El renderizado de base física ( PBR ) es un enfoque de gráficos por computadora que busca renderizar imágenes de una manera que modele el flujo de luz en el mundo real. Muchas tuberías de PBR tienen como objetivo lograr el fotorrealismo . Aproximaciones factibles y rápidas de la función de distribución de reflectancia bidireccional y la ecuación de representación son de importancia matemática en este campo. La fotogrametría se puede utilizar para ayudar a descubrir y codificar propiedades ópticas precisas de los materiales. Los sombreadores se pueden utilizar para implementar los principios de PBR.
Historia
A partir de la década de 1980, varios investigadores de renderizado trabajaron para establecer una base teórica sólida para el renderizado, incluida la corrección física. Gran parte de este trabajo se realizó en el Programa de Gráficos por Computadora de la Universidad de Cornell ; un artículo de 1997 de ese laboratorio [1] describe el trabajo realizado en Cornell en esta área hasta ese momento.
Matt Pharr , Greg Humphreys y Pat Hanrahan popularizaron más la frase "Representación basada en la física" en su libro del mismo nombre de 2014, un trabajo fundamental en gráficos por computadora modernos que le valió a sus autores un premio de la Academia por logros técnicos por efectos especiales. . [2]
Proceso
PBR es, como dice Joe Wilson, "más un concepto que un conjunto estricto de reglas" [3] - pero el concepto contiene varios puntos distintivos de nota. Uno de ellos es que, a diferencia de muchos modelos anteriores que buscaban diferenciar las superficies entre no reflectantes y reflectantes, PBR reconoce que, en el mundo real, como dice John Hable, "todo es brillante". [4] Incluso las superficies "planas" o "mate" del mundo real, como el hormigón , reflejarán un pequeño grado de luz, y muchos metales y líquidos reflejarán una gran cantidad de ella. Otra cosa que los modelos PBR intentan hacer es integrar la fotogrametría (mediciones de fotografías de materiales del mundo real) para estudiar y replicar rangos físicos reales de valores para simular con precisión el albedo , el brillo , la reflectividad y otras propiedades físicas. Por último, PBR pone mucho énfasis en las microfacetas y, a menudo, contendrá texturas y modelos matemáticos adicionales destinados a modelar reflejos y cavidades especulares a pequeña escala resultantes de la suavidad o rugosidad, además de los mapas especulares o de reflectividad tradicionales.
Superficies
Los temas de PBR que tratan con superficies a menudo se basan en un modelo simplificado de la función de distribución de reflectancia bidireccional ( BRDF ) que es rápido de calcular y se aproxima bien a las propiedades ópticas del material utilizando solo unos pocos parámetros intuitivos. Las técnicas comunes son aproximaciones y modelos simplificados, que intentan ajustar modelos aproximados a datos más precisos de otros métodos o mediciones de laboratorio que consumen más tiempo (como los de un gonioreflectómetro ).
Como lo describe el investigador Jeff Russell de Marmoset, una tubería de renderización basada en la superficie física y enfocada también puede enfocarse en las siguientes áreas de investigación: [5]
- Reflexión
- Difusión
- Translucidez y transparencia
- Conservacion de energia
- Metalicidad
- Reflexión de Fresnel
- Dispersión de micro superficies
Volúmenes
PBR también se extiende a menudo a representaciones de volumen , con áreas de investigación como:
- Efectos relacionados con la lente / Ángulo de visión / Profundidad de campo
- Cáusticos
- Dispersión de la luz
- Medios participantes
- Propiedades visuales atmosféricas como:
- Ciclo día - noche
- Elevación
- Distancia angular del Sol o la Luna u otros objetos orbitales
- Condiciones meteorológicas y del cielo , incluidas las nubes , las precipitaciones y los oscurecimientos de aerosoles como la niebla o la bruma .
Solicitud
Gracias al alto rendimiento y los bajos costos del hardware moderno [6], se ha vuelto factible utilizar PBR no solo para fines industriales sino también de entretenimiento donde se desean imágenes fotorrealistas, como videojuegos o creación de películas. [7] El hardware de gama media a alta actual es capaz de producir y reproducir contenido PBR y existe un mercado de software gratuito y fácil de usar que permite a los diseñadores de todos los niveles de experiencia aprovechar los métodos de renderización basados en la física, como :
- 3ds máximo
- maya
- Babylon.js
- Licuadora
- Cine 4D
- Motor grito
- Vue
- Godot (motor de juego)
- Houdini (SideFX)
- jME
- Microstation
- Minecraft GLSL Shaders
- Rinoceronte 3D
- Estudio Roblox
- Sketchfab
- Paso
- Unigine
- Unidad
- Unreal Engine 4
- Webots
Una aplicación típica proporciona una interfaz gráfica de usuario intuitiva que permite a los artistas definir y superponer materiales con propiedades arbitrarias y asignarlos a un objeto 2D o 3D dado para recrear la apariencia de cualquier material sintético u orgánico. Los entornos se pueden definir con texturas o sombreadores procedimentales, así como geometría procedimental, mallas o nubes de puntos. [8] Si es posible, todos los cambios se hacen visibles en tiempo real y, por lo tanto, permiten iteraciones rápidas. Las aplicaciones sofisticadas permiten a los usuarios expertos escribir sombreadores personalizados en un lenguaje de sombreado como HLSL o GLSL , aunque cada vez más editores de materiales basados en nodos que permiten un flujo de trabajo basado en gráficos con soporte nativo para conceptos importantes como la posición de la luz, los niveles de reflexión y emisión y la metalicidad y una amplia gama de otras funciones matemáticas y ópticas están reemplazando a los sombreadores escritos a mano para todas las aplicaciones menos las más complejas.
Referencias
- ^ Greenberg, Donald P. (1 de agosto de 1999). "Un marco para la síntesis de imágenes realistas" (PDF) . Comunicaciones de la ACM . 42 (8): 44–53. doi : 10.1145 / 310930.310970 . Archivado (PDF) desde el original el 24 de septiembre de 2018 . Consultado el 27 de noviembre de 2017 . CS1 maint: parámetro desalentado ( enlace )
- ^ Pharr, Matt, Humphreys, Greg y Hanrahan, Pat. "Representación basada en la física" . Consultado el 14 de noviembre de 2016.
- ^ Wilson, Joe. "Representación basada en la física, ¡y tú también puedes!" Consultado el 12 de enero de 2017.
- ^ Hable, John. "Everything Is Shiny" Archivado el 5 de diciembre de 2016 en la Wayback Machine . Consultado el 14 de noviembre de 2016.
- ^ Russell, Jeff, "Teoría de PBR" . Consultado el 20 de agosto de 2019.
- ^ Kam, Ken. "Cómo la ley de Moore favorece ahora a Nvidia sobre Intel" . Forbes . Consultado el 29 de mayo de 2018 .
- ^ "Representación basada en la física: de la teoría a la implementación" . www.pbrt.org . Consultado el 29 de mayo de 2018 .
- ^ "Nubes de puntos" . Centro de ayuda de Sketchfab . Consultado el 29 de mayo de 2018 .