Усе, що потрібно знати про фізично коректний рендеринг

Художникам із розробки текстур важливо розуміти, як промені світла взаємодіють із матеріалом поверхні, оскільки їх робота полягає у створенні текстур, які відтворюють матеріал поверхні. У віртуальній реальності текстури й матеріали, які ви створюєте, також взаємодіють із світлом. Чим краще ви зрозумієте, як працює освітлення, тим краще виглядатимуть ваші текстури. 

Фізично коректний рендеринг (physically based rendering, PBR), також відомий як фізично коректний шейдинг (physically based shading, PBS), – це метод затінення й рендерингу, який дає більш точне уявлення про те, як світло взаємодіє з властивостями матеріалу. Залежно від того, який аспект процесу 3D-моделювання обговорюється, використовується відповідний метод: PBS стосується питань затінення, а PBR відповідає за рендеринг і освітлення. Обидва терміни описують процес відображення предметів із фізично точної позиції.

Незалежно від того, працюєте ви із системою візуалізації в режимі реального часу для створення комп’ютерної графіки чи 3D-кіно, використання методу затінення на основі фізичної моделі поліпшить робочий процес. 

• Реалістичні предмети. PBR більш точніше розраховує атрибути створеної розробником поверхні, як-от прозорість, оскільки його методологія та алгоритми базуються на фізично точних формулах і керуються даними про матеріали реального світу.
• Цілісні середовища. Незалежно від того, які системи освітлення використовуються, інші ресурси завжди працюватимуть у PBR-середовищі.
• Сталий робочий процес. PBR широко застосовується для створення стилістично узгоджених витворів мистецтва, навіть якщо над ними працюють кілька художників. «Це заощаджує час виробництва», – зазначає Уес МакДермот (Wes McDermott), креативний продюсер компанії Adobe, тому «ви можете більше зосередитися на творчому аспекті, аніж на процесі вивчення того, що ви робите». 

Під час роботи з PBR художник повинен звертати увагу на здатність до відбивання світла, або мінімальну кількість кольору й світла, що відбиваються.

«Дзеркальне відбиття» – це поняття, яке описує відбиття світла від поверхні. Світловий промінь відбивається від поверхні й рухається в іншому напрямку. Він підпорядковується закону відбиття, який стверджує, що на ідеально плоскій поверхні кут відбиття дорівнює куту падіння.

Утім, більшість поверхонь нерівні, а напрямок відбиття буде різним залежно від їх шорсткості. Змінюється напрямок світла, однак інтенсивність залишається сталою.

Грубі поверхні мають світлі ділянки, які є більшими й виглядають більш тьмяними. Більш гладкі поверхні будуть фокусувати дзеркальні відбиття й виглядатимуть яскравішими або інтенсивнішими, якщо на них дивитися з правильного кута.

Терміни дифузія, дифузне відбиття або підповерхневе розсіювання описують поведінку світла, яке поглинається або розсіюється всередині поверхні. При розсіяному світлі напрямок променів змінюється в довільний спосіб, а величина відхилення залежить від шорсткості матеріалу поверхні, оскільки шорсткі поверхні розсіюють світло. Розсіювання задає довільний напрямок світла, але не змінює його інтенсивності. Іноді розсіяне світло може знову з’явитися на поверхні, ще раз стаючи видимим.

Матеріали поверхонь, які мають високий коефіцієнт розсіювання і низький коефіцієнт поглинання, іноді називаються активними середовищами або напівпрозорими матеріалами. Прикладами таких матеріалів є дим, молоко, шкіра, нефрит і мармур.

При проходженні через напівпрозорий матеріал світло може поглинатися або розсіюватися. Коли світло поглинається, його інтенсивність зменшується, оскільки воно перетворюється в іншу форму енергії, наприклад тепло. Ці зміни кольору залежать від довжини хвилі, але напрямок променів залишається без змін.

Якщо розсіювання не відбувається й коефіцієнт поглинання низький, то промені можуть проходити безпосередньо через поверхню (як-от скло). Уявіть, що ви плаваєте в чистому басейні. Ви можете відкрити очі й дивитися крізь чисту воду. Однак, якби той самий басейн був надто брудним, частинки бруду розсіювали б світло, знижуючи прозорість води й видимість під нею.

Чим далі світло поширюється в такому матеріалі, тим більше воно поглинається та (або) розсіюється. Саме тому щільність об’єкта відіграє ключову роль у тому, наскільки світло поглинається або розсіюється.

Згідно з ефектом Френеля, який дослідив французький фізик Огюстен Жан Френель (Augustin-Jean Fresnel) і зацитував професор із графіки Вензель Якоб (Wenzel Jakob), кількість світла, відбитого від поверхні, залежить від кута огляду, за якого воно сприймається.

Знову уявіть, що ви плаваєте в басейні. Якщо дивитися просто вниз, перпендикулярно до поверхні, ви можете побачити дно. При цьому ви дивитеся на поверхню під нульовим кутом, тобто в умовах нормального падіння променів. Якщо ви подивитесь на басейн із водою під «ковзним кутом», більш паралельно до поверхні, то побачите, що дзеркальне відбиття на поверхні води стає більш інтенсивним і ви взагалі не зможете побачити дно.

У міру того, як ви продовжуватимете працювати з текстурами, ви захочете розширити свої знання із цих ключових понять 3D-освітлення. Вони поглиблять ваше розуміння того, як працює PBR із технічної точки зору й допоможуть застосувати його в мистецтві. «Це набагато спрощує роботу», – додає МакДермотт, який часто покладається на методологію PBR. «Я можу витрачати більше часу на творчість і створення речей, які виглядають класно».

Докладніше про PBR можна дізнатися в Посібнику з PBR, написаному Уесом МакДермотом і опублікованому компанією Allegorithmic.