Renderowanie oparte na fizyce — Physically based rendering

Płyta diament tekstury świadczonych bliska zastosowaniem zasad renderingu fizycznie oparte. Przetarcia mikrofasetowe pokrywają materiał, nadając mu szorstki, realistyczny wygląd, mimo że materiał jest metalem . Światła odblaskowe są wysokie i realistycznie wymodelowane na odpowiedniej krawędzi bieżnika przy użyciu normalnej mapy .
Obraz cegieł renderowany przy użyciu PBR. Mimo że jest to chropowata, nieprzezroczysta powierzchnia, od jaśniejszej strony materiału odbija się coś więcej niż tylko rozproszone światło, tworząc małe przebłyski, ponieważ „wszystko jest błyszczące” w fizycznym modelu renderowania rzeczywistego świata. Teselacja jest używana do generowania siatki obiektów z mapy wysokości i mapy normalnych , tworząc więcej szczegółów.

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:

Wolumeny

PBR jest również często rozszerzany na rendery objętościowe , z takimi obszarami badań 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:

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.

Bibliografia