Всё, что нужно знать о физически корректном рендеринге

Художникам, работающим с текстурами, важно понимать, как лучи света взаимодействуют с материалом поверхности, поскольку их задача заключается в создании текстур, которые эту поверхность описывают. Текстуры и материалы, которые вы создаете, взаимодействуют со светом в виртуальном мире. Чем больше вы знаете о поведении света, тем лучше выглядят ваши текстуры. 

Общие сведения о физически корректном рендеринге 

Физически корректный рендеринг (PBR), иногда называемый физически корректным затенением (PBS), — это метод затенения и рендеринга, который позволяет точнее представить, как свет взаимодействует с материалами в зависимости от их свойств. При этом термин PBS обычно относится к концепциям затенения, а PBR — к рендерингу и освещению. Оба термина описывают процесс физически корректного представления объектов.

В компьютерной графике и кинопроизводстве использование физически корректного затенения может улучшить процесс рендеринга в реальном времени. 

что такое pbr

Чего можно достичь с помощью PBR

  • Реалистичные объекты. Благодаря использованию PBR вам больше не придется строить догадки относительно атрибутов поверхности, например прозрачности, поскольку методы и алгоритмы PBR основаны на физически точных формулах и используют свойства реальных материалов.
  • Связующие среды. Независимо от используемых систем освещения, объекты всегда будут работать в среде PBR.
  • Ускоренный рабочий процесс. PBR — это широко распространенный рабочий процесс создания единообразного творческого проекта, даже если в нем участвует несколько авторов. «Этот метод позволяет сократить время производства, — считает Уэс Макдермотт (Wes McDermott), креативный продюсер в Adobe, — поэтому вы можете сосредоточиться на творчестве, а не тратить время на расчеты». 

PBR и фотореализм

Изображения, созданные в жанре фотореализма, выглядят как фотографии. Аналогичным образом назначение PBR состоит в том, чтобы обеспечить точное представление о взаимодействии света с объектами. Именно PBR может повлиять на впечатление от вашего проекта.

Создавая сюжеты, похожие на реальные, вы помогаете зрителю полностью погрузиться в происходящее. «PBR создает реальное окружение, которое позволяет зрителю полностью сосредоточиться на сюжете», — говорит Макдермотт. Если зрители видят то, что выглядит как подделка, они теряют интерес. 

диффузия pbr

Диффузия и прозрачность

При работе с PBR художник должен знать отражательную способность поверхности или минимальное значение цвета и отражаемого света.

«Зеркальное отражение» относится к свету, отраженному от поверхности. Луч света преломляется и перемещается в другом направлении в соответствии с законом отражения, по которому на идеально плоской поверхности угол отражения равен углу падения.

Однако большинство поверхностей неровные, и направление отражения луча будет зависеть от их шероховатости. При этом интенсивность света остается постоянной.

Более шероховатая поверхность отличается более крупными и тусклыми светлыми областями. Более гладкие поверхности сохраняют зеркальное отражение, а также выглядят ярче или интенсивнее при просмотре под нужным углом.

Термины диффузия, диффузный свет и подповерхностное рассеивание описывают эффект поглощения света или внутреннего рассеяния света. При рассеянии света направление луча изменяется случайным образом, а величина отклонения зависит от шероховатости поверхности материала, поскольку неровные поверхности рассеивают свет. Рассеяние изменяет направление света, но не его интенсивность. Иногда рассеянный свет может снова появиться на поверхности и снова стать видимым.

Материалы с высоким рассеянием и низким поглощением иногда называют участвующими средами или прозрачными материалами. Примеры таких материалов: дым, молоко, кожа, нефрит и мрамор.

При прохождении сквозь прозрачный материал свет может поглощаться или рассеиваться. При поглощении интенсивность света уменьшается, он преобразуется в другую форму энергии, например в тепло. Эти изменения цвета зависят от длины волны, но направление луча не изменяется.

Если рассеяния нет, а поглощение невелико, лучи могут проходить прямо сквозь поверхность — как через стекло. Представьте себе, что плывете в бассейне с прозрачной водой. Вы можете открыть глаза под водой и увидеть, что происходит вокруг. Но если вода в бассейне грязная, то частицы грязи будут рассеивать свет, ухудшая прозрачность воды и снижая видимость.

Чем дальше свет проходит в таком материале, тем больше он поглощается и/или рассеивается. Поэтому толщина объекта играет ключевую роль в в том, насколько велико поглощение или рассеяние света.

Эффект Френеля

Согласно наблюдениям французского физика Огюстена Жана Френеля (Augustin-Jean Fresnel), которого цитирует профессор в области графики Венцель Якоб (Wenzel Jakob), чем меньше угол между линией вашего взгляда и поверхностью, тем более интенсивным будет выглядеть отражение света от этой поверхности, и наоборот.

Снова представьте себе бассейн с водой. Если вы будете смотреть в воду перпендикулярно, то увидите дно. Это будет просмотр под нулевым углом или при нормальном падении света, нормалью будет перпендикуляр к поверхности воды. Если же вы будете смотреть на поверхность под острым углом, скорее, параллельно ей, вы заметите, что зеркальные отражения на поверхности воды стали интенсивнее, и, возможно, вы вообще ничего не увидите в воде.

Работая с текстурами, вы постепенно расширите свои знания о ключевых концепциях освещения в 3D. Вы лучше поймете PBR с технической и художественной точек зрения. «Этот метод упростил для нас решение множества сложных задач, — добавляет Макдермотт, который часто использует PBR в своей работе. — Теперь я могу больше времени посвятить творчеству и созданию классных проектов».

Для получения дополнительной информации о PBR ознакомьтесь с руководством по PBR, написанным Макдермоттом и опубликованным компанией Allegorithmic.