Alt du trenger å vite om fysisk basert gjengivelse.

For teksturkunstnere er det viktig å forstå hvordan lysstråler samhandler med overflatemateriale, fordi jobben er å opprette teksturer som beskriver en overflate. Teksturene og materialene du oppretter, samhandler med lyset i den virkelige verden. Jo mer du forstår om lysets atferd, jo bedre kommer teksturene til å se ut. 

Fysisk basert gjengivelse (PBR), av og til kalt fysisk basert skyggelegging (PBS – Physically Based Shading), er en metode for skyggelegging og gjengivelse som gir en mer nøyaktig fremstilling av hvordan lys samhandler med materialegenskaper. Avhengig av hvilket aspekt av 3D-modelleringsarbeidsflyten det dreier seg om, er PBS vanligvis forbeholdt skyggeleggingskonsepter, mens PBR viser til gjengivelse og belysning. Begge begrepene beskriver prosessen med å representere ressurser fra et fysisk nøyaktig ståsted.

Bruk av en fysisk basert gjengivelsesmetode for skyggelegging forbedrer arbeidsflyten, uansett om du arbeider med et sanntidsbasert gjengivelsessystem innen datagrafikk eller 3D-filmproduksjon. 

• Realistiske ressurser. Med PBR unngår du gjetninger når du skal opprette overflateattributter som for eksempel gjennomsiktighet, ettersom metodikken og algoritmene er basert på fysisk nøyaktige formler og ligner materialer i den virkelige verden.
• Sammenhengende miljøer. Uansett hvilke belysningssystemer som er i bruk, så vil andre ressurser alltid fungere i et PBR-miljø.
• Bærekraftig arbeidsflyt. PBR er en utbredt arbeidsflyt for oppretting av enhetlige kunstverk, også mellom ulike kunstnere. "Produksjonstiden reduseres", sier Wes McDermott, kreativ produsent hos Adobe, slik at "du kan fokusere mer på kreativiteten enn vitenskapen i det du gjør". 

Når en kunstner arbeider i en PBR-arbeidsflyt, må vedkommende notere seg grunnreflektiviteten, eller den minimale mengden farge og lys som reflekteres.

"Speilrefleksjon" viser til lys som er reflektert bort fra overflaten. Lysstrålen reflekteres bort fra overflaten og sendes i en annen retning. Den følger refleksjonsloven, som sier at refleksjonsvinkelen på en fullstendig plan overflate er lik forekomstvinkelen.

De fleste overflater er imidlertid uregelmessige, og den reflekterte retningen varierer basert på overflatens ujevnhet. Dette endrer lysretningen, men lysstyrken forblir konstant.

Mer ujevne overflater har uthevinger som er større og ser svakere ut. Glattere overflater holder speilrefleksjonene fokusert, og de ser lysere eller mer intense ut når de vises fra riktig vinkel.

Begrepene diffusjon, diffust lys og spredning under overflaten beskriver effekten til lys som er absorbert eller spredt internt. Når lys spres, endres stråleretningen tilfeldig, og avviksmengden avhenger av hvor ujevn materialets overflate er, ettersom ujevne overflater sprer lyset. Spredning randomiserer lysets retning, men endrer ikke styrken. Noen ganger kan det spredte lyset dukke opp igjen på overflaten, slik at det blir synlig igjen.

Materialer som har både høy spredning og lav absorpsjon, kalles av og til gjennomskinnelige medier eller materialer. Eksempler på disse er røyk, melk, hud, jade og marmor.

Når lys passerer gjennom et gjennomskinnelig materiale, kan det absorberes eller spres. Når lys absorberes, reduseres lysstyrken når det omdannes til en annen form for energi, for eksempel varme. Disse fargeendringene avhenger av bølgelengden, men strålens retning endres ikke.

Hvis det ikke er spredning og absorpsjonen er lav, kan strålene passere direkte gjennom overflaten. Dette gjelder blant annet for glass. Se for deg at du svømmer i et rent basseng. Du kan åpne øynene og se gjennom det klare vannet. Hvis imidlertid det samme bassenget er ganske skittent, vil skittpartiklene spre lyset og redusere vannets klarhet og sikt.

Jo lenger lyset beveger seg i et slikt materiale, jo mer absorberes og/eller spres det. Det er grunnen til at objektets tykkelse spiller en viktig rolle for hvor mye lyset absorberes eller spres.

Fresnel-effekten, som observert av den franske fysikeren Augustin-Jean Fresnel og omtalt av grafikkprofessoren Wenzel Jakob, sier at mengden lys som reflekteres fra en overflate, avhenger av visningsvinkelen den oppfattes i.

Se nok en gang for deg et vannbasseng. Hvis du ser rett ned, vinkelrett på overflaten, kan du se helt ned til bunnen. Når du ser slik på overflaten, er dette i en vinkel på null grader eller normal forekomst, hvor normal betyr overflatenormalen. Hvis du ser på vannbassenget fra en spiss vinkel, nesten parallelt med overflaten, ser du at speilrefleksjonene på vannets overflate blir mer intense, og det er ikke sikkert at du kan se under overflaten i det hele tatt.

Etter hvert som du fortsetter å arbeide med teksturer, vil du utvide kunnskapen om disse sentrale konseptene innen 3D-belysning. Du får en dypere forståelse av hvordan PBR fungerer fra et teknisk perspektiv, og du setter også mer pris på det fra et kunstnerisk perspektiv. "Mye av arbeidet blir gjort for deg", tilføyer McDermott, som ofte tar i bruk PBR-metodikken. "Jeg kan bruke mer tid på å være kreativ og lage ting som ser kule ut".

Hvis du vil ha mer informasjon om PBR, kan du ta en kikk i The PBR Guide, skrevet av Wes McDermott og publisert av Allegorithmic.