Allt du behöver veta om fysiskt baserad rendering (physically based rendering, PBR).

För texturskapare är det viktigt att förstå hur ljusstrålar interagerar med ytmaterial eftersom de skapar texturer som beskriver en yta. De texturer och material du tar fram interagerar med ljus i virtuella världar. Ju mer du förstår hur ljus beter sig, desto bättre kommer texturerna att bli. 

Fysiskt baserad rendering (PBR), kallas ibland fysiskt baserad skuggning (PBS), är en metod för skuggning och rendering som ger en mer exakt bild av hur ljus interagerar med materialegenskaper. Beroende på vilken aspekt av arbetsflödet för 3D-modellering vi talar om avser PBS vanligen specifikt skuggning, medan PBR avser rendering och belysning. Båda termerna beskriver processen återgivning av material ur en fysiskt korrekt synpunkt.

Oavsett om du arbetar med ett realtidsrenderingssystem inom datorgrafik eller 3D-filmproduktion kan du förbättra arbetsflödet genom att använda en fysiskt baserad renderingsmetod för skuggning.

• Material med realistiskt utseende Med PBR slipper man gissa när man skapar ytattribut som t.ex. transparens eftersom dess metodik och algoritmer är baserade på fysiskt noggranna formler och liknar verkliga material.
• Sammanhållna miljöer. Oavsett ljussystem kommer annat material alltid att fungera i en PBR-miljö.
• Hållbart arbetsflöde. PBR är ett vedertaget arbetsflöde för att skapa enhetliga resultat oavsett vem som tar fram dem. ”Det minskar produktionstiden”, säger Wes McDermott, kreatör på Adobe, så ”man kan fokusera mer på kreativiteten i det man gör kontra vetenskapen bakom det man gör.”

När man arbetar i ett PBR-flöde måste man notera basreflektansen eller minsta mängd färg och ljus som reflekteras.

”Spekulär reflektion” avser ljus som reflekteras från ytan. Ljusstrålen reflekteras från ytan och rör sig i en annan riktning. Den följer reflektionslagen, som säger att på en helt plan yta är reflektionsvinkeln lika med infallsvinkeln.

Men de flesta ytor är ju oregelbundna och den reflekterade riktningen varierar beroende på ytans grovhet. Detta ändrar ljusriktningen, men ljusintensiteten förblir konstant.

Grövre ytor kommer att ha starkt framträdande partier som är större och verkar mörkare. Slätare ytor håller spegelreflexer fokuserade, och de ser ljusare eller intensivare ut när de ses ur rätt vinkel.

Begreppen diffusion, diffust ljus eller ljusspridning i halvgenomskinliga ytor (SSS) beskriver effekten av ljus som har absorberats eller spridits internt. När ljus sprids ändras strålriktningen slumpmässigt och avvikelsens storlek beror på materialets ytojämnhet, eftersom grova ytor sprider ut ljuset. Spridningen randomiserar ljusets riktning men ändrar inte dess intensitet. Ibland kan det spridda ljuset återuppträda på ytan och bli synligt igen.

Material som har både hög spridning och låg absorption kallas ibland för deltagande media eller halvgenomskinliga material. Exempel: rök, mjölk, hud, jade och marmor.

När ljus passerar genom halvgenomskinligt material kan det absorberas eller spridas. När ljus absorberas minskar ljusintensiteten när det omvandlas till en annan form av energi, t.ex. värme. Dessa färgförändringar beror på våglängden, men strålens riktning ändras inte.

Om det inte finns någon spridning och absorptionen är låg kan strålar passera direkt genom ytan, vilket gäller för glas. Tänk dig att du simmar i en ren pool. Du kan öppna ögonen och se genom det klara vattnet. Men om samma pool är tämligen smutsig skulle smutspartiklarna sprida ljuset, sänka vattnets klarhet och begränsa sikten.

Ju längre ljuset färdas i ett sådant material, desto mer absorberas och/eller sprids det. Därför spelar objekttjockleken en nyckelroll i hur mycket ljuset absorberas eller sprids.

Fresnel-effekten, som observerats av den franske fysikern Augustin-Jean Fresnel och åberopas av grafikprofessorn Wenzel Jakob, säger att mängden ljus som reflekteras från en yta beror på betraktningsvinkeln vid vilken den uppfattas.

Tänk dig en vattenpöl. Om du tittar rakt ned, vinkelrätt mot ytan, kan du se ända ned till botten. Att se ytan på detta sätt skulle vara vid noll grader eller normal infallsvinkel, normal är då ytans normal. Om du tittar på vattenpölen mer parallellt med ytan, skulle du se de spegelvända reflektionerna på vattenytan bli mer intensiva, och du kanske inte kan se under ytan alls.

När du arbetar med texturer behöver du kunna mer om dessa viktiga ljuskoncept för 3D. De kommer att fördjupa din förståelse för hur PBR fungerar ur ett tekniskt perspektiv och hjälpa dig att uppskatta det också ur ett konstnärligt perspektiv. ”Det är till mycken stor hjälp”, tillägger McDermott, som ofta använder PBR-metodik. ”Jag kan lägga mer tid på att vara kreativ och göra coola grejer.”

Mer information om PBR finns i The PBR Guide av Wes McDermott, utgiven av Allegorithmic.