Физически обоснованный рендеринг ( PBR ) — это подход к компьютерной графике , который стремится визуализировать изображения таким образом, чтобы моделировать освещение и поверхности с оптикой в реальном мире. Его часто называют «физически обоснованным освещением» или «физически обоснованным затенением». Многие конвейеры PBR направлены на достижение фотореализма . Осуществимые и быстрые аппроксимации функции распределения двунаправленной отражательной способности и уравнения рендеринга имеют математическое значение в этой области. Фотограмметрия может использоваться для помощи в обнаружении и кодировании точных оптических свойств материалов. Принципы PBR могут быть реализованы в приложениях реального времени с использованием шейдеров или в автономных приложениях с использованием трассировки лучей или трассировки пути .
Начиная с 1980-х годов ряд исследователей рендеринга работали над созданием прочной теоретической основы для рендеринга, включая физическую корректность. Большая часть этой работы была проделана в рамках Программы компьютерной графики Корнеллского университета ; статья 1997 года из этой лаборатории [1] описывает работу, проделанную в Корнелле в этой области к тому моменту.
«Физически обоснованное затенение» было представлено Ёсихару Готандой во время курса «Модели физически обоснованного затенения в производстве фильмов и игр» на конференции SIGGRAPH 2010. За ним последовал курс «Физически обоснованное затенение в теории и на практике», организованный Стивеном Хиллом и Стивеном Маколи в период с 2012 по 2020 год.
Термин «физически обоснованный рендеринг» был более популярен Мэттом Фарром , Грегом Хамфрисом и Пэтом Ханраханом в их одноименной книге 2004 года, основополагающей работе в области современной компьютерной графики, которая принесла ее авторам премию «Оскар» за технические достижения в области спецэффектов . [2] В настоящее время книга находится в четвертом издании. [3]
Первая успешная, хотя и частичная реализация физически обоснованного рендеринга в видеоигре может быть найдена в игре Remember Me 2013 года , которая, несмотря на то, что была создана на игровом движке, изначально не поддерживающем эту технологию ( Unreal Engine 3 ), была должным образом модифицирована для поддержки этой функции. [4] Несмотря на умеренный подход к PBR, его точность была дополнительно улучшена в последующих играх, таких как Ryse: Son of Rome и Killzone Shadow Fall , выпущенных в том же году, до текущего состояния достижений PBR в 2020-х годах. [5] [6]
PBR, как выразился Джо Уилсон, «скорее концепция, чем строгий набор правил» [4] – но концепция содержит несколько отличительных моментов, на которые следует обратить внимание. Одним из них является то, что – в отличие от многих предыдущих моделей, которые стремились различать поверхности на неотражающие и отражающие – PBR признает, что в реальном мире, как выразился Джон Хейбл, «все блестящее». [7] Даже «плоские» или «матовые» поверхности в реальном мире, такие как бетон, будут отражать небольшую часть света, а многие металлы и жидкости будут отражать большую его часть. Еще одна вещь, которую пытаются сделать модели PBR, – это интегрировать фотограмметрию – измерения с фотографий реальных материалов – для изучения и воспроизведения реальных физических диапазонов значений для точной имитации альбедо , блеска , отражательной способности и других физических свойств. Наконец, PBR уделяет большое внимание микрограням и часто содержит дополнительные текстуры и математические модели, предназначенные для моделирования мелкомасштабных зеркальных бликов и полостей, возникающих из-за гладкости или шероховатости, в дополнение к традиционным картам зеркальности или отражательной способности.
PBR часто используют двунаправленные функции распределения рассеяния для расчета видимого света, отраженного в заданной точке на поверхности . Обычные методы используют приближения и упрощенные модели, которые пытаются подогнать приближенные модели к более точным данным из других, более трудоемких методов или лабораторных измерений (например, гониорефлектометра ) .
Как описывает исследователь Джефф Рассел из Marmoset, физически обоснованный конвейер поверхностного рендеринга может также сосредоточиться на следующих областях исследований: [6]
PBR также часто распространяется на объемную визуализацию , при этом исследуются такие области, как:
Благодаря высокой производительности и низкой стоимости современного оборудования [8] стало возможным использовать PBR не только в промышленных, но и в развлекательных целях везде, где требуются фотореалистичные изображения, например, в видеоиграх или при создании фильмов. [2] Современное оборудование среднего и высокого класса способно производить и отображать PBR-контент, и существует рынок простого в использовании программного обеспечения, которое позволяет дизайнерам с любым опытом использовать преимущества физически обоснованных методов рендеринга, таких как:
Типичное приложение предоставляет интуитивно понятный графический пользовательский интерфейс , который позволяет художникам определять и накладывать материалы с произвольными свойствами и назначать их заданному 2D- или 3D-объекту для воссоздания внешнего вида любого синтетического или органического материала. Окружение может быть определено с помощью процедурных шейдеров или текстур, а также процедурной геометрии или сеток или облаков точек . [5] Если возможно, все изменения делаются видимыми в реальном времени и, следовательно, позволяют выполнять быстрые итерации. Сложные приложения позволяют опытным пользователям писать собственные шейдеры на языке шейдеров , таком как HLSL или GLSL , хотя все больше редакторов материалов на основе узлов, которые позволяют использовать рабочий процесс на основе графов с собственной поддержкой важных концепций, таких как положение света, уровни отражения и излучения и металличность, а также широкий спектр других математических и оптических функций, заменяют рукописные шейдеры для всех приложений, кроме самых сложных.