כל מה שצריך לדעת על עיבוד מבוסס פיזיקה.

הבנת האינטראקציה בין האור והחומר שממנו עשוי המשטח חשובה לאמנים שיוצרים מרקמים מאחר שהמטרה שלהם היא לבנות מרקמים שמתארים משטח ספציפי. המרקמים והחומרים שהם מכינים יוצרים אינטראקציה עם האור בעולם החזותי. ככל שההבנה את התנהגות האור נכונה יותר, כך המרקמים ייראו טוב יותר. 

עיבוד מבוסס פיזיקה (physically based rendering ‏ – PBR), לעיתים נקרא גם עיבוד מבוסס הצללה (physically based shading ‏ – PBS), הוא שיטה של הצללה ועיבוד שמאפשרת ליצור המחשה מדויקת יותר של התנהגות האור עם מאפיינים של חומרים שונים. ההבדל בין השיטות תלוי בהיבטים שאליהם מתייחסים בתהליך העבודה על דגמים תלת ממדיים – בדרך כלל, עיבוד מבוסס הצללה מתייחס להקשרים של הצללה ולעומתו, עיבוד מבוסס פיזיקה מתייחס לעיבוד ולתאורה. שני המונחים מתארים את תהליך התצוגה של נכסים מנקודת מבט שתהיה מדויקת ביחס לעולם הפיזי.

אם יוצרים באמצעות מערכת של עיבוד בזמן אמת בתחום הגרפיקה הממוחשבת או עובדים בהפקה של סרט תלת ממדי, מומלץ להחיל שיטת הצללה בעזרת עיבוד מבוסס פיזיקה כדי לשפר את תהליך העבודה.

• נכסים עם מראה ראליסטי עיבוד מבוסס פיזיקה מאפשר יצירה של תכונות משטחים – למשל שקיפות – בצורה מדויקת ובטוחה יותר מאחר שהמתודולוגיה והאלגוריתמים מבוססים על נוסחאות מדויקות מבחינה פיזית ותואמים לחומרים בעולם האמיתי.
• סביבה עקבית.לא משנה באיזו שיטת אור משתמשים, כל הנכסים האחרים תמיד יעבדו בסביבה של עיבוד מבוסס פיזיקה.
• תהליך עבודה עמיד. תהליכי עבודה של עיבוד מבוסס פיזיקה מאוד גמישים ומאפשרים יצירה של אמנות בצורה עקבית, גם כאשר אמנים שונים עובדים על פרויקט. "התהליך מצמצם את זמן ההפקה," אומר ווס מקדרמוט, מפיק קריאייטיב ב-Adobe, "כך אנחנו יכולים להתמקד בהיבטים היצירתיים של העבודה ולא בנתונים המדעיים שלה."

כאשר מבצעים תהליך עבודה של עיבוד מבוסס פיזיקה, האמנים חייבים לשים לב למידה שבה האור מוחזר מהשטח או לכמות המינימלית של הצבע והאור שמשתקפת מהשטח.

המונח "החזר ראי" מתייחס לאור שמוחזר מפני השטח שעליו הוקרן. קרני האור מוחזרות מהשטח ומאירות לכיוון אחר. הקרן מאירה בהתאם לחוק ההחזרה, לפיו זווית ההחזרה על מישור שטוח לגמרי תהיה שווה לזווית הפגיעה.

עם זאת, רוב המשטחים חריגים והכיוון של ההחזרה ישתנה בהתאם לחספוס של המשטח. התכונה הזאת תשנה את כיוון האור, אבל עוצמת האור נשארת זהה.

על משטחים מחוספסים יותר יופיעו פסי אור גדולים אך עמומים יותר. במשטחים חלקים יותר, החזר הראי יהיה ממוקד ופסי האור ייראו בהירים וחזקים יותר מהזווית המתאימה.

המונחים דיפוזיה, אור מפוזר או פיזור האור מתחת למשטח מתארים כולם את האפקט של האור שנספג או שפוזר במשטח. כאשר האור מפוזר, כיוונן של קרני האור משתנה בצורה אקראית ועוצמת הפנייה שלהן תלויה בחספוס המשטח של החומרים הואיל ומשטחים מחוספסים מפזרים אור. הפיזור מפנה את האור לכיוונים אקראיים אך לא משנה את העוצמה שלו. לפעמים האור המפוזר עלול להופיע שוב על המשטח וכך האור נגלה פעם נוספת.

חומר עם יכולת פיזור גבוהה ויכולת ספיגה נמוכה נקרא לפעמים 'חומר זָכוּךְ' או 'חומר שקוף למחצה'. עשן, חלב, עור, ירקן (אבן) ושַׁיש הם דוגמאות לחומרים כאלה.

כאשר האור חודר דרך חומרים שקופים למחצה, הוא נספג או מתפזר. כאשר האור נספג, עוצמת האור מצטמצמת מאחר שהוא הופך לסוג אחר של אנרגיה, חום למשל. השינויים האלו בצבעו של האור תלויים באורך הגל אבל הכיוון של הקרניים לא משתנה.

אם האור לא מתפזר ויכולת הספיגה שלו נמוכה, הקרניים יכולות לחדור ישירות דרך המשטח. כך הוא המקרה בזכוכית. דמיינו שאתם שוחים בבריכה עם מים נקיים. כאשר המים צלולים, אפשר להסתכל ולראות דרך המים. עם זאת, כאשר המים באותה הבריכה מלוכלכים יחסית, החלקיקים של הלכלוך יפזרו את האור ויצמצמו את השקיפות של המים ואת טווח הראייה שלכם דרכם.

ככל שהאור עובר מרחק רב יותר, כך הוא נספג ו/או מתפזר יותר בחומר מסוים. לכן העובי של האובייקט הוא גורם מרכזי שמשפיע על כמות הספיגה או הפיזור של האור.

לפי חוקי פרנל – שהגה הפיזיקאי הצרפתי אוגוסטן ז'אן פרנל וציטט הפרופסור לגרפיקה ונזל יאקוב – כמות האור שמוחזרת מהמשטח תלויה בזווית הצפייה ממנה רואים את האור.

נחזור לבריכת השחייה שלנו. אם נסתכל ישירות למטה בזווית אנכית למשטח, נוכל לראות דרך המים, עד קרקעית הבריכה. צפייה במשטח בדרך זו תבוצע באפס מעלות או בפגיעה רגילה, כלומר במצב הרגיל של המשטח. אם מסתכלים על בריכת השחייה מזווית פגיעה נושקת, כלומר בזווית שמקבילה יותר למשטח, החזר הראי על משטח המים יופיע בצורה חזקה יותר ולא תהיה לנו אפשרות לראות מתחת לפני השטח.

כשצוברים ניסיון בעבודה עם מרקמים, חשוב גם להרחיב את הידע על מושגי התאורה המרכזיים האלה בעבודה עם תלת ממד. כך תוכלו לקבל הבנה טובה יותר לגבי אופן הפעולה של עיבוד מבוסס פיזיקה מנקודת מבט טכנית ולהעריך את נקודת המבט האמנותית גם כן. "הגישה הזאת עוזרת המון בעבודה המסובכת," מוסיף מקדרמוט, שמשתמש במתודולוגיה של עיבוד מבוסס פיזיקה לעיתים קרובות. "אני יכול להשקיע יותר זמן בעבודה היצירתית ולבנות דברים מגניבים".

לפרטים נוספים על עיבוד מבוסס פיזיקה, מומלץ לקרוא את המדריך לעיבוד מבוסס פיזיקה שנכתב על ידי ווס מקדרמוט בהוצאת Allegorithmic.