En este texto, hablaré un poco sobre PBR, un concepto de renderizado basado en principios físicos. El PBR se usa en gráficos de computadora modernos, y hablaremos sobre qué es y cómo está preparado, y qué cosas importantes vale la pena saber para aquellos que van o ya se están ocupando de la preparación de materiales. El énfasis se desplaza más hacia los juegos y los motores de juegos, donde este concepto ahora se usa ampliamente.
Antes de pasar a detalles, algunas palabras para "cubrir la parte trasera".
Cada motor y render tiene su propia tubería de desarrollo, que a menudo es única, como un copo de nieve, y no se cruza completamente con los demás. Esto se debe, entre otras cosas, al hecho de que PBR es una metodología relativamente joven, y podemos decir que estamos viendo la primera generación de tales motores, los estándares recién comienzan a surgir, por lo que hay una diferencia y matices en diferentes implementaciones. Y también porque PBR no es un conjunto estricto de requisitos, sino más bien una dirección general de desarrollo.
Al escribir este texto, me basé en mi propia experiencia más la teoría con respecto a varios paquetes: Unreal Engine 4, Marmoset Toolbag 3, Substance Painter. Por lo tanto, algunas cosas en otros paquetes se verán diferentes, pero en general la teoría es universal.
Con más detalle describiré las cosas más importantes, y al final, por el principio residual, mencionaré que en PBR se usa, pero no es tan importante o complicado en el dispositivo.
Intencionalmente utilizo los términos en una forma no traducida, porque las fuentes de información más actuales y completas siempre están en inglés, y si alguien se sienta y espera una traducción, automáticamente cae en aquellos que están rezagados y dependen de él. En mi opinión, es correcto recordar de inmediato los términos que se utilizan en la industria. Y google, por supuesto.
El material fue preparado con la participación de la comunidad Maya3D Telegram.
Sobre lo básico
Primero, profundicemos un poco más en la historia. La experiencia sugiere que es mejor explicar el significado de los términos y conceptos básicos de inmediato, pero si ya los conoce, puede saltarse esta sección de manera segura.
Además, notará que PBR toma prestados términos de cualquier parte, cambiándolos un poco, y eso está bien.
PBR es una abreviatura de representación basada físicamente , lo que significa aproximadamente una visualización físicamente correcta , y estas palabras hablan por sí mismas. A veces se usa el término PBS (aquí se muestran los cambios en el sombreador ), en algunos lugares hay incluso PBT (y aquí aparece la textura ). Sin embargo, la diferencia es mínima: es una cuestión de tradición, y el término PBR se usa tradicionalmente con más frecuencia.
Los últimos años han sido la corriente principal de los sistemas de renderizado modernos, desde tiempo real y juegos hasta los denominados renderings sin conexión. El nombre implica una cierta adherencia a las leyes de la física, las leyes del mundo real, y esta aclaración, por así decirlo, nos dice: antes no era así. Veamos cómo fue y cómo se convirtió, y de qué lado se nos ocurrió todo.
En los gráficos tridimensionales, desde el comienzo de su vida, se implementaron una variedad de enfoques para mostrar en la pantalla, hasta que quedó claro que reproducir los mecanismos de la realidad da resultados más realistas, por así decirlo.
Aproximadamente la misma historia sucedió con la animación esquelética de los personajes, que "enterraron" el vértice.
Si modelamos la realidad, entonces usemos sus leyes y arquitectura, automatizando constantes y cambiando parte del trabajo al software. Los renderizados se esfuerzan cada vez más por trabajar de la manera en que funciona nuestra realidad, con cada generación de hierro introduciendo nuevos enfoques que le permiten abandonar las falsificaciones.
Los renders sin conexión son renders que no funcionan en tiempo real, por ejemplo, Vray o Arnold.
Por alguna razón, probablemente, reduce el vuelo de la fantasía y corta los brotes de estilización, pero eso es probablemente lo que.
Por otro lado, los trucos y las falsificaciones se están moviendo a un nuevo nivel, que también es progreso.
En el mundo real que nos rodea, el campo electromagnético es la base para la interacción en una escala más alta que la atómica y más baja que la planetaria. Todo lo que vemos y podemos tocar es accesible para nosotros gracias a él. El hombre es un ser imperfecto, no podemos ver la mayor parte del espectro electromagnético, pero con él hay muchas sutilezas que utilizamos en virtud de la comprensión. Todo lo que vemos a nuestro alrededor es luz y sus caprichos. Buena entrada, y lo más importante, obvio, ¿verdad?
La gran mayoría de las personas son tricromatos, pero hay un pequeño porcentaje de mutantes tetracromáticos que distinguen más sombras y ven el mundo más diverso. Y más a menudo son mujeres.
En PBR, la luz se ha vuelto menos convencional que antes. BxDF describe no solo cómo alcanza la superficie, sino también cómo se refleja desde ella, dadas las características de los materiales. Esto le permite describir con mayor precisión la escena y transmitir el resultado, lo más cerca posible de la realidad.
Uno de los cambios clave que ha traído PBR es la versatilidad de los materiales en cualquier iluminación. Los materiales configurados correctamente siempre se verán correctos en cualquier escena.
En la generación anterior de renders, la micro-superficie y la naturaleza de la antorcha, los tipos de materiales conductores / aislantes no fueron tomados en cuenta; la reflexión difusa llevaba sombra parcial e incluso deslumbramiento pintado; no había valores de reflexión del mundo real; Los materiales no eran universales para ninguna escena e iluminación.
Sobre la sustancia
Hay dos tipos:
- conductores o metales - conductores ;
- aislantes o dieléctricos, es decir, no metales - aislantes .
La clasificación se toma del mundo real (con simplificaciones) e intenta seguir el nombre.
Los conductores conducen corriente eléctrica, tienen una red cristalina y otras "alegrías" del curso de física de la escuela. No tienen reflejo difuso y dispersión subsuperficial, su superficie no dispersa la luz, es impermeable a ella, pero absorbe parte de ella, reflejando ondas de longitudes específicas, un resplandor de color.
Sin embargo, la corriente no es importante para PBR. La piel también conduce corriente, pero en PBR no es metal, lo que significa que no es un conductor.
Los aisladores dispersan la luz, penetra su superficie; tienen reflejo difuso y dispersión subsuperficial, resplandor con luz blanca.
Ambos tipos de materiales tienen un efecto Fresnel.
Sobre las tuberías
Tradicionalmente, tenemos dos tuberías para materiales y su preparación: especular y metal . Por lo general, se entiende que en especular hay un mapa de imagen espejo correspondiente, mientras que en metalicidad no lo es, pero hay una máscara de metalicidad, y esto se puede hacer.
Por supuesto, no todo es tan simple aquí.
La tubería especular realmente tiene un mapa especular , que controla la intensidad y el color del brillo en F0 , cuyos valores están completamente en manos del artista, y no tiene constantes incorporadas en el sombreador. Fresnel a veces se controla por separado, albedo controla solo el color, el brillo / la rugosidad controla la naturaleza de los reflejos, todo es simple aquí.
Metalness no tiene un mapa de intensidad de brillo separado; estos valores se cosen en sombreadores dentro de 2-5% para dieléctricos y 70-100% para conductores. La relación de las tarjetas aquí es ligeramente mayor: el albedo , la metalicidad y la aspereza de las tarjetas afectan el color, la intensidad y la naturaleza del reflejo especular en total. Hay una tarjeta menos en esta tubería, y teniendo en cuenta la posibilidad de empacar tarjetas en escala de grises en un RGB, dichos materiales ocupan menos memoria del sistema.
La elección de las representaciones modernas recayó casi por completo en la metalicidad en vista de su eficiencia y mayor automatización, porque tales sombreadores se encargan de los cálculos correctos de Fresnel. Aunque el especular brinda más control, este control a menudo es redundante y requiere más tiempo y esfuerzo con resultados similares. Por lo tanto, hablaremos específicamente sobre la tubería de metalness en general.
Diferencias en tuberías y mapas. Wes McDermott y Allegorithmic.
Sobre BRDF y GGX
La base de la diferencia entre PBR de la generación anterior en el cambio de BxDF. BxDF es una función de distribución X bidireccional , que suena más o menos como una función de habilidad X de dos haces . Y esta familia de funciones tiene varias habilidades: es al menos reflectancia , transmisión y dispersión : reflexión, transmisión y dispersión, respectivamente (en la literatura especializada y en los artículos, el artista se encuentra con mayor frecuencia con la variante BRDF).
Estas funciones describen el comportamiento del haz cuando interactúa con la superficie: cómo se dispersa (es decir, penetra en la capa superior y regresa), se refleja o pasa a través de un material transparente.
En nuestra historia, BxDF está estrechamente relacionado con la teoría de las microfacetas , que también tiene muchas implementaciones, a menudo nombradas por los nombres de los autores: Cook-Torrance, Ashikhmin-Shirley, GGX, etc. GGX es solo una de las implementaciones de la teoría de las microfacetas : la teoría de las micro superficies, que se usa en casi todas partes. Presenta un modelo simplificado de la micro-superficie, que junto con BxDF imita la reacción a la luz para todo tipo de interacción.
Faceta también se puede traducir como una "cara", lo que también tiene sentido. En una teoría simplificada, una superficie es una colección de caras pequeñas.
GGX no está descifrado en absoluto, el conjunto de letras se toma de las variables utilizadas en las fórmulas (o el apellido de alguien está abarrotado, la historia lo oculta). Los artistas pueden ver este término en la configuración de los parámetros de rugosidad / brillo .
Por ejemplo, uno de G es la función de enmascaramiento de sombreado bidireccional, una función de enmascaramiento / sombreado automático de dos haces.
Micro-superficie y su efecto en la reflexión especular. Wes McDermott y Allegorithmic.
Conservación de energía
La conservación de energía también es una de las constantes fundamentales de PBR y significa que la superficie no puede devolver más luz de la que recibe. En particular, el albedo y la reflexión especular se suman, y si la especular es más brillante, el albedo es menos brillante y viceversa. En general, esto es algo automatizado en los motores, a veces es posible encenderlo y apagarlo, por ejemplo, en el Marmoset Toolbag.
Sobre Fresnel
Augustin-Jean Fresnel (Augustin-Jean Fresnel), un físico francés del siglo XIX, creador de la teoría ondulatoria de la luz y los montones de otras cosas geniales, describió el efecto del nombre en sí, que consiste en el hecho de que el nivel de luz reflejada desde una superficie depende directamente del ángulo de visión de esta superficie. En un ángulo recto, es decir, F0 , obtenemos el nivel mínimo de luz reflejada especularmente que está disponible para el material. Y cuanto mayor sea el ángulo, más luz atraparemos, acercándonos al 100%.
De acuerdo con este efecto, cualquier material tiene un resplandor, en principio, todo brilla, solo necesita encontrar el ángulo correcto.
Cuando hablamos de la intensidad del brillo en general, siempre nos referimos al brillo en F0 : esto es lo que controla el artista a través de los parámetros albedo / rugosidad / metalidad .
Esquema del efecto Fresnel. Wes McDermott y Allegorithmic.
Sobre la reflexión difusa
Albedo Difuso Color base
Esquema de interacción en reflexión difusa. Wes McDermott y Allegorithmic.
Esta es la luz que cae sobre la superficie y es parcialmente absorbida por ella, y parcialmente reflejada, dispersándose aleatoriamente en las capas superiores y devolviendo al observador el color de esta misma superficie. A veces, en este caso, dicen que está pintado en el color de la superficie, pero estamos hablando de la corrección física, por lo que vale la pena repetirlo: la luz no pinta, la parte del espectro que no se ha absorbido y no se pierde vuelve a nosotros. La parte de la luz visible que es absorbida por la superficie en el mundo real pasa a la energía térmica, y en PBR esto también puede tenerse en cuenta, pero depende mucho del sombreador utilizado y en este caso es secundario.
Absorción de luz y retorno al observador de solo ondas no absorbidas. Wes McDermott y Allegorithmic.
El comportamiento del material durante la reflexión difusa está determinado por el mapa albedo , o el color base , o incluso difuso en algunos lugares. La diferencia en estos nombres proviene de la tradición y las diferentes líneas de desarrollo de motores, pero el comportamiento es el mismo en todas partes, en cualquier caso, debería serlo. El color debe capturarse en el mapa de albedo, cómo se vería en ángulo recto con la superficie de la cámara y con una iluminación 100% blanca. Sin sombras, penumbra, resplandor y todo lo que no se exprime en la definición de "color puro". Esta es la diferencia clave entre la reflexión difusa actual en PBR y la generación anterior de renderizadores, donde también se usa el término difuso , pero de una manera ligeramente diferente.
Una fotografía de un objeto con un filtro de polarización bajo iluminación directa captura su albedo , por ejemplo. La polarización elimina el deslumbramiento.
Parece que no hay nada más que decir sobre el color, pero todavía hay sutilezas.
El mapa de reflexión difusa afecta la representación de metales puros en la tubería de metalidad, manchando el resaltado en el color correspondiente. Además, el mapa de albedo afecta directamente la reflectancia especular para metales, lo que le permite variarlo en combinación con una tarjeta de metalidad . Este es un diseño bastante complicado, pero en general se ve así: cuando hacemos el material del aislante, dibujamos una máscara de metalidad negra y el sombreador asigna un brillo a F0 del 4%. Cuando hacemos transiciones en metalidad hasta el blanco, es decir, metal puro, el brillo en el mapa albedo afecta la intensidad de su brillo. Cuanto más brillante es el color en el albedo , más intenso es el brillo, que se aproxima a un valor del 100%. No tenemos control sobre el nivel de brillo del aislante. Se supone que la diferencia del 2-4% no es crítica y se enmascara a través de la aspereza , o se ajusta a través de la reflectancia especular , si es necesario y posible.
Este ejemplo se describe teniendo en cuenta los sombreadores UE4, Marmoset Toolbag y los productos Substance. Pero en general funciona en todas partes.
El efecto artístico del color de la superficie no puede subestimarse. A menudo, esto escapa a la atención de los artistas, y hacen plástico negro negro para que sea "como en la vida". Pero generalmente no hay colores monolíticos en la realidad, y las variaciones de color casi siempre están presentes en el material, esto debe entenderse y usarse.
La reflexión difusa se describe mediante una tarjeta RGB, o en términos de motores, mediante una matriz de Vector3, lo cual es lógico, estamos hablando de color.
Validación PBR
Dado que PBR se esfuerza por obtener parámetros y características reales, los valores para el brillo del albedo deben validarse y reducirse a rangos de valores reales, pero no pueden caer por debajo de 30-50 sRGB y subir por encima de 240 para dieléctricos. En el caso de metales puros, el valor de 240 puede aumentar a 255, porque este no es el valor de la reflexión difusa, sino el valor de la reflectancia especular .
Pero, por supuesto, hay sutilezas aquí.
Por ejemplo, una de las sustancias más oscuras del mundo ordinario es el carbón. El valor de brillo del albedo , traducido a sRGB, es 50, y esto está cerca del límite del mínimo que PBR puede pagar por dieléctricos. Los valores a continuación son demasiado oscuros y pueden no verse bien en diferentes condiciones de iluminación.
No hace mucho tiempo, algunas personas se tensaron y crearon un material que absorbe el 99% de la luz y parece un agujero negro en el espacio.
¿Por qué es esto importante?
Porque las reflexiones difusas y especulares funcionan en pares. Los valores de albedo demasiado oscuros afectarán la diferencia entre el albedo en sí y la reflectancia especular , y los artistas tendrán que "torcer" la luz para normalizar el deslumbramiento en F0 y la reflexión difusa, lo que conllevará una sobreexposición de toda la escena, y los materiales eventualmente se volverán no universales y se aplicarán solo a un específico iluminación
¿Por qué podría no importar esto?
Porque depende de la composición. Si se presenta la presentación de un modelo separado, y no hay iluminación global y reflexión reflejada en la escena, pero hay iluminación HDR, entonces, en general, puede hacer valores fuera de 30-50 sRGB. Y también hay una bestia semimítica "arte". "Lo que más importa no es la corrección física", dice, "sino la percepción". Y aquí es posible ya veces necesario violar las leyes que son difíciles de establecer.
Es un tema muy controvertido con respecto a la admisibilidad de violar las leyes PBR y la realidad correspondiente. En algún lugar juega en manos de la percepción, y en algún lugar es necesario mantener todos los estándares. Los ejemplos y la discusión están más allá del alcance de este texto.
En general, mantener el límite de brillo del albedo permanece en la conciencia del artista o su líder de arte, y una gran parte del trabajo en PBR que existe hoy en día no pasa esta validación en el límite inferior, lo que no les impide ser cualitativos y correctos en un aspecto inexperto. La diferencia se hace visible solo si verifica los valores y sube al límite inferior, o si un modelo ejecutado por separado se coloca en una escena con la iluminación correcta.
Pero incluso si no nos molestamos con la validación, no use color negro puro a 0 sRGB para dieléctricos.
La validación de PBR es proporcionada por varias herramientas en motores y editores. Por ejemplo, en Substance Painter hay un filtro que funciona en la parte superior de la pila completa de capas, verificando los valores.
Validación de PBR en Substance Painter. Wes McDermott y Allegorithmic.
Gráfica de valores de intensidad para algunos materiales. Datos tomados de Sébastien Lagarde y DONTDNOD.
Sobre el reflejo del espejo
Reflectancia especular
Especular es una palabra latina que se traduce como "espejo".
Esquema de la interacción de la luz en la reflexión especular. Wes McDermott y Allegorithmic.
Esto se refiere a la parte del flujo de luz que se refleja desde la superficie de acuerdo con la ley del ángulo de incidencia y vuelve al observador en su totalidad. La reflectancia especular , o la reflexión especular, es deslumbramiento, y está muy relacionada con las características de la micro-superficie. Se encuentra en ambas tuberías, pero se controla directamente en la tubería especular e indirectamente en la metalicidad .
El hecho es que el control directo del brillo es algo muy vil. Recordamos a los conductores y aislantes, pero pocos artistas sin una mesa ante sus ojos recordarán los valores exactos de intensidad, y también hay excepciones en forma de piedras preciosas. Al tener acceso a esta configuración de sombreador, es muy fácil alejarse de los valores físicamente correctos en algún lugar del plano astral, rompiendo todo el rango visual e incluso preparando materiales en nuestros hombros y la memoria de la tarjeta de video es otra tarjeta.
Además, las mediciones de los valores del mundo real se ajustan a un pequeño marco que puede automatizarse, que es lo que hicieron en metalness , habiendo seleccionado el control directo y la necesidad de pensar en esto también.
En una tubería especular , el parámetro especular se controla mediante un mapa en escala de grises en valores 0-255, un color lineal o un parámetro escalar.
El parámetro escalar aquí es el valor que se establece para el espacio bidimensional que se proyecta en el modelo. En otras palabras, cuando mueve el control deslizante en Marmoset para especular, este es el parámetro escalar.
En una tubería de metalness , generalmente no hay un control directo de la intensidad del brillo a través del parámetro especular. F0: 4-5% 80-100% , . , roughness albedo .
Cavity
specular reflectance , , , , , . , , . cavity ; , . UE4, , specular , , , specular , , cavity 0-4%. Substance- . , . .
cavity specular reflectance. . cavity , . Marmoset Toolbag 3
Metalness
PBR , - . , — - . 2-5% , — 70-100%, .
, , , , , - metalness . , . , UE4 Unity. ( « ») — : texel density .
/ specular-, , .
/. Wes McDermott Allegorithmic.
PBR, . , , - , , . specular - RGB- specular , , metalness albedo . , metalness , , , , . .
, — , . , , .
, . albedo , , Substance Painter, , . , : albedo .
- 0-255 .
Roughness. Glossiness. Smoothness.
, , , . , , , . PBR microfacet theory BRDF, , roughness , gloss , smoothness -.
— roughness . .
, roughness — , , — , , , . gloss .
specular ( metalness ), . , , , , .
Roughness , , , — , , .
grayscale- 0-255, .
Roughness- . Wes McDermott Allegorithmic.
Normal bump
, , . — , , .
, .
: vertex normal face normal , , . , hard edges .
, Zbrush , . , .
hard/soft edges , , hard edges - . UV, . PBR , -.
. . «», — , 3+n . face . Face normal — .
, 3+n .
, , . , «» . , , . , , ( tangent space , ) ( object space , ) , , .
( bump ) , , . , — normal bump bump. — . , bump , , . , , Mikk, ( Y, ).
Normal bump PBR-, , — , . , . , . , « »; , , . Rockstar RAGE — GTAIV/V, RDR1/2, Star Citizen CryEngine/Lambeyard. , , , , .
PBR .
Subsurface scattering, SSS.
, , : , . , , , .
, SSS, , : ( ) RGB-. .
SSS. .
Translucency
, SSS, . Translucency — , . Translucency - .
: , . .
Ambient occlusion
ambient occlusion — , . , . AO — , . cavity PBR-, . PBR- , . AO, . , SSAO ( screen space ambient occlusion ), HBAO ( horizon based ambient occlusion ) , . , — deferred rendering .
, - PBR , , roughness , .
, , . : https://www.gamingscan.com/what-is-ambient-occlusion/
, RTX GI , .
Que leer
Dado que este artículo no es una guía o manual detallado, sino más bien una nota, para un estudio detallado del tema, puede familiarizarse con los materiales en los enlaces a continuación.
Presentación de GGX, un montón de teoría y matemática
Guías alegóricas de PBR:
https://academy.substance3d.com/courses/the-pbr-guide-part-1
https://academy.substance3d.com/courses/the-pbr-guide-part-2
Teoría de Marmoset
Teoría del motor de filamentos
Descripción e implementación de PBR en 3dCoat
Documentación UE4
Presentación de Sebastien Lagarde
Si no está claro quién es Sebastian Lagarde, aquí hay una extensa presentación sobre Frostbite
Documentación de unidad
Introducción fija, gracias por la sugerencia a zhovner .