Viss, kas jums jāzina par fizikas likumiem atbilstošu atveidošanu

Faktūru māksliniekiem ir svarīgi saprast, kā gaismas stari mijiedarbojas ar virsmas materiālu, jo viņu uzdevums ir radīt faktūras, kas raksturo virsmu. Jūsu radītās faktūras un materiāli mijiedarbojas ar gaismu virtuālajās pasaulēs. Jo labāk izpratīsit, kā darbojas gaisma, jo labāk izskatīsies jūsu faktūras. 

Fizikas likumiem atbilstoša atveidošana, reizēm saukta arī par fizikas likumiem atbilstošu ēnošanu (Physically based shading — PBS), ir ēnošanas un atveidošanas metode, kas sniedz precīzāku priekšstatu par to, kā gaisma mijiedarbojas ar materiāla īpašībām. Atkarībā no tā, kurš 3D modelēšanas darbplūsmas aspekts tiek apspriests, PBS parasti attiecas uz ēnošanas koncepcijām, savukārt PBR attiecas uz atveidošanu un apgaismojumu. Abi termini apraksta procesu, kad resursi tiek attēloti fiziski precīzā veidā.

Neatkarīgi no tā, vai strādājat ar reālā laika atveidošanas sistēmu datorgrafikā vai 3D filmu producēšanā, ēnošana, izmantojot fizikas likumiem atbilstošas atveidošanas metodi, uzlabos jūsu darbplūsmu. 

• Reālistiska izskata resursi. PBR novērš minējumus, radot virsmas atribūtus, piemēram, caurspīdīgumu, jo tās metodoloģija un algoritmi ir balstīti uz fizikāli precīzām formulām un līdzinās reālās pasaules materiāliem.
• Saskanīgas vides. Neatkarīgi no izmantotajām apgaismojuma sistēmām citi resursi vienmēr darbosies PBR vidē.
• Ilgtspējīga darbplūsma. PBR ir plaši izmantota darbplūsma, lai veidotu viendabīgus mākslas darbus pat starp dažādiem māksliniekiem. “Tas saīsina ražošanas laiku,” saka Vess Makdermots (Wes McDermott), Adobe radošais producents, un “jūs varat vairāk koncentrēties uz sava darba radošo, nevis zinātnisko pusi.”

Strādājot ar PBR darbplūsmu, māksliniekam ir jāņem vērā pamata atstarošanas spēja jeb minimālais atstarotās krāsas un gaismas daudzums.

“Spoguļattēls” attiecas uz gaismu, kas ir atstarota no virsmas. Gaismas stars tiek atstarots no virsmas un pārvietojas citā virzienā. Te darbojas atstarošanas likums, kas nosaka, ka uz pilnīgi līdzenas virsmas atstarošanas leņķis ir vienāds ar krišanas leņķi.

Tomēr lielākā daļa virsmu ir neregulāras, un atstarotais virziens mainās atkarībā no virsmas raupjuma. Tas izmaina gaismas virzienu, bet gaismas intensitāte paliek nemainīga.

Rupjākām virsmām būs lielāki un blāvāki izgaismojumi. Uz gludākām virsmām spoguļattēli būs koncentrēti, un, skatoties no pareizā leņķa, tie šķitīs spilgtāki vai intensīvāki.

Termini difūzija, izkliedēta gaisma vai zemvirsmas izkliede visi apraksta iekšēji absorbētas vai izkliedētas gaismas ietekmi. Kad gaisma tiek izkliedēta, staru virziens mainās nejauši, un novirzes lielums ir atkarīgs no materiāla virsmas raupjuma, jo raupjas virsmas izkliedē gaismu. Izkliedēšana izmaina gaismas virzienu pēc nejaušības principa, bet nemaina tās intensitāti. Dažkārt izkliedētā gaisma var atkal parādīties uz virsmas un kļūt atkal redzama.

Materiālus, kuriem ir gan augsta izkliedes spēja, gan zema absorbcija, dažkārt dēvē par aktīvām vidēm vai caurspīdīgiem materiāliem. Piemēram, dūmi, piens, āda, nefrīts un marmors.

Ejot cauri caurspīdīgam materiālam, gaisma var tikt absorbēta vai izkliedēta. Kad gaisma tiek absorbēta, gaismas intensitāte samazinās, jo tā pārvēršas citā enerģijas veidā, piemēram, siltumā. Šīs krāsas izmaiņas ir atkarīgas no viļņa garuma, bet stara virziens nemainās.

Ja nav izkliedes un absorbcija ir zema, stari var plūst tieši cauri virsmai, kā tas ir stikla gadījumā. Iedomājieties, ka peldaties tīrā baseinā. Jūs varētu atvērt acis un redzēt cauri dzidrajam ūdenim. Bet, ja baseina ūdens būtu diezgan netīrs, netīrumu daļiņas izkliedētu gaismu, samazinot ūdens dzidrumu un redzamības attālumu.

Jo tālāk gaisma pārvietojas šādā materiālā, jo vairāk tā tiek absorbēta un/vai izkliedēta. Tādēļ objekta biezumam ir būtiska nozīme, cik lielā mērā gaisma tiek absorbēta vai izkliedēta.

Frenela efekts, ko novērojis franču fiziķis Ogistēns Žans Frenels (Augustin-Jean Fresnel) un citējis grafikas profesors Venzels Jakobs (Wenzel Jakob), nosaka, ka no virsmas atstarotās gaismas daudzums ir atkarīgs no leņķa, kādā tā tiek uztverta.

Vēlreiz iztēlojieties ūdens baseinu. Ja jūs skatītos taisni uz leju, perpendikulāri virsmai, jūs varētu redzēt līdz pat dibenam. Skatoties uz virsmu šādā veidā, tas būtu nulle grādu vai normālā krišanas leņķī, kur normāls ir virsmas normālais. Ja jūs skatītos uz ūdens baseinu lēzenā leņķī, t.i., vairāk paralēli ūdens virsmai, jūs redzētu, ka spoguļattēli uz ūdens virsmas kļūtu intensīvāki, un jūs, iespējams, zem ūdens virsmas nespētu saskatīt neko.

Turpinot strādāt ar faktūrām, jūs vēlēsieties papildināt zināšanas par šīm galvenajām 3D apgaismojuma koncepcijām. Tās padziļinās jūsu izpratni par PBR darbību no tehniskā viedokļa un palīdzēs jums to novērtēt arī no mākslinieciskā viedokļa. “Tā paveic lielu daļu grūtākā darba jūsu vietā,” piebilst Makdermots, kurš bieži izmanto PBR metodoloģiju. “Es varu vairāk laika veltīt radošai darbībai un veidot lietas, kas izskatās forši.”

Plašāku infromāciju par PBR skatiet rakstāThe PBR Guide, ko sarakstījis Vess Makdermots un publicējis Allegorithmic.