Všetko, čo potrebujete vedieť o fyzikálne založenom vykresľovaní.

Chápanie interakcie svetla s povrchmi je pre umelcov tvoriacich textúry dôležitou súčasťou práce, pretože ich úlohou je tvorba textúr popisujúcich povrchy. Textúry a materiály, ktoré vytvoríte, prichádzajú vo virtuálnom svete do kontaktu so svetlom. Čím lepšie chápete správanie svetla, tým lepšie budú vaše textúry vyzerať. 

Fyzikálne založené vykresľovanie (PBR) sa niekedy zvykne nazývať aj fyzikálne založené tieňovanie (PBS). Je to spôsob tieňovania a vykresľovania poskytujúci presnejšie zobrazenie interakcií svetla s vlastnosťami materiálov. V závislosti od toho, ktorý aspekt 3D modelovania je práve predmetom diskusie, sa PBS zvyčajne vzťahuje na koncepty týkajúce sa tieňovania, kým PBR na vykresľovanie a osvetlenie. Oba termíny opisujú proces tvorby dátových zdrojov z fyzikálne presného uhla pohľadu.

Bez ohľadu na to, či pracujete so systémom na vykresľovanie v reálnom čase v oblasti počítačovej grafiky alebo 3D filmovej produkcie, využívanie fyzikálne založeného vykresľovania a tieňovania vašu prácu nepochybne zlepší.

• Realisticky pôsobiace výtvory. Vďaka PBR pri tvorbe vlastností, ako je napríklad priesvitnosť, už viac nemusíte pracovať metódou pokusu a omylu, pretože metodológia a algoritmy využívané touto technológiou vychádzajú z fyzikálne presných vzorcov a pripomínajú skutočné materiály.
• Kompaktné prostredia. Bez ohľadu na to, aké používate systémy osvetlenia, ostatné dátové zdroje budú v prostredí s PBR vždy fungovať.
• Udržateľné pracovné postupy. PBR je všeobecne prijímaným postupom tvorby umeleckých diel konštantnej kvality dokonca aj medzi rôznymi umelcami. „Skracuje to čas produkcie,“ uvádza Wes McDermott, kreatívny producent v spoločnosti Adobe, „takže sa môžete viac sústrediť na kreatívne stvárnenie toho, čo práve robíte, namiesto toho, aby ste si lámali hlavu vedou, čo sa za tým skrýva.“

Umelci musia mať pri práci s PBR neustále na pamäti základnú reflektivitu, teda minimálne množstvo odrazenej farby a svetla.

Výraz „zrkadlový odraz“ označuje svetlo odrazené od povrchu. Svetelný lúč sa odráža od povrchu a pokračuje ďalej iným smerom. Riadi sa pri tom zákonom odrazu, ktorý znie, že uhol dopadu sa na dokonale rovnom povrchu rovná uhlu odrazu.

Väčšina povrchov však nie je dokonale rovná, čo znamená, že smer odrazu bude závisieť od drsnosti povrchu. Zmení sa teda smer putovania svetla, no nie jeho intenzita.

Na drsnejších povrchoch vzniknú svetlejšie časti, ktoré budú pôsobiť väčšie a nejasnejšie. Zrkadlové odrazy na hladších povrchoch sa toľko nerozptýlia a pri pohľade zo správneho uhla budú pôsobiť jasnejšie a intenzívnejšie.

Pojmy rozptyl, rozptýlené svetlo alebo povrchový rozptyl popisujú efekt rozptýleného či pohlteného svetla. Pri rozptýlení svetla sa náhodne mení smer putovania jeho lúčov, veľkosť odchýlky pritom závisí od drsnosti povrchu materiálu, pretože drsné povrchy svetlo rozptyľujú. Rozptyl svetla náhodne mení smer putovania jeho lúčov, no nemení jeho intenzitu. Občas sa môže stať, že sa rozptýlené svetlo opäť objaví na povrchu, takže sa opätovne zviditeľní.

Materiály s vysokým rozptylom a nízkym pohlcovaním svetla označujeme ako priesvitné materiály. Do tejto skupiny zaraďujeme dym, mlieko, nefrit či mramor.

Svetlo sa pri prechode priesvitným materiálom môže pohltiť alebo rozptýliť. Pri pohlcovaní svetla klesá jeho intenzita, pretože sa premieňa na iný typ energie, napríklad na teplo. Zmena farby svetla závisí od jeho vlnovej dĺžky, smer lúčov sa však nemení.

Ak sa svetlo nerozptyľuje a miera jeho pohlcovania je nízka, lúče môžu preniknúť priamo skrz povrch – platí to napríklad pri skle. Predstavte si, že plávate v čistom bazéne. Ak pod hladinou otvoríte oči, cez čistú vodu uvidíte. Ak by však voda bola špinavá, nečistoty by rozptyľovali svetlo a znižovali by čistotu vody, čím by skracovali vzdialenosť, na ktorú dovidíte.

Čím ďalej svetlo putuje takýmto materiálom, tým viac sa rozptyľuje a/alebo pohlcuje. Pri určovaní množstva pohlteného alebo rozptýleného svetla je preto kľúčovým parametrom hrúbka objektu.

Fresnelov efekt popísal francúzsky fyzik Augustin-Jean Fresnel a uvádza ho Wenzel Jakob, profesor v oblasti grafiky. Efekt možno zhrnúť takto: množstvo svetla odrážaného povrchom závisí od uhla, z ktorého povrch pozorujeme.

Skúste si znovu predstaviť bazén plný vody. Ak sa pozriete priamo nadol, kolmo na dno, uvidíte až na dno. Pozorovanie povrchu týmto spôsobom znamená pozorovanie lúčov odrážajúcich sa pod uhlom nula stupňov (lúče sa odrážajú od hladiny vody). Ak by ste sa na hladinu pozerali pod ostrým uhlom, bližšie k hladine, zistili by ste, že zrkadlové odrazy od hladiny vody naberajú na intenzite, takže by vám mohli úplne znemožniť pohľad pod hladinu.

Čím dlhšie budete pracovať s textúrami, tým viac by ste si mali prehlbovať znalosti o takýchto konceptoch 3D osvetlenia. Prehĺbia vám vedomosti o tom, ako PBR funguje po technickej stránke, a vy tak budete môcť lepšie oceniť aj stránku umeleckú. „Urobí to za vás kopu ťažkej práce,“ dodáva McDermott, častý používateľ fyzikálne založeného vykresľovania. „Môžete tak stráviť viac času tvorením a výrobou vecí lahodiacich oku.“

Ak máte záujem o ďalšie informácie týkajúce sa PBR, prečítajte si príručku o PBR. Jej autorom je Wes McDermott, vydáva ju spoločnosť Allegorithmic.