Renderowanie oparte na fizyce — Physically based rendering
Renderowanie oparte na fizyce ( PBR ) to podejście do grafiki komputerowej, które ma na celu renderowanie obrazów w sposób, który modeluje przepływ światła w świecie rzeczywistym. Wiele potoków PBR ma na celu osiągnięcie fotorealizmu . Wykonalne i szybkie aproksymacje funkcji dwukierunkowego rozkładu odbicia i równania renderowania mają w tej dziedzinie znaczenie matematyczne. Fotogrametria może być wykorzystywana do odkrywania i kodowania dokładnych właściwości optycznych materiałów. Shadery mogą być używane do implementacji zasad PBR.
Historia
Począwszy od lat 80. wielu badaczy renderowania pracowało nad stworzeniem solidnych podstaw teoretycznych renderowania, w tym poprawności fizycznej. Wiele z tych prac wykonano w Programie Grafiki Komputerowej Uniwersytetu Cornell ; artykuł z 1997 roku z tego laboratorium opisuje dotychczasową pracę wykonaną w Cornell w tej dziedzinie.
Wyrażenie „Physically Based Rendering” zostało szerzej spopularyzowane przez Matta Pharra , Grega Humphreysa i Pata Hanrahana w ich książce o tym samym tytule z 2014 roku, przełomowej pracy z zakresu współczesnej grafiki komputerowej, która zdobyła jej autorów nagrodę Akademii Technicznej za efekty specjalne .
Proces
PBR jest, jak to ujął Joe Wilson, „bardziej koncepcją niż ścisłym zestawem zasad” – ale koncepcja zawiera kilka charakterystycznych punktów. Jednym z nich jest to, że – w przeciwieństwie do wielu poprzednich modeli, które starały się rozróżniać powierzchnie nieodblaskowe i odblaskowe – PBR uznaje, że w prawdziwym świecie, jak to ujął John Hable, „wszystko jest błyszczące”. Nawet „płaskie” lub „matowe” powierzchnie w rzeczywistym świecie, takie jak beton, będą odbijać niewielką ilość światła, a wiele metali i cieczy będzie odbijać je w dużej części. Inną rzeczą, którą próbują zrobić modele PBR, jest zintegrowanie fotogrametrii – pomiarów ze zdjęć materiałów ze świata rzeczywistego – w celu zbadania i odtworzenia rzeczywistych fizycznych zakresów wartości w celu dokładnej symulacji albedo , połysku , odbicia i innych właściwości fizycznych. Wreszcie, PBR kładzie duży nacisk na mikroaspekty i często zawiera dodatkowe tekstury i modele matematyczne przeznaczone do modelowania podświetleń i wnęk zwierciadlanych na małą skalę wynikających z gładkości lub chropowatości, oprócz tradycyjnych map zwierciadlanych lub odbicia.
Powierzchnie
Tematy PBR dotyczące powierzchni często opierają się na uproszczonym modelu dwukierunkowej funkcji rozkładu współczynnika odbicia ( BRDF ), który jest szybki do obliczenia i dobrze przybliża właściwości optyczne materiału przy użyciu jedynie kilku intuicyjnych parametrów. Powszechnymi technikami są aproksymacje i uproszczone modele, które próbują dopasować przybliżone modele do dokładniejszych danych z innych, bardziej czasochłonnych metod lub pomiarów laboratoryjnych (takich jak gonioreflektometr ).
Jak opisał badacz Jeff Russell z Marmoset, skoncentrowany na powierzchni fizyczny potok renderowania może również koncentrować się na następujących obszarach badań:
- Odbicie
- Dyfuzja
- Przejrzystość i przejrzystość
- Oszczędzanie energii
- Metaliczność
- Odbicie Fresnela
- Rozpraszanie mikropowierzchniowe
Wolumeny
PBR jest również często rozszerzany na rendery objętościowe , z takimi obszarami badań jak:
- Związane z obiektywem / Kąt widzenia / Efekty głębi pola
- Kaustyka
- Rozpraszanie światła
- Uczestniczące media
- Atmosferyczne właściwości wizualne, takie jak:
Podanie
Dzięki wysokiej wydajności i niskim kosztom nowoczesnego sprzętu stało się możliwe wykorzystanie PBR nie tylko w celach przemysłowych, ale także rozrywkowych wszędzie tam, gdzie pożądane są fotorealistyczne obrazy, takie jak gry wideo czy tworzenie filmów. Dzisiejszy sprzęt średniej i wysokiej klasy jest w stanie produkować i renderować treści PBR, a istnieje rynek bezpłatnego i łatwego w użyciu oprogramowania, które pozwala projektantom na wszystkich poziomach doświadczenia korzystać z fizycznych metod renderowania, takich jak:
- Brikl
- 3ds maks.
- Majowie
- Babylon.js
- Mikser
- Kino 4D
- CryEngine
- Vue
- Godot (silnik gry)
- Houdini (SideFX)
- jME
- Mikrostacja
- Minecraft GLSL Shaders
- Nosorożec 3D
- Studio Robloxlo
- Szkicownik
- Krok
- Unigine
- Jedność
- Nierealny silnik 4
- Weboty
Typowa aplikacja zapewnia intuicyjny graficzny interfejs użytkownika, który umożliwia artystom definiowanie i nakładanie warstw materiałów o dowolnych właściwościach oraz przypisywanie ich do danego obiektu 2D lub 3D w celu odtworzenia wyglądu dowolnego materiału syntetycznego lub organicznego. Środowiska można definiować za pomocą proceduralnych shaderów lub tekstur, a także proceduralnej geometrii, siatek lub chmur punktów. Jeśli to możliwe, wszystkie zmiany są widoczne w czasie rzeczywistym, co pozwala na szybkie iteracje. Zaawansowane aplikacje pozwalają doświadczonym użytkownikom pisać niestandardowe shadery w języku cieniowania, takim jak HLSL lub GLSL , chociaż w coraz większym stopniu oparte na węzłach edytory materiałów umożliwiają przepływ pracy oparty na grafach z natywną obsługą ważnych pojęć, takich jak pozycja światła, poziomy odbicia i emisji oraz metaliczność i szeroka gama innych funkcji matematycznych i optycznych zastępuje ręcznie pisane shadery we wszystkich aplikacjach, z wyjątkiem najbardziej złożonych.