělec musí všímat základní odrazivosti neboli minimálního množství odražené barvy a světla.

„Zrcadlový odraz“ je pojem, který se týká světla, jež se odrazilo od povrchu. Světelný paprsek po odrazu od povrchu putuje jiným směrem. Řídí se zákonem odrazu, který říká, že na dokonale rovinném povrchu se úhel odrazu rovná úhlu dopadu.

Většina povrchů je však nepravidelná a směr odrazu se mění v závislosti na drsnosti povrchu. Tím se mění směr světla, ale jeho intenzita zůstává konstantní.

Drsnější povrchy díky tomuto jevu budou vypadat matněji. U hladších povrchů bude zrcadlový odraz soustředěný a při pohledu ze správného úhlu se budou pozorovateli zdát jasnější nebo intenzivněji osvětlené.

Pojmy difúze, rozptýlené světlo nebo podpovrchový rozptyl popisují efekt světla, které bylo pohlceno nebo rozptýleno uvnitř objektu. Při rozptylu světla se směr paprsku náhodně mění. Velikost odchylky závisí na drsnosti povrchu materiálu, protože drsný povrch světlo rozptyluje. Rozptyl náhodně mění směr světla, ale nemění jeho intenzitu. Občas se rozptýlené světlo může znovu objevit na povrchu, takže je opět viditelné.

Materiály s vysokým rozptylem a zároveň nízkou absorpcí se někdy označují jako média podílející se na přenosu světla (tzv. participating media) nebo jako průsvitné materiály. Příkladem takových materiálů jsou kouř, mléko, kůže, nefrit a mramor.

Při průchodu průsvitným materiálem může být světlo absorbováno nebo rozptylováno. Při absorpci světla se intenzita světla snižuje, protože se mění na jinou formu energie, například na teplo. Tyto barevné změny závisí na vlnové délce, ale směr paprsku se nemění.

Pokud nedochází k rozptylu a absorpce je nízká, můžou paprsky procházet přímo skrz povrch, což platí například pro sklo. Představte si, že se koupete v čistém bazénu. Když se zahledíte pod hladinu, uvidíte dobře skrz průzračnou vodu. Pokud by však byl stejný bazén výrazněji znečištěný, částečky nečistot by rozptylovaly světlo, což by snižovalo průzračnost vody a vzdálenost, do které byste dohlédli.

Čím dále se světlo v takovém materiálu pohybuje, tím více je pohlcováno nebo rozptylováno. Tloušťka objektu tak hraje klíčovou roli v tom, jak moc je světlo pohlceno nebo rozptýleno.

Fresnelův efekt, který pozoroval francouzský fyzik Augustin-Jean Fresnel a popsal profesor Wenzel Jakob specializující se na počítačovou grafiku, říká, že množství světla odraženého od povrchu závisí na úhlu pohledu, pod kterým je vnímáno.

Opět si představte bazén s vodou. Pokud byste se dívali kolmo dolů, viděli byste až na dno. Při tomto pohledu na povrch by se jednalo o nulový neboli normálový úhel dopadu, přičemž normála je normála povrchu. Pokud byste se na bazén dívali pod úhlem, který je více rovnoběžný s hladinou, viděli byste, že zrcadlové odrazy na vodní hladině jsou intenzivnější a pod hladinu byste možná vůbec neviděli.

Při další práci s texturami si rozšiřte znalosti těchto klíčových konceptů 3D osvětlení. Více tak porozumíte tomu, jak fyzikálně založené vykreslování funguje z technického hlediska, a zároveň tuto metodu oceníte i z pohledu umělce. „Udělá za vás spoustu těžké práce,“ dodává McDermott, který metodiku PBR často využívá. „Mohu tak věnovat více času kreativní tvorbě děl, které vypadají prostě skvěle.“

Další informace o fyzikálně založeném vykreslování získáte v příručce The PBR Guide, kterou napsal Wes McDermott a vydala společnost Allegorithmic.