Mọi thứ bạn cần biết về kết xuất dựa trên vật lý.

Đối với nghệ sĩ kết cấu, việc hiểu cách các tia sáng tương tác với vật chất bề mặt là rất quan trọng vì công việc của họ là tạo ra các kết cấu mô tả bề mặt. Các kết cấu và vật liệu mà bạn tạo ra tương tác với ánh sáng trong thế giới ảo. Bạn càng hiểu tính chất của ánh sáng, thì kết cấu của bạn sẽ càng đẹp. 

Kết xuất dựa trên vật lý (PBR), đôi khi được gọi là đổ bóng dựa trên vật lý (PBS), là một phương pháp đổ bóng và kết xuất biểu diễn chính xác hơn cách ánh sáng tương tác với các đặc tính của vật liệu. Tùy thuộc vào khía cạnh của quy trình tạo mô hình 3D được thảo luận, PBS thường dành riêng cho các khái niệm đổ bóng trong khi PBR đề cập đến kết xuất và chiếu sáng. Cả hai thuật ngữ đều mô tả quá trình biểu diễn nội dung từ quan điểm chính xác về mặt vật lý.

Cho dù bạn làm việc với hệ thống kết xuất theo thời gian thực trong đồ họa máy tính hay sản xuất phim 3D, việc sử dụng phương pháp đổ bóng bằng kết xuất dựa trên vật lý sẽ cải thiện quy trình làm việc của bạn. 

• Nội dung trông như thật. PBR loại bỏ phỏng đoán trong việc tạo ra các thuộc tính bề mặt như độ trong suốt vì phương pháp luận và thuật toán của PBR dựa trên các công thức chính xác về mặt vật lý và giống với các vật liệu trong thế giới thực.
• Môi trường gắn kết. Bất kể hệ thống chiếu sáng được sử dụng, các nội dung khác sẽ luôn hoạt động trong môi trường PBR.
• Quy trình làm việc bền vững. PBR là quy trình làm việc được áp dụng rộng rãi để tạo ra các tác phẩm nghệ thuật nhất quán, ngay cả giữa những nghệ sĩ khác nhau. Wes McDermott, nhà sản xuất sáng tạo tại Adobe cho biết: “Phương pháp này giúp cắt giảm thời gian sản xuất, nhờ vậy “bạn có thể tập trung nhiều hơn vào tính sáng tạo của những gì bạn đang làm so với tính khoa học của những việc đó.” 

Khi làm việc trong quy trình PBR, nghệ sĩ phải lưu ý hệ số phản xạ cơ bản, hoặc lượng màu và ánh sáng phản chiếu tối thiểu.

"Phản xạ gương" nói đến ánh sáng bị phản xạ khỏi bề mặt. Tia sáng bị phản xạ ra khỏi bề mặt và truyền theo một hướng khác. Tia sáng tuân theo định luật phản xạ, trong đó nói rằng trên một bề mặt phẳng hoàn toàn, góc phản xạ bằng góc tới.

Tuy nhiên, hầu hết các bề mặt đều không đều và hướng phản xạ sẽ khác nhau dựa trên độ nhám của bề mặt. Điều này làm thay đổi hướng ánh sáng, nhưng cường độ ánh sáng không đổi.

Bề mặt thô ráp hơn sẽ có các điểm nổi bật lớn hơn và có vẻ mờ hơn. Các bề mặt mịn hơn sẽ giữ cho sự phản xạ gương được tập trung và chúng sẽ trông sáng hơn hoặc có cường độ cao hơn khi nhìn từ góc thích hợp.

Các thuật ngữ độ khuếch tán, khuếch tán ánh sáng, hoặc tán xạ dưới bề mặt đều mô tả hiệu ứng của ánh sáng được hấp thụ hoặc phân tán bên trong. Khi ánh sáng bị tán xạ, hướng tia thay đổi ngẫu nhiên và mức độ lệch phụ thuộc vào độ nhám bề mặt của vật liệu, vì bề mặt gồ ghề làm phân tán ánh sáng. Sự tán xạ ngẫu nhiên hóa hướng đi nhưng không thay đổi cường độ của ánh sáng. Đôi khi ánh sáng tán xạ có thể xuất hiện trở lại trên bề mặt và có thể nhìn thấy một lần nữa.

Vật liệu có cả thuộc tính tán xạ cao và hấp thụ thấp đôi khi được gọi là môi trường tham gia hoặc vật liệu trong mờ. Ví dụ về những vật liệu này là khói, sữa, da, ngọc bích và đá cẩm thạch.

Khi đi qua vật liệu trong mờ, ánh sáng có thể bị hấp thụ hoặc tán xạ. Khi ánh sáng bị hấp thụ, cường độ ánh sáng giảm dần vì biến đổi thành một dạng năng lượng khác, như nhiệt. Những thay đổi màu sắc này phụ thuộc vào bước sóng, nhưng hướng của tia sáng sẽ không thay đổi.

Nếu không có tán xạ và độ hấp thụ thấp, các tia sáng có thể truyền trực tiếp qua bề mặt, điều này đúng với thủy tinh. Hãy tưởng tượng bạn đang bơi trong một hồ bơi sạch. Bạn có thể mở mắt và nhìn qua làn nước trong vắt. Tuy nhiên, nếu hồ bơi đó khá bẩn, các hạt bụi bẩn sẽ tán xạ ánh sáng, làm giảm độ trong của nước và khoảng cách bạn có thể nhìn thấy.

Ánh sáng truyền đi càng xa trong vật liệu như vậy, thì càng bị hấp thụ và/hoặc bị tán xạ. Đó là lý do tại sao độ dày của đối tượng đóng vai trò quan trọng đối với mức độ hấp thụ hoặc tán xạ ánh sáng.

Hiệu ứng Fresnel, theo quan sát của nhà vật lý người Pháp Augustin-Jean Fresnel và được trích dẫn bởi giáo sư đồ họa Wenzel Jakob, nêu rõ rằng lượng ánh sáng phản xạ từ một bề mặt phụ thuộc vào góc nhìn được cảm nhận.

Một lần nữa, hãy tưởng tượng một hồ nước. Nếu bạn nhìn thẳng xuống, vuông góc với bề mặt, bạn có thể nhìn thấy tận đáy. Xem bề mặt theo cách này sẽ là ở góc không độ hoặc góc tới vuông góc. Nếu bạn nhìn vào hồ nước theo góc xiên, song song với bề mặt hơn, bạn sẽ thấy sự phản xạ gương trên mặt nước trở nên mạnh hơn, và bạn có thể không nhìn thấy bên dưới bề mặt.

Khi tiếp tục làm việc với các kết cấu, bạn sẽ muốn mở rộng kiến thức của mình về các khái niệm chiếu sáng 3D chính này. Chúng sẽ giúp bạn hiểu sâu hơn về cách PBR hoạt động từ góc độ kỹ thuật và đánh giá cao phương pháp này từ góc độ nghệ thuật. McDermott, người thường xuyên chuyển sang phương pháp PBR cho biết thêm: “Phương pháp này giúp bạn rất nhiều việc nặng nhọc. “Tôi có thể dành nhiều thời gian hơn để sáng tạo và làm ra những thứ trông thật bắt mắt.”

Để biết thêm thông tin về PBR, hãy xem Hướng dẫn về PBR do Wes McDermott biên soạn và được Allegorithmic xuất bản.