вторник, 31 января 2017 г.

Основы теории физически-рендеринга

Физически на основе рендеринга (PBR) является захватывающим, если свободно определяется, тенденция в реальном масштабе времени рендеринга в последнее время. Термин толков много, часто генерируя путаницу относительно того, что именно это означает. Короткий ответ: "много вещей", и "это зависит", что является довольно неудовлетворителен, так что я взял на себя смелость, чтобы попытаться объяснить довольно подробно, что представляет PBR и как она отличается от старых методов визуализации. Этот документ предназначен для не-инженеров (художников скорее всего), и не будет представлять какие-либо математику или код.
Многое из того, что делает систему затенения физически основанную отличается от своих предшественников более подробное рассуждение о поведении света и поверхностей. Возможности затенения продвинулись достаточно того, что некоторые из старых приближений теперь можно смело отбросить, а вместе с ними некоторые из старых средств производства искусства. Это означает, как инженер и художник должен понять мотивы этих изменений.
Мы должны начать с некоторыми из основ , чтобы они четко определены , прежде чем мы начнем , чтобы выделить то , что является новым, но если вы будете нести со мной через части , которые вы уже знаете , я думаю , вы найдете это хорошо стоит чтения. После этого вы можете также проверить статью нашего собственного Джо Уилсона на создании PBR произведения искусства .

ДИФФУЗИЯ & REFLECTION

Диффузия и отражения - также известный как "диффузных" и "зеркальном" свет соответственно - два термина, описывающие самое основное разделение поверхности / световых взаимодействий. Большинство людей будут знакомы с этими идеями на практическом уровне, но не может знать, как они физически различны.
Когда свет попадает на граничную поверхность некоторые из них будет отражать - то есть, отскакивают - от поверхности и оставить движется в направлении на противоположной стороне нормали к поверхности. Такое поведение очень похоже на мяч, брошенный на землю или стену - он будет отскакивать на противоположном углу. На гладкой поверхности, то это приведет к зеркалу, как внешний вид. Слово "зеркальными", часто используется для описания эффекта, происходит от латинского слова "зеркало" (кажется, "зеркальности" звучит менее громоздкий, чем "mirrorness").
Не весь свет отражается от поверхности, однако. Обычно некоторые из них будут проникать в глубь освещаемого объекта. Там он будет либо поглощается материалом (обычно переходит в теплоту) или рассеиваются внутри страны. Некоторые из этого рассеянного света может сделать свой путь обратно из поверхности, то становится видна еще раз глазных яблок и камер. Это известно под многими именами: "Рассеянный свет", "Диффузия", "Подземное Рассеяние" - все описывают один и тот же эффект.
Поглощение и рассеяние рассеянного света часто весьма различна для разных длин волн света, который является то, что дает объекты их цвет (например, если объект поглощает большую часть света, но рассеивает синий, появится синий). Рассеяние часто настолько равномерно хаотичным, что можно сказать, отображались одинаково со всех направлений - совершенно отличается от случая зеркала! Шейдер используя это приближение на самом деле просто необходим один вход: "альбедо", цвет, который описывает фракции различных цветов света, которые будут рассеивать обратно из поверхности. "Диффузный цвет" является фраза иногда используется в качестве синонима.

ПОЛУПРОЗРАЧНОСТИ И ПРОЗРАЧНОСТИ

В некоторых случаях диффузия является более сложным - в материалах, которые имеют более широкие расстояния рассеивающие Как, например, кожа или воск. В этих случаях простой цвет, как правило, не делают, и система затенения должна учитывать форму и толщину объекта лит Если они достаточно тонкие, такие объекты часто видим рассеяние света через заднюю сторону, а затем можно назвать прозрачным. Если диффузия еще ниже пока (в, например, стекла), то почти не рассеяние не проявляется на всех и целые изображения может пройти через объект с одной стороны на другую нетронутыми. Такое поведение достаточно отличается от типичного "близко к поверхности" диффузии, что уникальные шейдеры обычно необходимы для имитации их.

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

С помощью этих описаний мы теперь имеем достаточно информации , чтобы сделать важный вывод, который является то , что отражение и диффузия являются взаимоисключающими . Это происходит потому , что, для того , чтобы свет рассеиваться, свет должен сначала проникают через поверхность (то есть, они не отражают). Это известно в затенения языке в качестве примера "сохранения энергии", который просто означает , что свет , оставляя поверхность никогда не бывает ярче , чем то , что сходила на него изначально.
Это легко применять в системе затенения: один просто вычитает отраженный свет, прежде чем позволить произойти диффузное затенение. Это означает, что объекты с высокой отражающей способностью покажет практически не рассеянный свет, просто потому, что практически нет света проникает в поверхность, будучи в основном отражается. Обратное также верно: если объект имеет яркую диффузию, он не может быть особенно рефлексивный.
pbr_theory_conservation2
Энергосбережение такого рода является важным аспектом физически на основе затенения. Это позволяет художнику работать с отражательной способностью и альбедо значениями для материала без случайного нарушения законов физики (которые имеют тенденцию выглядеть плохо). Хотя соблюдение этих ограничений в коде не является строго необходимым производить хорошо выглядящий искусство, он служит полезную роль в качестве своего рода "няньки физика", что позволит предотвратить художественное произведение от изгиба правил слишком далеко или несогласованное в различных условиях освещения.

МЕТАЛЛЫ

Электропроводных материалов, в первую очередь металлы, заслуживают особого упоминания в этой точке по нескольким причинам.
Во-первых, они, как правило, гораздо более отражающими чем изоляторы (диэлектрики). Проводники, как правило, демонстрируют отражательные столь же высоко как 60-90%, в то время как изоляторы, как правило, значительно ниже, в диапазоне 0-20%. Эти высокие коэффициенты отражения света предотвратить большинство от достижения внутренней части и рассеяние, давая металлов очень "блестящий" вид.
Во-вторых, отражательная способность на проводниках будет иногда различаться в зависимости от видимой области спектра, что означает, что их отражения бледные. Эта окраска отражения редко даже среди проводников, но это имеет место в некоторых повседневных материалов (например, золото, медь и латунь). Изоляторы как правило, не проявляют этот эффект, и их отражения неокрашенный.
Наконец, электрические проводники обычно поглощают, а не рассеивают любой свет, который проникает в поверхность. Это означает, что в теории проводников не будет показывать никаких признаков рассеянного света. Однако на практике часто возникают оксиды или другие остатки на поверхности металла, который будет рассеивать некоторые небольшие количества света.
Именно эта двойственность между металлами и почти все остальное, что приводит некоторые системы рендеринга принять "metalness" в качестве прямого ввода. В таких системах художников указать степень, в которой материал ведет себя как металл, а не определяет только альбедо & отражательную способность в явном виде. Это иногда предпочтительно в качестве более простой средство создания материалов, но не обязательно является характеристикой рендеринга физически основанной.

ФРЕНЕЛЯ

Френель , кажется, один из тех старых мертвых белых парнеймы вряд ли сможем забыть, главным образом потомучто его имя оштукатурены по целому ряду явленийчто он был первымчтобы точно описать. Было бы труднообсуждение отражения света без его имя подходит.
В компьютерной графике слово Френеля относится к различным отражательную способность, которая происходит под разными углами. В частности, свет, который попадает на поверхность под скользящим углом будет гораздо больше шансов, чтобы отразить, чем то, что попадает на поверхность мертвой на. Это означает, что объекты, предоставляемые с соответствующим эффектом Френеля, будет иметь более яркие отражения вблизи краев. Большинство из нас уже были знакомы с этим на некоторое время, и его присутствие в компьютерной графике не нова. Тем не менее, PBR шейдеры сделали популярные несколько важных исправлений в оценке уравнений Френеля.
Во - первых, для всех материалов, отражательная способность становится общей для выпаса скота углы - на "ребра" Смотрели на любой гладкой объект должен действовать как идеальный (неокрашенные) зеркала, независимо от материала. Да, на самом деле - любое вещество может действовать как идеальное зеркало , если она гладкая и рассматривается под прямым углом! Это может быть противоречит здравому смыслу, но физика очевидны.
Второе замечание о свойствах Френеля является то, что кривая или градиент между углами не сильно отличается от материала к материалу. Металлы являются наиболее расходящиеся, но они также могут быть учтены аналитически.
Что это означает для нас является то , что, предполагая , что реализм желательно, контроль над поведением художник Френеля как правило , должны быть уменьшен , а не расширяется. Или , по крайней мере, теперь мы знаем , где установить наши значения по умолчанию!
Это хорошая новость из своего рода, потому что это может упростить генерацию контента. Теперь система затенения может обрабатывать эффект Френеля почти полностью сама по себе; она имеет только проконсультироваться некоторые из других ранее существовавших свойств материала, таких как блеск и отражательную способность.
Рабочий процесс PBR был художник указать, по тем или иным способом, в "базовой" отражательной способности. Это обеспечивает минимальный размер и цвет света, отраженного. Эффект Френеля, однажды оказывается, добавит отражательную способность на вершине художника указанного значения, достигая до 100% (белый) при углах скольжения. По существу, содержание описывает базу, и уравнения Френеля взять на себя оттуда, что делает поверхность более отражающими под различными углами по мере необходимости.
Существует один большой нюанс для эффекта Френеля - это быстро становится менее очевидной, как поверхность становится менее гладкой. Более подробную информацию об этом взаимодействии будет дано немного позже.

MICROSURFACE

Приведенные выше описания отражения и диффузии, как в зависимости от ориентации поверхности. По большому счету, это подается по форме сетки визуализируется, которые могут также использовать карты нормалей для описания более мелких деталей. С помощью этой информации любая система рендеринга может пойти в город, что делает распространение и отражение достаточно хорошо.
Тем не менее, есть один большой кусок до сих пор пропавшими без вести. Большинство реальных поверхностей имеют очень маленькие изъяны: маленькие канавки, трещины и комков слишком мало для глаз, чтобы увидеть, и слишком мал, чтобы представить в нормальной карте любого нормального разрешения. Несмотря на то, невидимые невооруженным глазом, эти микроскопические признаки, тем не менее влияют на распространение и отражение света.
Microsurface деталь имеет наиболее заметное влияние на отражение (диффузия подповерхностного не сильно влияет, и не будут обсуждаться здесь далее). В приведенной выше диаграмме вы можете увидеть параллельные линии падающего света начинают расходиться при отражении от поверхности грубее, поскольку каждый луч попадает на часть поверхности с различной ориентацией. Аналог в мяч / стенки аналогии было бы Клифсайд или что-то так же неравномерно: мяч по-прежнему будет отскакивать, но в непредсказуемом угол. Короче говоря, грубее поверхность, тем больше отраженный свет будет расходиться или появляются "размыто".
К сожалению, оценить каждую функцию microsurface для затенения будет непомерно высокой с точки зрения производства искусства, использования памяти и вычислений. Так что же нам делать? Оказывается, если мы сдаемся на описании microsurface детали непосредственно и вместо того, чтобы указать общую меру шероховатости, мы можем написать достаточно точные шейдеры, которые производят аналогичные результаты. Эта мера часто называют "лоск", "Гладкость" или "Шероховатость". Он может быть указан в качестве текстуры или в качестве постоянной для данного материала.
Это microsurface деталь является очень важной характеристикой для любого материала, так как реальный мир полон самых разнообразных функций microsurface. отображение Gloss не новая концепция, но она действительно играет ключевую роль в физически на основе затенения, так как microsurface деталь имеет такое большое влияние на отражение света. Как мы скоро увидим, есть несколько соображений, касающихся microsurface свойств, что система PBR затенение усовершенствует.

СОХРАНЕНИЕ ЭНЕРГИИ (ОПЯТЬ ЖЕ)

Поскольку наша гипотетическая система затенения теперь принимает microsurface деталь во внимание, и распространение отраженного света надлежащим образом, он должен позаботиться, чтобы отразить правильное количество света. К сожалению, многие старые системы рендеринга получили это неправильно, что отражает слишком много или слишком мало света, в зависимости от шероховатости microsurface.
Когда уравнения должным образом сбалансированы, рендерер должен отображать грубые поверхности как имеющие большие блики отражения, которые появляются тусклые, чем мелкие, острее подсветок гладкой поверхности. Именно эта очевидная разница в яркости, что является ключевым фактором: оба материала отражают одинаковое количество света, но грубее поверхность распределив его в разных направлениях, в то время как гладкая поверхность отражает более концентрированный "луч":
pbr_theory_conservationmicro2
Здесь мы имеем вторую форму сохранения энергии, которая должна быть сохранена, в дополнение к балансу диффузии / отражения, описанного ранее. Получение этого права является одним из наиболее важных моментов, необходимых для любого средства визуализации, стремящегося быть "физически на основе".

ALL HAIL MICROSURFACE

И это с осознанием того, что выше мы приходим к осознанию того , большая, на самом деле: microsurface блеск напрямую влияет на видимую яркость отражений . Это означает , что художник может рисовать изменения непосредственно в глянцевой карте - царапины, вмятины, истирается или полированных областях, независимо - и система PBR будет отображать не только изменение формы отражения, но относительная интенсивность , а также. Нет "спецификации маска" изменения / отражательная способность не требуется!
Это очень важно, потому что две реальные мировые величины, которые физически связанные - microsurface детали и отражательная способность - теперь должным образом связаны друг с другом в содержании искусства и процесс рендеринга в первый раз. Это так же, как диффузия / отражения эквилибристики, описанный ранее: мы могли бы быть авторинга оба значения независимо друг от друга, но так как они связаны между собой, задача только усложняется, пытаясь лечить их по отдельности.
Кроме того, исследование реальных материалов покажет, что значения отражательной способности делать широко не меняется (см ранее раздел проводимости). Хорошим примером может быть вода и грязь: оба имеют очень похожую отражательную способность, но так как грязь довольно грубая и поверхность лужи очень гладкая, они появляются очень разные с точки зрения их отражения. Художник, создающий такую ​​сцену в системе PBR бы автору разницу в первую очередь за счет блеска или шероховатости карт, а не путем корректировки коэффициента отражения, как показано ниже:
pbr_theory_watermud2
свойства Microsurface имеют другие тонкие эффекты на отражение, а также. Например, "края-являются-ярче" эффект Френеля несколько уменьшается с более грубыми поверхностями (хаотичности шероховатой поверхности "рассеивает" эффект Френеля, предотвращая зрителя от того, чтобы четко решить ее). Кроме того, большие или вогнутые функции microsurface может "ловушка" свет - заставляя его отражения от поверхности несколько раз, увеличивая поглощение и уменьшение яркости. Различные системы рендеринга обрабатывать эти данные по-разному и в разной степени, но широкая тенденция более грубых поверхностей, появляющихся диммер то же самое.

ВЫВОД

Существует, конечно , гораздо больше говорить на тему оказания физически на основе; этот документ служил только в качестве основного внедрения. Если вы еще не сделали, читайте учебник Джо Уилсона о создании PBR произведения искусства . Для тех , кто хочет больше технической информации, я мог бы рекомендовать несколько чтений:

0 коммент.:

Отправить комментарий