Viskas, ką reikia žinoti apie fiziškai pagrįstą atvaizdavimą (angl. „Physically Based Rendering“ – PBR).

Su tekstūromis dirbantiems menininkams svarbu suprasti, kaip šviesos spinduliai sąveikauja su paviršiumi, nes jų užduotis yra sukurti tekstūras, kurios apibūdina paviršių. Jų sukurtos tekstūros ir medžiagos sąveikauja su šviesa virtualiuose pasauliuose. Kuo geriau menininkas supranta šviesos poveikį, tuo geriau atrodo jo sukurtos tekstūros. 

Fiziškai pagrįstas atvaizdavimas (PBR), kartais vadinamas fiziškai pagrįstu šešėliavimu (angl. „Physically Based Shading“ – PBS) – šešėliavimo ir atvaizdavimo būdas, pateikiantis tikslesnį paaiškinimą, kaip šviesa sąveikauja su medžiagos ypatybėmis. Atsižvelgiant į tai, kuris 3D modeliavimo darbo eigos veiksnys yra aptariamas, PBS paprastai yra būdingas šešėliavimo koncepcijoms, o PBR – atvaizdavimui ir apšvietimui. Abu terminai apibūdina procesą, kuriuo ištekliai perteikiami iš fiziškai tikslios perspektyvos.

Nesvarbu, ar dirbate su atvaizdavimo realiuoju laiku sistema kompiuterinėje grafikoje, ar 3D filmų gamyboje, šešėliavimui naudojant fiziškai pagrįstą atvaizdavimo metodą pagerėja darbo eiga.

• Tikroviškai atrodantys ištekliai. PBR pašalina spėliones kuriant paviršiaus atributus, tokius kaip skaidrumas, nes ši metodika ir algoritmai yra pagrįsti fiziškai tiksliomis formulėmis ir primena realaus pasaulio medžiagas.
• Nuoseklios aplinkos. Nesvarbu, kokios apšvietimo sistemos yra naudojamos, kiti ištekliai visada veiks PBR aplinkoje.
• Tvari darbo eiga. PBR yra plačiai taikoma darbo eiga, kai norima sukurti nuoseklų meno kūrinį, net jei dirba skirtingi menininkai. „Taip trumpėja gamybos laikas“, – teigia Wes McDermott, „Adobe“ kūrybos vadovas, – „todėl galima daugiau dėmesio skirti kūrybiniams darbo veiksniams, nesusitelkiant į mokslinius atliekamo darbo veiksnius.“ 

PBR darbo eigoje menininkas turi atkreipti dėmesį į bazinį atspindėjimą arba minimalų spalvos kiekį ir atspindėtą šviesą.

„Veidrodinis atspindys“ nurodo paviršiaus atspindėtą šviesą. Paviršiuje atsispindėjęs šviesos spindulys ima keliauti kita kryptimi. Jis paklūsta atspindžio dėsniui, kuris teigia, kad visiškai plokščiame paviršiuje atspindžio kampas yra lygus spindulio kritimo kampui.

Tačiau dauguma paviršių nėra visiškai lygūs, todėl atspindžio kryptis skirsis pagal paviršiaus nelygumus. Tai pakeičia šviesos kryptį, tačiau šviesos intensyvumas išlieka pastovus.

Grubesniuose paviršiuose bus paryškinimų, kurie yra didesni ir atrodo tamsesni. Lygesniuose paviršiuose veidrodiniai atspindžiai liks sufokusuoti ir atrodys ryškesni arba intensyvesni, kai į juos bus žiūrima iš tam tikro kampo.

Terminai difuzija, išsklaidyta šviesa arba sklaida po paviršiumi apibūdina sugertos arba viduje išsklaidytos šviesos efektą. Kai šviesa yra išsklaidoma, spindulio kryptis pasikeičia atsitiktine tvarka, o nukrypimo laipsnis priklauso nuo medžiagos paviršiaus grubumo, nes grubūs paviršiai išsklaido šviesą. Dėl išsklaidymo šviesa pasklinda atsitiktine kryptimi, tačiau jos intensyvumas nepasikeičia. Kartais išsklaidyta šviesa gali vėl pasirodyti ant paviršius ir vėl būti matoma.

Medžiagos, kurios pasižymi didele sklaida ir maža sugertimi, kartais vadinamos dalyvaujančia terpe arba permatomomis medžiagomis. Pavyzdžiui, dūmai, pienas, oda, nefritas ir marmuras.

Per permatomą medžiagą pereinanti šviesa gali būti sugerta arba išsklaidyta. Kai šviesa sugeriama, šviesos intensyvumas sumažėja, nes ji transformuojasi į kitą energijos formą, pvz., šilumą. Šie spalvų pasikeitimai priklauso nuo bangų ilgio, bet spindulio kryptis nepasikeičia.

Jei nėra išsklaidymo ir sugertis yra maža, spinduliai gali pereiti paviršių kiaurai. Tai yra būdinga stiklui. Įsivaizduokite, kad plaukiojate švariame baseine. Galite atmerkti akis ir matyti žiūrėdami per švarų vandenį. Tačiau, jei tas pats baseinas būtų nešvarus, nešvarumų dalelės išsklaidytų šviesą, sumažintų vandens skaidrumą ir nulemtų tai, kaip toli galite matyti.

Kuo toliau šviesa keliauja medžiaga, tuo labiau ji sugeriama ir (arba) išsklaidoma. Štai kodėl objektų storis yra ypač svarbus tam, kiek šviesos bus sugerta arba išsklaidyta.

Frenelio efektas, atrastas prancūzų fiziko Augustin-Jean Fresnel, kurį citavo grafikos profesorius Wenzel Jakob, teigia, kad nuo paviršiaus atspindėtos šviesos kiekis priklauso nuo žiūrėjimo kampo, kuriuo jis suvokiamas.

Pabandykite vėl įsivaizduoti vandens baseiną. Jei žiūrėsite tiesiai žemyn, statmenai paviršiui, matysite kiaurai iki dugno. Tokiu būdu į paviršių žiūrima nulinio laipsnio kampu arba įprastu spindulio kritimo kampu, įprastu, kai paviršius yra įprastas. Jei į vandens baseiną pažvelgtumėte žemu spindulių kritimo kampu, lygiagrečiu paviršiui, pamatytumėte, kad atspindžiai vandens paviršiuje tampa intensyvesni ir galbūt iš viso nepamatytumėte žemiau paviršiaus.

Toliau dirbdami su tekstūromis norėsite įgyti daugiau žinių apie šias pagrindines 3D apšvietimo koncepcijas. Tai pagilins jūsų supratimą apie tai, kaip veikia PBR žvelgiant iš techninės perspektyvos ir padės jums tai įvertinti meniniu požiūriu. „Tai atliks daug sudėtingo darbo už jus“, – priduria McDermott, kuris dažnai naudojasi PBR metodologija. „Aš galiu daugiau laiko skirti kūrybai ir kurti šaunius dalykus.“

Jei reikia daugiau informacijos apie PBR, peržiūrėkite PBR vadovą, kurį parašė Wes McDermott, o paskelbė „Allegorithmic“.