Физически обоснованный рендеринг ( PBR ) — это подход к компьютерной графике , который направлен на рендеринг изображений таким образом, чтобы моделировать свет и поверхности с помощью оптики в реальном мире. Его часто называют «физически обоснованным освещением» или «физически обоснованным затенением». Многие конвейеры PBR направлены на достижение фотореализма . Возможные и быстрые аппроксимации функции распределения двунаправленной отражательной способности и уравнения рендеринга имеют математическое значение в этой области. Фотограмметрия может использоваться для обнаружения и кодирования точных оптических свойств материалов. Принципы PBR могут быть реализованы в приложениях реального времени с использованием шейдеров или в автономных приложениях с использованием трассировки лучей (графики) или трассировки путей .
Начиная с 1980-х годов ряд исследователей рендеринга работали над созданием прочной теоретической основы рендеринга, включая физическую корректность. Большая часть этой работы была проделана в рамках Программы компьютерной графики Корнелльского университета ; статья 1997 года из этой лаборатории [1] описывает работу, проделанную в Корнелле в этой области на тот момент.
«Физически обоснованное затенение» было представлено Ёсихару Готандой во время курса «Физически обоснованные модели затенения в производстве фильмов и игр» на SIGGRAPH 2010. За ним последовал курс «Физически обоснованное затенение в теории и практике», организованный Стивеном Хиллом и Стивеном Маколи в период с 2012 по 2012 год. 2020.
Фраза «Физически обоснованный рендеринг» была более широко популяризирована Мэттом Фарром , Грегом Хамфрисом и Пэтом Ханраханом в их одноименной книге 2004 года, плодотворной работе в области современной компьютерной графики, которая принесла ее авторам премию Американской киноакадемии за технические достижения за специальные эффекты. . [2] Сейчас книга находится в четвертом издании. [3]
Первую успешную, но частичную реализацию физического рендеринга в видеоигре можно найти в игре «Помни меня» 2013 года, которая, несмотря на то, что была построена на игровом движке, изначально не поддерживающем эту технологию ( Unreal Engine 3) , была должным образом модифицирована для обеспечения этой возможности. особенность. [4] Несмотря на умеренный подход к PBR, его точность была дополнительно улучшена с помощью последующих игр, 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 – это, как выразился Джо Уилсон, «скорее концепция, чем строгий набор правил» [4] – но эта концепция содержит несколько отличительных моментов. Одним из них является то, что – в отличие от многих предыдущих моделей, которые стремились различать поверхности между неотражающими и отражающими – 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 степень света, а многие металлы и жидкости отражают его большую часть. Еще одна вещь, которую пытаются сделать модели PBR, — это интегрировать фотограмметрию — измерения по фотографиям реальных материалов — для изучения и воспроизведения реальных физических диапазонов значений для точного моделирования 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 впадин , возникающих в результате гладкости или шероховатости, в дополнение к традиционным картам зеркального отражения или отражательной способности.
PBR часто использует функции распределения двунаправленного рассеяния для расчета видимого света, отраженного в заданной точке поверхности . Общие методы используют аппроксимации и упрощенные модели, которые пытаются подогнать приблизительные модели к более точным данным, полученным из других, более трудоемких методов или лабораторных измерений (например, гониорефлектометра ) .
Как описал исследователь Джефф Рассел из Marmoset, физически ориентированный на поверхность конвейер рендеринга может также фокусироваться на следующих областях исследований: [6]
PBR также часто распространяется на объемную визуализацию с такими областями исследований, 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 создании фильмов. [2] Сегодняшнее оборудование среднего и высокого класса способно создавать и отображать PBR-контент, и существует рынок простого в использовании программного обеспечения, которое позволяет дизайнерам любого уровня опыта воспользоваться преимуществами физических методов рендеринга, таких как:
Типичное приложение предоставляет интуитивно понятный графический интерфейс пользователя , который позволяет художникам определять и наслаивать материалы с произвольными свойствами, а также назначать их данному 2D- или 3D-объекту для воссоздания внешнего вида любого синтетического или органического материала. Среды могут быть определены с помощью процедурных шейдеров или текстур, а также процедурной геометрии, сеток или облаков точек . [5] По возможности все изменения отображаются в режиме реального времени и, следовательно, позволяют проводить быстрые итерации. Сложные приложения позволяют опытным пользователям писать собственные шейдеры на языке шейдеров , таком как HLSL или GLSL , хотя все чаще появляются редакторы материалов на основе узлов, которые позволяют использовать рабочий процесс на основе графов с встроенной поддержкой таких важных понятий, как положение света, уровни отражения и излучения и металличность и широкий спектр других математических и оптических функций заменяют рукописные шейдеры во всех приложениях, кроме самых сложных.