Wszystko, co musisz wiedzieć o renderowaniu zgodnie z prawami fizyki.

Dla osób pracujących nad teksturami znajomość tego, jak światło wchodzi w interakcję z materiałem powierzchni, jest ważna, ponieważ ich zadanie polega na tworzeniu tekstur definiujących powierzchnie. Tworzone tekstury i materiały wchodzą w interakcje ze światłem w światach wirtualnych. Im więcej będziesz wiedzieć o tym, jak zachowuje się światło, tym lepiej będą wyglądać Twoje tekstury. 

Renderowanie zgodnie z prawami fizyki (Physically Based Rendering, PBR), czasami nazywane cieniowaniem zgodnie z prawami fizyki (Physically Based Shading, PBS), to metoda cieniowania i renderowania, która zapewnia wierniejsze odwzorowanie tego, jak światło i właściwości materiału oddziałują na siebie. Zależnie od omawianego aspektu obiegu pracy modelowania 3D cieniowanie zgodnie z prawami fizyki jest zwykle przywoływane w kontekście cieniowania, a renderowanie zgodnie z prawami fizyki dotyczy renderowania i oświetlenia. Terminy te opisują proces reprezentowania zasobów z zachowaniem praw fizyki.

Niezależnie od tego, czy pracujesz z systemem renderowania grafiki komputerowej w czasie rzeczywistym, czy zajmujesz się produkcją filmów 3D, zastosowanie metod renderowania zgodnie z prawami fizyki pozwoli poprawić obieg pracy.

• Realistycznie wyglądające zasoby. Renderowanie PBR eliminuje zgadywanie przy tworzeniu atrybutów powierzchni, takich jak przezroczystość. Jest tak, ponieważ metodologia i algorytmy bazują na formułach zgodnych z prawami fizyki, dzięki czemu materiały wyglądają jak z prawdziwego świata.
• Spójne środowiska. Bez względu na używany system oświetlenia, inne zasoby będą zawsze działać w środowisku PBR.
• Zrównoważony obieg pracy. Renderowanie PBR jest obiegiem pracy szeroko stosowanym do tworzenia spójnych kompozycji, nawet przez różnych artystów. „Skraca czas produkcji” — mówi Wes McDermott, producent kreatywny w Adobe — „można więc skupić się na tworzeniu, zamiast zgłębiać podstawy naukowe tego, co się tworzy”. 

Podczas pracy z obiegiem pracy renderowania PBR artysta musi zwracać uwagę na jego podstawowy współczynnik odbicia, czyli minimalną odbijaną ilość koloru i światła.

„Odbicia odblaskowe” oznaczają światło odbite od powierzchni. Promień światła jest odbijany od powierzchni i wędruje w innym kierunku. Kierunek ten jest zgodny z prawem odbicia światła, które mówi, że w przypadku idealnie płaskiej powierzchni kąt odbicia jest równy kątowi padania.

Większość powierzchni jest jednak nieregularna, a kierunek odbicia różni się zależnie od nierówności powierzchni. Zmienia to kierunek światła, ale jego intensywność pozostaje stała.

Bardziej nierówne powierzchnie będą miały oświetlone obszary, które będą większe i będą wyglądały na ciemniejsze. Odbicia od gładszych powierzchni będą bardziej skupione i odblaskowe oraz będą wyglądały na jaśniejsze i intensywniejsze, jeśli będzie się na nie patrzyć pod odpowiednim kątem.

Terminy dyfuzja, rozproszone światło i rozpraszanie podpowierzchniowe opisują efekt polegający na absorbcji lub wewnętrznym rozproszeniu światła. Gdy światło jest rozpraszane, kierunek światła zmienia się losowo, a wielkość odchylenia zależy od nierówności powierzchni materiału — nierówne powierzchnie rozpraszają światło. Rozpraszanie powoduje, że kierunek światła zmienia się losowo, ale nie zmniejsza jego intensywności. Czasem rozproszone światło może ponownie pojawić się na powierzchni, przez co jest widoczne jeszcze raz.

Materiały o wysokim stopniu rozpraszania i absorpcji są czasem nazywane mediami partcypacyjnymi lub materiałami prześwitującymi. Przykładami takich materiałów są dym, mleko, skóra, nefryt i marmur.

Gdy światło przechodzi przez materiał prześwitujący, może być absorbowane i rozpraszane. Absorbcja światła polega na zmniejszaniu jego intensywności, gdy zmienia się ono w inną postać energii, taką jak ciepło. Te zmiany kolorów zależą od długości fali, ale kierunek promienia nie zmienia się.

Jeśli rozpraszanie nie występuje, a absorbcja jest niska, promienie mogą przechodzić bezpośrednio przez powierzchnię, jak ma to miejsce w przypadku szkła. Wyobraź sobie kąpiel w czystym basenie. Po otwarciu oczu można patrzeć przez przejrzystą wodę. Gdyby jednak woda w basenie była zanieczyszczona, cząsteczki pływające w wodzie rozpraszałyby światło, zmniejszając przejrzystość wody i dystans widzenia.

Im dalszą drogę światło jest w stanie przebyć w takim materiale, tym bardziej jest absorbowane i/lub rozpraszane. Dlatego właśnie grubość obiektu odgrywa kluczową rolę w tym, ile światła jest absorbowanego lub rozpraszanego.

Efekt Fresnela, zaobserwowany przez francuskiego fizyka Augustina-Jeana Fresnela i omawiany przez profesora grafiki Wenzela Jakoba, polega na tym, że ilość światła odbitego od powierzchni zależy od tego, pod jakim kątem na nią patrzymy.

Ponownie wyobraźmy sobie basen. Spoglądając prosto w dół, prostopadle do powierzchni, widać wszystko aż do dna. Patrzenie na powierzchnię w ten sposób będzie patrzeniem pod kątem zera stopni (padanie normalne, wektor normalny jest wektorem normalnym powierzchni). Jeśli spojrzy się na powierzchnię pod niewielkim kątem, bardziej równolegle do powierzchni, zauważy się, że odblaski na wodzie staną się intensywniejsze i w ogóle może nie być widać tego, co jest pod powierzchnią.

W miarę pracy z teksturami z pewnością zechcesz wzbogacić wiedzę o tych ważnych pojęciach z zakresu oświetlenia 3D. Pogłębisz w ten sposób wiedzę o działaniu renderowania PBR z technicznego punktu widzenia, co pomoże Ci docenić jego działanie także z perspektywy artysty. „Wiele ciężkiej pracy robi za Ciebie” — dodaje McDermott, który często sięga po metodologię PBR. „Dzięki temu mam więcej czasu na tworzenie ciekawych rzeczy”.

Aby uzyskać więcej informacji o renderowaniu PBR, zajrzyj do przewodnika The PBR Guide (Przewodnik po renderowaniu PBR) napisanego przez Wesa McDermotta i opublikowanego przez wydawnictwo Allegorithmic.