כיצד מבוסס פיזיקלי Rendering משפר את הסרט ואת משחק ויזואלי

מבוסס פיזיקלי Rendering (PBR) הפך אבן הפינה של חזותיים דיגיטליים מודרניים, שינוי יסודי איך סרטים משחקי וידאו להשיג ריאליות. על ידי הדמיה של התנהגות פיזית של פני השטח, PBR מספק תמונות עקביות, אמין על פני מגוון רחב של סביבות תאורה.גישה זו עברה מעבר לטכניקה מסוימת כדי להפוך לסטנדרט תעשייתי, המאפשרת אמנים ליצור עולמות immerive כי מרגיש מקיף של שיטות ייצור, מוקדם יותר, כמו גם תכונות המשחק שלה, וטכניקות פיתוח, ופעולות ספציפיות, אשר יהיו, כמו גם בעתיד, כך, כך, כך, כמו גם תכונות המשחק שלה, וטכניקות פיתוח, וטכניקות פיתוח, ופעולות קריטיות, ו-P.

מה זה מבוסס פיזית Rendering?

מבוסס פיזיקלי Rendering (PBR) הוא מודל מרתיע המשתמשת בנספחים מתמטיים של תחבורה אור בעולם האמיתי כדי לקבוע את הצבע של כל פיקסל.בניגוד למודלים מסורתיים של אד-הוק עצמי שמבוססים על פרמטרים מאומן-הכיבוי ולעתים קרובות מיוצר תוצאות בלתי עקביות תחת תאורה שונה, PBRs לדבוק בשני עקרונות מרכזיים: שימור אנרגיה ותאוריית מיקרו-פנים.

שימור אנרגיה פירושו כי פני השטח לא יכולים לשקף יותר אור מאשר זה מקבל.ב PBR, סכום של השתקפות דיפרקטית וספקטרום לעולם לא עולה על האנרגיה האור הנכנסת, אשר באופן אוטומטי מונע את הלא מציאותי מפוצץ-out מדגיש נפוץ במודלים ישנים יותר. תאוריה מיקרופט מדגימה משטח כמו אוסף של היבטים זעירים, מכווני אקראיים.

מגבלות פיזיות אלה אומרות כי חומר PBR מתנהג באופן צפוי תחת תנאי תאורה.לדוגמה, שולחן עץ גס יתפזר אור רחב להופיע הזדוטה, בעוד ספירת מתכת מלוטשת יפגין מדגיש ספקטרום חד כי שינוי עם עמדת הצופה.זה חיזוי זה אינו יקר עבור שני צינורות הסרט והמשחק, שבו נכסים חייבים להיראות נכונים בסצנות שונות או תחת תאורה דינמית.

הפיזיקה שמאחורי PBR

בבסיסו, PBR מודלים של הפונקציה התפלגות הרהורים עקיפה (BRDF) של פני השטח.ה- BRDF הנפוץ ביותר ב- PBR המודרנית הוא מודל קוק-הנס, אשר משלב מרכיבים להשתקפות דיפוזה (משקפת ה"למברטי") והשתקפות ספקטרום (התפלגות מיקרו-פנים, גיאומטריה, וגורם Fresnel). משוואות אלה אינן טריוויאליות, אבל הם ביעילות קודים על ידי חומרים מודרניים, כלומר, כלומר, כלומר, הם מסוגלים ליצור חומרים מתקדמים, באופן יעיל, כלומר, כלומר, כלומר, חומרים דינמיים, באמצעות סימולציה, כלומר, באמצעות חומרים מתקדמים, הם, הם, באמצעות סימולציה, באמצעות חומרים מתקדמים, כלומר, באמצעות תואמים, באמצעות תואמים, באמצעות חומר דינמי, באמצעות קרינת אור, הם יכולים ביעילות, באמצעות חומר דינמי, כלומר, באמצעות קרינת אור, באמצעות קרינת אור, הוא יעיל, יעיל, יעיל, יעיל, באמצעות קרינת אור, באמצעות קרינת אור, הוא יעיל, הוא יעיל, הוא יעיל, על ידי קרינת אור, הוא יעיל, הוא יעיל, הוא יעיל, הוא יעיל, כלומר, על ידי משוואות אלה, על ידי משוואות משוואות אלה, כלומר, כלומר, 000, 000,

יתרונות מרכזיים של חומר PBR

חומר PBR טיפוסי בנוי ממערך של מפות מרקם, כל אחד מהם הוא נכס פיזי ספציפי.הבנת כל מרכיב חיוני עבור אמנים ומנהלים טכניים שרוצים למנף את PBR למלוא.

Albedo (Base Color)

מפת albedo מגדירה את צבע הטבול של משטח - צבע הבסיס שלו ללא כל מידע תאורה.בניגוד לתוספת המסורתית, שבו מרקמים diffuse לעתים קרובות הכילו צללים עדינים או צללים מזויפים, PBR albedo צריך להיות שטוח נייטרלי ככל האפשר. עבור לא-metals, albedo ערכים הם בדרך כלל בטווח של 30240s זהב, הימנעות כהה מאוד או בהיר במיוחד עבור צבעים ספציפיים, כמו מתכת צבע בהיר או צבע בהיר, או צבע בהיר, בדרך כלל.

מתכת

המפה המתכתית היא מפה בינארית (או אפורה) שמספרת לצרף אם texel נתונה הוא מנצח (metal) או dielectric (לא-metal) הבחנה זו היא קריטית כי לחומרים מתכתיים יש BRDF שונה: הם משקפים כמעט את כל האור כמו ספקטרום ואין מרכיב מטבולי.

קשיחות

קשיחות (או מבריקה בחלק מהצנרת) שולטת בהתפלגות הרגילה של מיקרו-קרקע.ערך של 0 (smooth) מייצר השתקפות חדה, דמוית מראה, בעוד ערך של 1 (התוצאה) מתפזר אור בכיוונים רבים, יצירת מראה דיפוזה.קשה אינטראקציה עם אפקט Fresnel - משטחים המותים הופכים להיות מאוד רפלקטיביים בזווית מגרדת, בעוד שלעתים קרובות יותר תחושה של פרמטרים של חומר חזותי.

מפות רגילות

מפות נורמליות מקודמות בפירוט על ידי להפריע לכיוון הרגיל של per-pixel ללא תוספת גיאומטריה. ב PBR, מפות רגילות הן חיוניות להוספת מרקמים יפים כמו בליטות, משחות, או שריטות. הם בדרך כלל נוצרים מפסלים בוטה גבוהה או אלגוריתמים פרוגדוריים.איכות המפות הרגילות משפיעה ישירות על הפרטים הנתפסים, אבל הם חייבים לשמש בזהירות כדי למנוע תאורה כמו ערוצים מודרניים.

אוקטנות שאפתנית (AO)

מפות של אוקטנות מותאמות לאחסן לפני חתכים מגע ופרטים קטנים.בעוד שלא נדרשה לחלוטין עבור PBR כדי לתפקד, AO מוסיף עומק מכריע וקרקע, במיוחד עבור אזורים מוצפנים ופינות.בסרט, AO הוא לעתים קרובות אפוי לתוך הצל הסופי; במשחקים, הוא מוכפל על הצבע הסופי כדי לשפר את הניגוד המקומי.

מיקום / Maps

לרמה הגבוהה ביותר של ריאליזם, עקירה או מפות גובה ניתן להשתמש כדי למעשה לשנות את הגיאומטריה של השרש במהלך עריכת (מכירה) זה נפוץ בזרימות עבודה סרט אבל נשאר יקר עבור יישומים בזמן אמת.

מפות חוצות

מפה טעתית מגדירה אזורים פולטים אור, כגון סימנים ניאונים, לוחות זוהרים או אש. ב- PBR, משטחים טתרים מטופלים בנפרד ויכולים להאיר אובייקטים סמוכים אם ה- er תומך תאורה גלובלית. ערכים ארכיטיביים בדרך כלל אינם מגובה ל-1, המאפשרים לתפוקים דינמיים גבוהים שפורחים באופן טבעי.

כיצד PBR Differs מ Rendering מסורתי

לפני PBR הפך נפוץ, אמנים השתמשו במודלים כמו Phong, Blinn-Phong, ומ Lambert. אלה דגמים זולים וידידותיים מבחינה חישובית, אבל היו להם מגבלות חמורות.לדוגמה, צל של Phong דרש צבע ספקטרום נפרד וערכים גלויים, אשר לא היו קשורים לנכסים חומריים פיזיים.

PBR מבטל את חוסר עקביות זו על ידי התבוננות חומרית צמיגים למאפיינים פיזיים אמיתיים. אובייקט ברזל חלוד מודל PBR ייראה כמו ברזל חלודה אם הוא ממוקם במדבר בהיר באמצע היום או בונקר תת קרקעי מואר מאוד. זה עקביות להפחית באופן דרמטי את זמן ההסרה בייצור. יתר על כן, כי חומרים PBR הם בהתנהגותם, הם מגיבים כראוי תאורה מבוססת תמונה (I) וטווח דינמי עכשיו.

תאורה וחומר

אחד היתרונות המשמעותיים ביותר של PBR הוא הדהור של תאורה מהגדרה חומרית.במודלים מסורתיים, אמנים לעתים קרובות לצייר מדגישים מזויפים וצללים ישירות לתוך מרקמים או להתאים ערכים ספקטרום כדי לפצות על חוסר תאורה סביבה.עם PBR, החומר מגדיר את התכונות הפנימיות, ואת הסביבה תאורה קובע כיצד תכונות אלה ניתנות.

PBR בהפקת סרטים

בתעשיית הקולנוע, PBR הפך להיות כלוביקטי לאפקטים חזותיים ותכונות אנימציה.סרט מסורתי להפוך לעתים קרובות להשתמש צללים מותאם אישית עם tweaking כבד לכל זריקה, אבל הצורך עקביות על פני אלפי מסגרות דחף את אימוץ של מודלים המבוססים על פיזיקה.

לדוגמה, ב "Avatar: The Way of Water", תאורה תת-ימית ומשטחים הנדרשים PBR כדי לדמות במדויק את פיזור האור באמצעות מים, את השקיפות של עורי יצור, ואת התכונות הרהרטיביות של הקשקשים.צנרת PBR אפשרה לאמנים להגדיר חומרים פיזית ולאחר מכן להסתמך על פיזור חומרים המדהמים את ההארה העולמית האמיתית, יצירת גורםנים ופיזור תת-קרקעיים.

צינורות סרט PBR משתמשים לעתים קרובות בפתרונות מתקדמים כגון Renderman של Pixar (עם ה- PxrSurface shadowr) ו- Autodesk's Arnold (עם ה-iStandardSurface Shadowr) אלה הצללים משלבים את כל מפות PBR סטנדרטיות בתוספת תכונות נוספות כמו תת-קרקעית, התערבות פילים דקים, ושכבות ברורות של הטקסטורה.

חשיבות זרימת העבודה של Linear

היבט מכריע נוסף של PBR בסרט הוא זרימת העבודה ליניארית.ההשראה המסורתית נעשה לעתים קרובות בחלל מתוקן gamma, המוביל חישובים תאורה לא נכונים. PBR מניח כי כל הטקסטמות והה תאורה הם ליניאריים (gamma= 1.0) לעבוד בחלל צבע ליניארי וליישם תיקון gamma רק בשלב הסופי של הפלט.זה מבטיח כי עוצמת האור וצבע מתנהג פיזית רבים שימוש צבע מודרני.

PBR ב-Time Game Engines

ביצוע בזמן אמת למשחקים היה בתחילה איטי יותר לאמץ PBR בשל מגבלות ביצועים. עם זאת, עם עליית GPUים חזקים מודלים צלר יעיל, PBR הוא עכשיו סטנדרטי במנועי כמו Unreal Engine 5, Unity 6, ו CryEngine. אלה מנועי ליישם גרסאות פשוטות של קוק-Torrance BRDF לרוץ על מעבר פיקסל יחיד, בשילוב עם תאורה מבוססת תמונה ממפות טרום סינון.

יישום של Unreal Engine, למשל, משתמש במודל חומר PBR סטנדרטי עם צבע בסיס, גסות מתכתי, מפות רגילות אופציונלית.מנוע pre-computes irradiance ו-specular irradiance ממפות סביבה, לאחסן אותם במפתים convolution. במהלך הפעלת תגובה, את הדגמות הצלרים האלה מבוסס ביעילות על גסות, מתן השתקפות מציאותית בעלות נמוכה זו של 20 קנאות, כמו "מפס" או "מפס" (C" (Credital") כמו "מפס" (Credance) של אור" (Ricial) או "מפס" (Ricial) כמו "מחדשהחליפה" (Ricial) ב-" (Ricial) ב-" (Ricial) ב-Ricial) ב-Riciallypplans) ב-Ricial) ב-Ricial) ב-Ricial) ב-Ricial) ב-" (Riciallypplans) ב-" (Ricial) ב-" (Ricial) ב-" (Riciallyplans) ב-"בצורה של מטריקס) ב-"בצורה

אופטימיזציה ל-Real-Time

Real-Time PBR חייב לאזן איכות עם ביצועים.אופטימיזציה אחת היא השימוש של אנטי-פליה ספקית כדי להפחית את הניצוצות על פני השטח המחוספסים.עוד הוא השימוש בדחיסה מרקם עבור מפות PBR; מפות רגילות לעתים קרובות דחוסות עם BC5, בעוד BC7 משמש עבור albedo וערוצים אחרים. הפרמטרים החומריים הם גם מוגבלים לטווח מוגבל - לדוגמה, מתכתי הוא תמיד 0 או 1 ל- to פחות מורכבות, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם תכונות מורכבות יותר.

דוגמאות אמיתיות בעולם

דוגמה בולטת של PBR במשחקים היא "Red Dead Redemption 2" על ידי Rockstar Games.המשחק משתמש במנוע מותאם אישית המעסיק PBR עבור כל פני השטח - מעץ הממוזג של הבר העליון של סלון ועד הזיעה על מעיל הסוס.חומרי PBR מבטיחים כי העולם הפתוח מרגיש עקבי בין אם השחקן הוא בהיר, עמוק, או בגשם שבו סופות פני השטח הופכים למגבונים (reductionness) באופן דומה כדי ליצור עומק ואפקטיביות מוגברת של "פר" (Roundness")

אמנות וקוויפטציה טכניים עבור PBR

יצירת נכסים באיכות גבוהה PBR דורש צינור מובנה המשלב 3D מודלים, פיסול, טקסט, הקצאה חומר.התהליך מתחיל בדרך כלל עם פיסול גבוה כי ללכוד פרטים על פני השטח בסדר.פרטים אלה הם אז אפוי למטה על מזכר נמוך-polygon כדי לייצר מפות נורמליות ומפות של occlusion.

עבור טקסט, יישומים כמו צייר משנה או Adobe 3D הם דומיננטיים.הם מאפשרים לאמנים לצייר ישירות על המודל באמצעות חומרים חכמים אשר מייצרים באופן פרוצדורלי אלבדו, גסות, מתכתיות, ומפות רגילות בו זמנית.אמן יכול ליישם חומרים שנבנו מראש המבוססים על נתונים נמדדים בעולם האמיתי, כגון עור, בטון, או זהב, ולאחר מכן להתאים פרמטרים מקומיים לא הרס ומערכת תאורה מהירה.

באולפנים גדולים יותר, נכסים עוברים תהליך של כוונון שבו אמנים טכניים לאמת את תקני הפרויקט של PBR.לדוגמה, מפות אלבדו נבדקות לערכים בלתי חוקיים ( חשוך מדי או בהיר מדי), מפות מתכתיות הן בינאריות, ומפות רגילות מאומתות לנטייה נכונה של חלל שיזוף.

מתוך Scan to Shader

יותר ויותר, סרטים ומשחקים גבוהים משתמשים בפוטמוגרפיה או בסריקות לידר של אובייקטים אמיתיים כדי ללכוד מרקמים מדויקים PBR.הנתונים הגולמיים מעובדים כדי ליצור מפות מתפוגגות, גסות ומידע רגיל.טכניקה זו שימשה באופן נרחב ב"מלחמת הכוכבים: הכוח מתעורר" כדי ליצור את הדשנים והחלפיים.

היתרונות והאתגרים של PBR

יתרונות

• (ב) [15], שקיפות על פני תאורה: 1FLT:1; נכס PBR נשאר תיקון מבחינה ויזואלית תחת כל תאורה, צמצום עבודות.
• (FLT:0) ,הנחישות האמנותית: FLT:1 אמנים לבסס את הפרמטרים החומריים שלהם על המדידות הפיזיות, לא שקופיות שרירותיות.
• (ב) ניתן לשתף חומרים והגדרות צלל (FLT:1 ), על פני פרויקטים ופלטפורמות, לחסוך זמן.
• (ב) ⁇ :0) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ,0) צנרת מקודרית: 1FLT:1 PBR מאפשר הפרדה נקייה בין יצירת אמנות תאורה, המאפשרת התמחות.

אתגרים

• (FLT:0) למד עקומה: 1 אמן מעבר מן הגילוח המסורתי חייב להבין מושגים חדשים כמו מרחב צבע ליניארי ושימור אנרגיה.
• (ב) עלות הרפורמות:0) עלות הפריפורמנטלית: 1:1 בזמן אמת PBR pixel מצלמים כבדים יותר ממודלים פשוטים של Phong, אם כי GPUs מודרניים מטפלים בהם היטב.
• (ב) זיכרון זיכרון:0 (Texture memory:FLT:1 באמצעות מפות מרובות PBR (אלbedo, מתכתי, גסות, נורמלי, AO וכו ') מגביר את השימוש בזיכרון.
• (ב) ,0) יתר על המידה: נכסים מסוימים אינם זקוקים לפרטי PBR מלאים; חומרים פשוטים עשויים להספיק לאובייקטי רקע.
• כלי תפוצה:0 (Validation Tools: FLT:1hil ללא בדיקות אוטומטיות, חומרים יכולים להפר באופן בלתי נמנע עקרונות PBR, לשבור ריאליזם.

עתיד PBR בקולנוע ובמשחקים

PBR ממשיך להתפתח עם התקדמות בחומרה וטכניקות עריכת .מגמה אחת גדולה היא שילוב של ray בזמן אמת מסלול עם חומרים PBR. בסרט, גידור צילומי שימש תמיד עבור תאורה גלובלית באיכות גבוהה, אבל עכשיו משחקים יכולים למנף חומרה מוקרן מראש (באמצעות NVID RTX, AMD FSR) כדי להתאים השתקפות מדויקת ושילובים עבור משטחים לא ממוחזרים כמו "מקלט" (FDoled , כמו "מחדש" (ה" (ה-FDoled ," ," ," ," ," ," ," ," ,"מחדשהגרסה רדיו RTD) קרינת רדיו RTX RTX RT, AMD FSR) כדי להתאים , AMD FSR) כדי לשנות סימולציה מדויקת ו-FSR) כדי לשנות סימולציה מדויקת ו-FSR) כדי לשנות סימולציה מדויקת ו-FSR) עבור סימולציה מדויקת ו-מחדשהטבעת מציאות מדומה, כמו "מחדשהטבעת מציאות מדומה קרינת כדוריות, כמו "מחדשה" קרינת כדור אמיתי ו-" קרינת כדור אחורית" קרינת כדוריות" קרינת כדור אמיתי, כמו "מחדשה"

גבול נוסף הוא השימוש בלמידה של מכונות עבור הדור החומרי של PBR. Tools כמו Gaugan של NVIDIA ו- Substance 3D של תכונות AI מופעלות על ידי AI יכול ליצור מפות PBR סבירות מקלט פשוט כמו מפות סמנטיות או אפילו תיאורים טקסט.זה יקטין עבודה ידנית ויאפשר לאולפנים קטנים יותר להשיג איכות AAA.

יתר על כן, אימוץ של מפרט PBR סטנדרטי, כגון "Khronos glTF 2.0 PBR מודל", הוא מאפשר החלפת נכסים חוצה פלטפורמות. glTF משתמש בהגדרה מתכתית פשוטה PBR שפועלת ביעילות בכל מנוע. as בזמן אמת גרפיקה מתמזגת יותר ויותר עם VFX בסגנון סרט (ייצור וירטואלי עם Unreal Engine), זה יהיה קריטי עבור שילוב.

הדור הבא של קונסולות המשחק (PS6, הבא Xbox) ו- PC GPUs סביר לתמוך פיזית בהתבסס על קידוד דינמי, טקסט וירטואלי, והארון העולמי בזמן אמת בשיעורי מסגרת גבוהים יותר.מכשירים ניידים גם מקבלים יעילות יותר PBR, באמצעות Vulkan API ומרקמים עמוקים יותר.המטרה היא להפוך את PBR לנגיש לכל מקום ללא להקריב את הליבה פיזית זה עושה כך חזקה.

מסקנה

מבוסס פיזיקלי Rendering הפך את הנוף החזותי של שני משחקי הסרט ווידאו.על ידי מיפוי של מראה חומרי בפיסיקה של העולם האמיתי, PBR מספק תמונה עקבית, ריאליסטית כי לטבול קהלים וסימולציות ייצור זרמי ייצור.מרכיבי הליבה של albedo, מתכתי, גספטציה רגילה מפות, צינורות המתוחמים כי לייצר ומאמת את המרקם אלה, PBR מייצג שינוי באופן שבו הוא מתפתח, כמו אמנים דיגיטליים, כמו גם כן, כמו פיתוח, כמו משחק מחשבתי, וטכניקות מחשבתיים, ואפקטים, כמו גם כן, רק עבור חומר חזותי, ואפקטים, כמו גם כן, כמו גם כן, הוא מתפתח, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, או חומרים חזותי, או חומרים חזותי, או חומרים חזותי, או חומרים חזותי, כמו גם כן, כמו גם כן, הוא מתפתח, כמו גם כן, הוא מתפתח, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו משחק מחשבתיים, או פורמט אמיתי, כמו גם כן, הוא מבטיח את הטכניקות מחשבתי וידאו, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו משחק מחשבתי וידאו, ויזואליתמטיים,