Що таке pbr фізично коректний рендеринг і шейдинг

СВІТЛО І МАТЕРІАЛ

Теорія фізично коректного рендеринга і шейдинга

Світло - це складне явище, що проявляє властивості як хвиль, так і часток. В результаті, були створені різні моделі опису поведінки світла. Як художникам за текстурою, нам цікава Променева модель світу, так як вона показує взаємодію світла і матеріалу. Для нас важливо розуміти, як промені взаємодіють з поверхнею матеріалу тому, що наше завдання створити текстуру, коректно відображає поверхню. Матеріали і текстури, які ми створюємо, взаємодіють зі світлом в нашому віртуальному світі, і чим більше ми знаємо про поведінку світла, тим краще будуть виглядати наші текстури.

У цьому посібнику, ми обговоримо теорію, на якій базуються фізично коректний рендеринг. Ми почнемо розбиратися з того, що є промінь світла і зупинимося на ключових моментах PBR.

У Променевої моделі світла сказано, що промінь світла має траєкторію прямої лінії в однорідної прозорому середовищі, наприклад повітря. Також, в ній йдеться про те, що промінь буде вести себе передбачувано, коли зіткнеться з поверхнею непрозорого об'єкта, або проходячи крізь повітряне або водний простір. Це дає можливість візуалізувати шлях, яким ітиме промінь, так як він рухається від початкової точки туди, де він, в кінцевому підсумку, змінюється в інший вид енергії, наприклад в тепло.

Луч, який стикається з поверхнею, називають падаючий промінь. і кут, під яким він падає, називається кут падіння. як показано на малюнку 01.

Промінь світла опускається на плоску поверхню між двома середовищами.

Коли промінь світла стосується поверхні, трапляються дві речі, або одна з них:

Промінь світла відбивається від поверхні і йде в інший бік. Це відбувається відповідно до закону відображення, в якому говориться, що кут відбиття дорівнює куту падіння.
Промінь світла проходить з одного середовища в іншу по прямолінійній траєкторії.

Таким чином, ми можемо стверджувати, що світловий промінь розділяється на два напрямки: відображення і переломлення. Якщо промінь не відбивається і не заломлюється, то, врешті-решт, він може бути поглинений будь-якої середовищем. Проте, поглинання не відбувається на поверхні.

Поглинання і розсіювання (прозорість і напівпрозорість)

Коли світловий промінь проходить через неоднорідне простір або напівпрозорий матеріал, він може бути поглинений або розсіяний:

При поглинанні яскравість світла зменшується так як світло переходить в іншу форму енергії (найчастіше тепло), також змінюється його колір, тому що кількість поглиненого світла залежить від довжини хвилі. Але напрямок світла залишається незмінним.
При розсіюванні, напрямок променя змінюється випадковим чином, кількість відхилень залежить від матеріалу. Але при цьому не знижує його яскравість. Вушна раковина є відмінним прикладом. Вони тонка (поглинання слабке), так що ви можете бачити розсіяне світло, що проникає з іншого боку вуха. Якщо розсіювання відсутня, і поглощаемость низька, то промені можуть проходити безпосередньо крізь поверхню, таке як скло. Наприклад, коли ви плаваєте в басейні, який, ми сподіваємося чистий, Ви можете відкрити очі і бачити на досить гарне відстань крізь чисту воду. Проте, давайте уявимо що якийсь басейн довго не чистили, і вода там з часом стала брудною. Частинки бруду розсіюють світло, що погіршує прозорість води.

Чим далі світло проходить в такого роду середу \ матеріал, тим більше він поглинається і розсіюється. Таки чином, щільність об'єкта грає велику роль в тому, як сильно світло буде поглинений або розсіяний. Карта товщини може бути використана для того, що б передати товщину об'єкта шейдеру, як показано на зображенні 02.

Розсіяне і дзеркальне відображення

Дзеркальне відображення - це світло, який був відображений від поверхні, як вже було сказано вище. Світловий промінь відбивається від поверхні і йде в іншому напрямку. Це виходить із Закону Відображення Світу, в якому говориться, що на ідеально рівній поверхні кут відбиття дорівнює куту падіння. Тим не менш, важливо відзначити, що більшість поверхонь нерівні, і що напрямок відображення буде випадковим, що в свою чергу залежить від шорсткості поверхні. Це вплине на напрямок світла, але яскравість залишиться незмінною. Чим грубіше поверхню, тим більше і розмитість буде виглядати відображення. Гладка ж поверхню буде відображати точніше, що буде виглядати яскравіше або більш інтенсивніше, якщо дивитися з певного кута. Однак в обох випадках відбивається однакову кількість світла, як показано на рис. 03.

Зліва на малюнку вище ми бачимо гладку поверхню кульки і це робить відображення сфокусованим в маленьке плямочка, тому відображення виглядає яскравіше і більш інтенсивним. А ось справа - шорсткий кульку, відблиск у якого більший, приглушені. А під кульками схематично намальовано як відбивається світло в обох випадках. У разі шорсткою поверхні є навіть промені, які йдуть всередину матеріалу, а це значить, що відображення втрачає свою яскравість.

Розсіяне відбиття - це світло, який був переломлений. Світловий промінь проходить з одного середовища в іншу, і розсіюється кілька разів всередині об'єкта. Потім він відбивається від об'єкта в первинну середу приблизно в ту ж саму точку, через яку пройшов в перший раз, як показано на рис. 04.

Розсіюють матеріали можуть виступати в ролі абсорбенту, мається на увазі, що якщо переломлений світло проходить глибоко в матеріал, у нього є всі шанси бути поглинутим повністю. Це означає, що якщо світло коли небудь вийде, то він можливо не зайшов досить далеко від початкової точки входу. Ось чому відстанню від точки входу до точки виходу можна знехтувати. Модель Ламберта, яка зазвичай використовується для розсіяного відображення, що не бере до уваги шорсткість поверхні, але є такі, які не закривають на це очі, наприклад модель Орена-Наяра.

Матеріали у яких висока відбиваності але низька поглощаемость іноді порівнюють з соучаствующее середовищем або напівпрозорими матеріалами. Приклад цьому дим, молоко, шкіра, нефрит і мармур. Візуалізація останніх трьох може бути можливий за допомогою додаткового моделювання розсіювання субповерхності, де різницю між вхідної та вихідної точкою променя можна ігнорувати. Точне відображення середовища з сильно мінливої але погано відображає і поглинає середовищем, як наприклад дим або туман, можуть зажадати більш складних методів, таких як імітація Монте Карло.

теорія мікрограней

В теорії мікрограней, розсіяне і дзеркально відображення залежать від нерівностей поверхні, з якими перетинаються промені. На практиці ж, ефект шорсткості розсіяного відображення менш помітний, через розсіювання яке відбувається всередині самого матеріалу. В результаті, напрямок вихідного променя сильно залежить від грубості поверхні і від кута падіння. Найпоширеніша модель розсіяного відображення повністю нехтує ними.

Ми визначаємо шорсткість поверхні як її грубість. Насправді, її можуть називати по-різному, наприклад гладкість, глянцевость або мікроповерхность, в залежності від контексту, але всі вони описують один і той же аспект поверхні, суб-Тексель геометричній деталі.

Шорсткість поверхні прописана або в картах глянсовості, або в картах нерівностей, в залежності від того, що Вам потрібно. Фізично коректний BRDFоснован на теорії мікрограней, в якій говориться, що поверхня складається з по-різному повернених маленьких плоских поверхонь, які називають мікрограні. Кожна з цих маленьких поверхонь відображає світло в одному напрямку відповідно її нормалі, як показано на рис. 05.

Мікрограні, чиї нормалі відображають чітко між напрямком світла і областю видимості, будуть відображати видиме світло. Проте, не всі мікрограні, де нормалі мікроповерхностей і повернені нормалі збігаються, будуть відображатися, так як деякі з них будуть заблоковані тінню або замасковані, як показано на рис. 05.

Шорсткості поверхні на мікроскопічному рівні розсіюють світло. Наприклад, розпливчасте відображення через розмиті променів світла. Промені не відображаються паралельно, і ми отримуємо дзеркальне розмите відображення, показане на рис. 06.

Колір поверхні (інакше кажучи, колір який ми бачимо) існує завдяки хвилям, які випромінюються джерелом світла, вони частково поглинаються об'єктом, а частково відображаються дзеркально і розсіяно. Відбиваються хвилі і є колір, який ми бачимо.

Наприклад, шкірка яблука в основному відображає червоне світло. Тільки червоні хвилі відбиваються назад, в той час як інші поглинаються, як показано на рис. 07.

Так само є світле відображення того ж кольору що і джерело, тому що у матеріалів на подобі яблучної шкірки, яка не є електричним провідником, дзеркальне відображення практично не залежить від хвиль. З цього, у такого роду матеріалів дзеркальне відображення не підфарбовується. Трохи пізніше ми розглянемо і інші види матеріалів.

Читайте продовження в найцікавішою половині цієї статті - Керівництво по PBR, частина 2.

Відповідей: 4 до статті "Що таке PBR: фізично коректний рендеринг і шейдинг"

(Дублюю)
Доброго дня колеги!
Люди часто запитують, чим відрізняються «нові» текстури PBR від старих «текстур» Vray. Але у мене інше питання:

Як реалізований ріалтайм рендер PBR в порівнянні з ріалтайм Vray RT? А саме чому ми відразу бачимо фінальний результат у вьюпорте PBR движків, в той час, як у вікні Vray ми бачимо прорахунок семплів і результат виводиться не миттєво?

Як ви їх називаєте PBR движки - це по суті спрощені ігрові движки.
V-Ray RT - це движок для рейтрейсінга (не ігровий).
Ігровий движок будує картинку не так, як движок для рейтрейсінга.
Ігровий движок не пускає промені з камери. А значить, якщо поставити два відображають кульки один за іншим, то на далекому кульці ми не побачимо спину першого кульки.