Что такое физически обоснованный рендеринг

3D моделирование и графика стремятся все более походить на реальные предметы, и благодаря кропотливой работе визуализаторов некоторые рендеры действительно неотличимы от того, что существует на самом деле. Поэтому одним из современных трендов стал физически обоснованный рендеринг — концепция, которая открывает перед визуализаторами новые возможности.

Основная суть физически обоснованного рендеринга

Физически обоснованный рендеринг (PBR — сокращение от английского Physically Based Rendering) представляет собой концепцию, ставшую альтернативой ранее использовавшейся при создании материалов модели отражения Фонга. В модели Фонга цвет, отражающийся на материале, имел три компонента: окружающий, диффузный и зеркальный цвет. Концепция Фонга использовалась в визуализации длительное время, однако проблемой было то, что она не давала возможности работать быстро, не проводя многочисленных дополнительных настроек, чтобы материал выглядел корректно в его среде освещения. Физически обоснованный рендеринг с одной стороны направлен на оптимизацию рабочего процесса, а с другой стороны предметная визуализация vray становится более реалистичной.

3d моделирование и графика для интерьера офиса
Физически обоснованный рендеринг обеспечивает высокую реалистичность для всей сцены в целом.

В соответствии с PBR любой материал, над которым мы работаем, включает три параметра.

  • Базовый цвет. Параметр напоминает Диффузный цвет из модели Фонга, однако не содержит данных о затенении и оказывает влияние на зеркальный цвет материала.
  • Металличность. Называть данный параметр зеркальным ошибочно, так как отличия достаточно сильны. Максимальное значение металличности равно 1 — это дает четкое понимание, что предмет сделан из металла. Для неметаллических объектов диапазон значений обычно меньше 1.
  • Шероховатость. Материал со значением 0 будет идеально гладким, чем ближе значение приближается к 1, тем более грубой будет его поверхность.  

Настройка этих параметров позволит создавать 3D объекты, которые будут адекватно отображаться вне зависимости от освещения. Это важно, к примеру, для игр, в которых присутствует смена дня и ночи или различные погодные эффекты.

Освещение и физически обоснованный рендеринг

В физически обоснованном рендеринге важную роль играет закон сохранения энергии. В данном случае имеется в виду, что все то количество света, которое отражает либо рассеивает поверхность предмета, в любом случае будет меньше, чем количество света, попавшего на эту поверхность из внешних источников. Когда осуществляется иллюстрация и дизайн персонажей, этот закон всегда соблюдается шейдером, так что визуализатор может уделить больше внимания внешней компоненте трехмерного объекта вместо того, чтобы продумывать, как соблюсти его физику и отражающие возможности.

3d моделирование кирпичной стены
Настройка параметров каждого материала обеспечивает правильное распределение освещения, отражений и теней

Функция, которая описывает отражательные свойства поверхности, обозначается как BRDF, и их в компьютерной графике существует довольно большое количество. При этом не все из них основываются на соблюдении законов физики, поэтому в PBR используются только физически корректные BRDF. Они основаны на GGX — шейдере, использующем модель распределения микроотражений. Этот шейдер позволяет получать более реалистичные отражения от объектов, поскольку, в отличие от других вариантов, отличается увеличенной глубиной проникновения и меньшим пиком освещения. Модель с одинаковыми характеристиками с помощью GGX будет иметь более детализированное отражение и реалистичные блики от лучей, которые напрямую падают на поверхность.