Kaikki, mitä sinun tulee tietää fysiikkaperusteisesta renderöinnistä.

Tekstuuritaiteilijoille on tärkeää ymmärtää, miten valonsäteet ovat vuorovaikutuksessa pintamateriaalin kanssa, koska heidän työnään on luoda pintaa kuvaavia tekstuureita. Luomasi tekstuurit ja materiaalit ovat vuorovaikutuksessa valon kanssa virtuaalimaailmoissa. Mitä paremmin ymmärrät valon toimintaa, sitä paremmilta tekstuurisi näyttävät. 

Fysiikkaperusteinen renderöinti (PBR) (toisinaan fysiikkaperusteinen varjostus eli PBS) on varjostus- ja näköistysmenetelmä, joka tuottaa entistä tarkemman esityksen valon vuorovaikutuksesta materiaalin ominaisuuksien kanssa. Käsiteltävän 3D-mallinnustyönkulun ominaisuuden mukaan PBS:ää käytetään yleensä varjostuskonseptien yhteydessä ja PBR:ää näköistyksen ja valaistuksen yhteydessä. Molemmat termit kuvaavat resurssien esittämistä fyysisesti tarkoista lähtökohdista.

Riippumatta siitä, käytätkö reaaliaikaista näköistysjärjestelmää tietokonegrafiikassa vai 3D-elokuvatuotannossa, fysiikkaperusteisen renderöintimenetelmän hyödyntäminen varjostuksessa parantaa työnkulkua. 

• Realistisilta näyttäviä resursseja. PBR poistaa kaiken arvailun läpinäkyvyyden kaltaisista suunnittelupinnan määritteistä, koska sen menetelmät ja algoritmit perustuvat fyysisesti tarkkoihin kaavoihin sekä muistuttavat todellisen elämän materiaaleja.
• Yhtenäiset ympäristöt. Käytettävistä valaistusjärjestelmistä riippumatta muut resurssit toimivat aina PBR-ympäristössä.
• Kestävä työnkulku. PBR on laajalti omaksuttu työnkulku yhdenmukaisen taiteen luontiin jopa eri taiteilijoiden kesken. ”Se lyhentää tuotantoaikaa”, sanoo Adoben luova tuottaja Wes McDermott, joten ”voit keskittyä enemmän tekemisen luovuuteen kuin siinä tarvittavaan tieteeseen”, 

Työskennellessään PBR-työnkulussa taiteilijan on huomioitava pohjan heijastavuus eli heijastuvan värin ja valon vähimmäismäärä.

”Suuntaheijastuminen” tarkoittaa pinnasta heijastuvaa valoa. Valonsäde heijastuu pinnasta ja kulkee eri suuntaan. Se noudattaa heijastumisen lainalaisuutta, jonka mukaan heijastuskulma täysin tasaisella pinnalla on yhtä kuin tulokulma.

Useimmat pinnat ovat kuitenkin epätasaisia, ja heijastussuunta vaihtelee pinnan karkeuden mukaan. Tämä muuttaa valon suuntaa, mutta valon voimakkuus pysyy tasaisena.

Karkeammissa pinnoissa on kohokohtia, jotka näyttävät suuremmilta ja himmeämmiltä. Sileämmillä pinnoilla suuntaheijastukset säilyvät keskitettyinä, ja valo näyttää kirkkaammalta tai voimakkaammalta tarkasteltuna oikeasta kulmasta.

Termit hajautus, hajautettu valo ja pinnanalainen sironta kuvaavat kaikki absorboituneen tai sisäisesti hajautuneen valon vaikutelmaa. Kun valo hajautuu, säteen suunta muuttuu sattumanvaraisesti ja poikkeaman määrä määräytyy materiaalin pinnan karkeuden mukaan, koska karkeat pinnat hajauttavat valoa. Hajautuksessa valon suunta muuttuu sattumanvaraiseksi, mutta sen voimakkuus ei muutu. Toisinaan hajautunut valo voi palata pinnalle, jolloin se tulee taas näkyviin.

Materiaaleja, jotka sekä hajauttavat runsaasti että absorboivat vähän valoa, kutsutaan toisinaan väliaineiksi tai läpikuultaviksi materiaaleiksi. Esimerkkejä näistä ovat savu, maito, iho, jade ja marmori.

Kulkiessaan läpikuultavan materiaalin läpi valo voi absorboitua tai hajautua. Kun valo absorboituu, sen voimakkuus alentuu valon muuntuessa toisenlaiseksi energiaksi, kuten lämmöksi. Nämä värimuutokset määräytyvät aallonpituuden mukaan, mutta säteen suunta ei muutu.

Jos sirontaa ei ole ja absorptio on vähäistä, säteet voivat kulkea suoraan pinnan läpi, kuten lasin yhteydessä. Kuvittele uivasi puhtaassa uima-altaassa. Voisit avata silmäsi ja nähdä kirkkaan veden läpi. Jos sama allas kuitenkin olisi likainen, likahiukkaset hajauttaisivat valoa sekä vähentäisivät veden kirkkautta ja näköetäisyyttä.

Mitä kauemmaksi valo kulkee tällaisessa materiaalissa, sitä enemmän sitä absorboituu ja/tai hajautuu. Tämän vuoksi kohteen paksuudella on suuri merkitys siinä, kuinka paljon valoa absorboituu tai hajautuu.

Ranskalaisen fyysikon Augustin-Jean Fresnelin havaitsema ja grafiikan professori Wenzel Jakobin mainitsema Fresnelin vaikutus tarkoittaa, että pinnalta heijastuvan valon määrä määräytyy sen katselukulman mukaan, josta se havaitaan.

Kuvittele taas uima-allas. Jos katsot suoraan alas pinnan tasolta, näet suoraan pohjaan. Pinnan katselu tällä tavalla olisi nollassa asteessa tai normaalin suunnassa, kun normaalilla tarkoitetaan pinnan normaalia. Jos katsot allasta enemmän pinnan suuntaisesti, huomaat, että suuntaheijastukset veden pinnalla voimistuvat, etkä ehkä näe ollenkaan pinnan alle.

Kun jatkat työskentelyä tekstuurien parissa, kannattaa laajentaa tietämystäsi näistä keskeisistä 3D-valaistuskäsitteistä. Ne syventävät ymmärrystäsi PBR:n toiminnasta tekniseltä kannalta ja auttavat sinua arvostamaan sitä myös taiteellisesta näkökulmasta. ”Se tekee paljon raskasta työtä puolestasi”, lisää McDermott, joka turvautuu usein PBR-metodologiaan. ”Voin viettää enemmän aikaa luovissa töissä ja tekemässä hienoilta näyttäviä asioita.”

Lisätietoja PBR:stä on Wes McDermottin kirjoittamassa The PBR Guide -oppaassa, jonka on julkaissut Allegorithmic.