Minden, amit a fizikai alapú renderelésről tudni kell

A textúrázással foglalkozó alkotók számára fontos annak megértése, hogy a fénysugarak hogyan lépnek kölcsönhatásba a felszíni anyagokkal, mivel a feladatuk a felületet leíró textúrák létrehozása. A megalkotott textúrák és anyagok a virtuális világokban kölcsönhatásba lépnek a fénnyel. Minél jobban megértjük a fény viselkedését, annál jobb textúrákat tudunk alkotni. 

A fizikai alapú renderelés (PBR), vagy más néven fizikai alapú árnyékolás (PBS) az árnyékolás és a renderelés olyan módszere, amely pontosabban képezi le a fény és az anyagtulajdonságok kölcsönhatását. Attól függően, hogy a 3D modellezési munkafolyamat melyik aspektusáról van szó, a PBS általában az árnyékolásra, míg a PBR a renderelésre és a megvilágításra vonatkozik. Mindkét kifejezés a modellek fizikai szempontból pontos ábrázolásának folyamatát jelenti.

Ha valós idejű renderelési rendszerrel dolgozik a számítógépes grafika vagy a 3D filmgyártás terén, a fizikai alapú rendereléssel végzett árnyékolás alkalmazása hatékonyabbá teszi a munkafolyamatokat. 

• Valósághű modellek. A PBR-nek köszönhetően nem kell többé próba szerencse alapon kísérletezni a felületi jellemzőkkel, például az átlátszósággal, mivel módszertana és algoritmusai fizikailag pontos képleteken alapulnak, és a valós anyagok viselkedését szimulálják.
• Egységes környezetek. Mindegy, milyen megvilágítást használunk, a modellek PBR-környezetben mindig megfelelően jelennek meg.
• Hatékony munkafolyamat. A PBR széles körben alkalmazott munkafolyamat, amely akár különböző alkotók között is biztosítja a modellek konzisztens megjelenését. „Gyorsabban megy vele a munka – véli Wes McDermott, az Adobe kreatív producere –, így több idő jut a kreatív alkotásra, mert nem kell annyit foglalkozni a technikai részletekkel.” 

A PBR munkafolyamatban az alkotónak figyelembe kell vennie az alapvető fényvisszaverődést, vagyis a visszaverődött szín és fény minimális mennyiségét.

A „tükröződő fényvisszaverődés” a felületről tükröződéssel visszaverődött fényt jelenti. A fénysugár visszaverődik a felületről, és más irányba halad tovább. A jelenség a fényvisszaverődés törvényét követi, amely kimondja, hogy tökéletesen sík felületen a visszaverődési szög egyenlő a beesési szöggel.

A legtöbb felület azonban szabálytalan, és a visszaverődési irány a felület érdességétől függően változik. Ez megváltoztatja a fény irányát, de az intenzitása állandó marad.

A durvább felületek fényes területei nagyobbak és halványabbak. A simább felületek a fényvisszaverődéseket fókuszáltan tartják, és a megfelelő szögből nézve fényesebbnek vagy intenzívebbnek tűnnek.

A fényszórás, szórt fényvagy felszín alatti szórás kifejezések mind a belsőleg elnyelt vagy szórt fény hatását írják le. A fény szóródásakor a fénysugár iránya véletlenszerűen változik, és az eltérés mértéke az anyag felületi érdességétől függ, mivel az érdes felületek szórják a fényt. A szórás véletlenszerűen változtatja meg a fény irányát, de változatlanul hagyja az intenzitását. Időnként a szórt fény újra megjelenik a felszínen, és ismét láthatóvá válik.

Azokat az anyagokat, amelyek egyszerre rendelkeznek magas szórással és alacsony abszorpcióval, néha áttetsző anyagoknak is nevezik. Ilyen például a füst, a tej, a bőr, a jáde és a márvány.

Az áttetsző anyagon áthaladva a fény elnyelődhet vagy szóródhat. Amikor a fény elnyelődik, az intenzitása csökken, mivel az energiája átalakul, például hővé. Ezek a színváltozások a hullámhossztól függenek, de a fénysugár iránya nem változik.

Ha nincs szórás, és az abszorpció mértéke alacsony, a fénysugarak közvetlenül áthatolhatnak a felületen: ilyen például az üveg. Képzelje el, hogy egy tiszta medencében úszik. Ha kinyitja a szemét, a kristálytiszta vízben messze ellát. Ha azonban a víz nem elég tiszta, a szennyeződések szétszórják a fényt, csökkentve a látótávolságot.

Minél messzebbre jut el a fény egy ilyen anyagban, annál inkább elnyelődik és/vagy szóródik. Ezért az anyag vastagsága kulcsszerepet játszik abban, hogy a fény mennyire nyelődik el vagy szóródik.

Az Augustin-Jean Fresnel francia fizikus által megfigyelt és Wenzel Jakob grafikai kutatóprofesszor munkájában is felbukkanó Fresnel-effektus leírása szerint a felületről visszaverődő fény mennyisége a látószögtől függ.

Képzelje el megint, hogy egy medencében úszik. Ha egyenesen lefelé néz, a felszínre merőlegesen, tisztán látja a medence alját. Ha a felületet ilyen módon nézi, akkor az nulla fokos vagy normálvektoros beesési szöget jelent (a normálvektor a felületre merőleges vektor). Ha a vízfelszínnel párhuzamosabb, súroló beesési szögben nézné a medencét, akkor a víz felszínén a tükröződések intenzívebbé válnának, és lehet, hogy egyáltalán nem látna a felszín alá.

Ha textúrákkal dolgozik, érdemes minél alaposabban megismerkednie ezekkel a 3D megvilágítási alapfogalmakkal. Nemcsak a PBR működésének technikai szempontból történő megértését segítik elő, hanem az alkotásban is új lehetőségeket tárnak fel. „Jelentősen megkönnyíti a munkát” – foglalja össze McDermott, aki gyakran használja a PBR kínálta lehetőségeket – Több időt tölthetek az alkotómunkával, és így igazán klassz modelleket készíthetek.”

A PBR-rel kapcsolatos további információkért olvassa el Wes McDermott The PBR Guide (Útmutató a PBR-hez) című tanulmányát, amelyet az Allegorithmic adott ki.