Как физический рендеринг улучшает игровые и киновизуальные эффекты

Физически обоснованный Рендеринг (PBR) стал краеугольным камнем современной цифровой визуализации, фундаментально изменяя то, как фильмы и видеоигры достигают реализма. Путем моделирования физического поведения света на поверхностях PBR обеспечивает согласованные, правдоподобные изображения в широком диапазоне осветительных сред. Этот подход вышел за рамки нишевой техники, чтобы стать отраслевым стандартом, позволяя художникам создавать захватывающие миры, которые ощущаются осязаемыми. В этом всестороннем исследовании мы рассмотрим основные принципы PBR, его компоненты, то, как он отличается от более ранних методов рендеринга, его конкретные приложения в кино и игровом производстве, инструменты и трубопроводы, которые его поддерживают, и будущее направление этой важной технологии.

Что такое физический рендеринг?

Физически обоснованный рендеринг (PBR) - это модель затенения, которая использует математические приближения реального переноса света для определения цвета каждого пикселя.В отличие от традиционных моделей затенения, которые опирались на параметры, настроенные художником, и часто давали противоречивые результаты при различном освещении, PBR придерживается двух ключевых принципов: энергосбережение и теория микрофасетов.

Энергосбережение означает, что поверхность не может отражать больше света, чем получает. В PBR сумма диффузных и зеркальных отражений никогда не превышает поступающую световую энергию, что автоматически предотвращает нереалистичные выдуваемые выделения, характерные для более старых моделей затенения. Теория микрофасетов моделирует поверхность как совокупность крошечных, случайным образом ориентированных граней. Общие свойства отражения и преломления рассчитываются статистическими распределениями этих граней, основанными на таких параметрах, как шероховатость. Такой подход воспроизводит такие эффекты, как отражения Френеля, где поверхности отражаются сильнее под углами выпаса, и тонкое цветение металлических поверхностей, когда свет попадает на них.

Эти физические ограничения означают, что материал PBR ведет себя предсказуемо при любом состоянии освещения. Например, грубый деревянный стол будет широко рассеивать свет и выглядеть матовым, в то время как полированная металлическая сфера будет демонстрировать резкие зеркальные блики, которые меняются с позицией зрителя. Эта предсказуемость неоценима как для фильмов, так и для игровых трубопроводов, где активы должны выглядеть правильно во многих различных сценах или при динамическом освещении.

Физика позади PBR

По своей сути, PBR моделирует функцию распределения двунаправленного отражения (BRDF) поверхности. Наиболее широко используемой BRDF в современном PBR является модель Кука-Торранса, которая включает в себя компоненты для диффузного отражения (ламбертово отражение) и зеркального отражения (микрофасетное распределение, затухание геометрии и фактор Френеля). Эти уравнения не тривиальны, но они были оптимизированы в коде шейдера для эффективной работы на современных графических процессорах. Ключевое понимание заключается в том, что с помощью физически правдоподобных параметров художники могут создавать материалы, которые правильно реагируют на измерения света в реальном мире, такие как карты окружающей среды с высоким динамическим диапазоном (HDR).

Ключевые компоненты материала PBR

Типичный материал PBR построен из набора карт текстуры, каждая из которых кодирует определенное физическое свойство. Понимание каждого компонента необходимо для художников и технических директоров, которые хотят максимально использовать PBR.

Альбедо (основной цвет)

Карта альбедо определяет диффузный цвет поверхности — ее базовый цвет без какой-либо информации о освещении. В отличие от традиционного рендеринга, где диффузные текстуры часто содержат тонкое затенение или поддельные тени, альбедо PBR должно быть как можно более плоским и нейтральным. Для неметаллов значения альбедо обычно находятся в диапазоне 30-240 сРГБ, избегая чрезвычайно темных или ярких значений, за исключением конкретных материалов, таких как ткань или бетон. Для металлов карта альбедо должна представлять цвет отражения; чистые металлы, такие как золото или медь, имеют различные цвета, в то время как другие металлы, как правило, серые или серебристые.

металлический

Металлическая карта представляет собой двоичную (или серую) карту, которая сообщает рендереру, является ли данный тексель проводником (металлом) или диэлектриком (неметаллом). Это различие имеет решающее значение, поскольку металлические материалы имеют различный БРДФ: они отражают почти весь свет как спектральный и не имеют диффузного компонента. Неметаллы, с другой стороны, отражают только незначительный спектральный изюминку и демонстрируют диффузные цвета. Общий рабочий процесс зажимает металлические значения до 0 или 1, чтобы избежать неоднозначных смесей, хотя некоторые системы позволяют интерполяцию для сложных поверхностей, таких как ржавый металл.

грубость

Грубость (или глянцевость в некоторых трубопроводах) контролирует нормальное распределение микроповерхностей. Значение 0 (гладкий) производит резкие зеркальные отражения, в то время как значение 1 (грубый) рассеивает свет во многих направлениях, создавая диффузный вид. Грубость взаимодействует с эффектом Френеля - гладкие поверхности становятся высоко отражающими при углах выпаса, в то время как грубые поверхности поддерживают более последовательную интенсивность отражения. Этот параметр часто наиболее влиятелен для визуального ощущения материала.

Нормальные карты

Нормальные карты кодируют детали поверхности, нарушая нормальное направление на пиксель без добавления геометрии. В PBR нормальные карты необходимы для добавления тонких текстур, таких как бугорки, вмятины или царапины. Они обычно генерируются из высокополигональных скульптур или процедурных алгоритмов. Качество нормальных карт напрямую влияет на воспринимаемую деталь, но они должны использоваться осторожно, чтобы избежать артефактов, таких как защемленное освещение или обменные каналы. Многие современные двигатели поддерживают нормальные карты тангенс-пространства, которые работают последовательно независимо от ориентации сетки.

Окружающая окклюзия (AO)

Карты окклюзии окружающей среды хранят предварительно вычисленные контактные тени и детали полости. Хотя это не строго требуется для функционирования PBR, AO добавляет критическую глубину и заземление, особенно для утопленных областей и углов. В фильме AO часто запекается в окончательный шейдер; в играх он умножается на окончательный цвет для улучшения локального контраста. Важно отметить, что AO не следует умножать на карту альбедо, так как это вводит запеченное освещение, которое нарушает принципы PBR. Вместо этого он применяется в качестве отдельного фактора.

Карты переезда/высоты

Для самого высокого уровня реализма карты смещения или высоты могут использоваться для фактического изменения геометрии сетки во время рендеринга (деселлерации). Это распространено в рабочих процессах пленки, но остается дорогостоящим для приложений в реальном времени. Гибридные подходы, такие как параллаксное картирование окклюзии, обеспечивают среднюю точку, давая иллюзию глубины без дополнительной геометрии.

Эмиссивные карты

Излучающая карта определяет области, излучающие свет, такие как неоновые знаки, светящиеся панели или огонь. В PBR излучающие поверхности обрабатываются отдельно и могут освещать близлежащие объекты, если рендерер поддерживает глобальное освещение. Излучающие значения обычно не зажимаются до 1, что позволяет получать выходы с высоким динамическим диапазоном, которые цветут естественным образом.

Чем ПБР отличается от традиционного рендеринга

До того, как PBR получил широкое распространение, художники использовали модели Phong, Blinn-Phong и Lambert. Эти модели были вычислительно дешевыми и удобными для художника, но имели серьёзные ограничения. Например, шейдер Phong требовал отдельных зеркальных цветов и значений экспоненты, которые не были привязаны к физическим свойствам материала. В результате материал, который отлично смотрелся под одним источником света, мог выглядеть совершенно иначе под другим, заставляя художников перезажигать или перетекстурировать активы для каждой новой сцены.

PBR устраняет эту несоответствие, связывая внешний вид материала с реальными физическими характеристиками. Ржавый железный объект, смоделированный в PBR, будет выглядеть как ржавое железо, независимо от того, помещен ли он в яркий полдень в пустыне или в тускло освещенный подземный бункер. Эта консистенция значительно сокращает время итерации в производстве. Кроме того, поскольку материалы PBR являются линейными в своем поведении, они правильно реагируют на освещение на основе изображений (IBL) и среды с высоким динамическим диапазоном, которые теперь являются стандартными как в трубопроводах для рендеринга фильмов, так и в играх.

Разделяя освещение и материал

Одним из наиболее существенных преимуществ PBR является отсоединение освещения от определения материала. В традиционных моделях художники часто рисовали поддельные блики и тени непосредственно в текстуры или корректировали зеркальные значения, чтобы компенсировать отсутствие освещения окружающей среды. С PBR материал определяет внутренние свойства, а среда освещения определяет, как эти свойства визуализируются. Такое разделение позволяет использовать более модульный и многоразовый конвейер активов. Например, автомобильный материал можно повторно использовать в нескольких сценах с различными настройками освещения, и он будет выглядеть правильно во всех из них.

PBR в кинопроизводстве

В киноиндустрии PBR стал повсеместным для визуальных эффектов и анимационных функций. Традиционный рендеринг пленки часто использовал пользовательские шейдеры с тяжелой настройкой на кадр, но необходимость согласованности в тысячах кадров привела к принятию моделей на основе физики. Крупные студии, такие как Weta Digital, Industrial Light & Magic и Pixar, интегрировали PBR в свои конвейеры.

Например, в «Аватаре: Путь воды» подводное освещение и поверхности требовали, чтобы PBR точно имитировал рассеивание света через воду, прозрачность шкур существ и отражающие свойства шкал. Трубопровод PBR позволял художникам физически определять материалы, а затем полагаться на рендеринг двигателей, которые имитируют истинное глобальное освещение, создавая правдоподобную каустику и подземное рассеяние.

Пленочные PBR трубопроводы часто используют высококлассные решения для рендеринга, такие как RenderMan Pixar (с его шейдером PxrSurface) и Arnold Autodesk (с шейдером aiStandardSurface). Эти шейдеры включают в себя все стандартные карты PBR плюс дополнительные функции, такие как подповерхностное рассеяние, помехи тонкой пленки и слои прозрачного покрытия. Сами текстуры часто создаются с использованием Substance Painter, Mari или ZBrush, со значениями, полученными из реального сканирования материала, когда это возможно. В результате цифровые символы и среды могут быть легко интегрированы с пластинами живого действия, даже при сложных условиях освещения.

Важность линейного рабочего процесса

Еще одним важным аспектом ПБР в пленке является линейный рабочий процесс. Традиционный рендеринг часто выполнялся в гамма-коррекционном пространстве, приводя к неправильным вычислениям освещения. ПБР предполагает, что все текстуры и освещение являются линейными (гамма = 1,0). Художники работают в линейном цветовом пространстве и применяют гамма-коррекцию только на заключительном этапе вывода. Это гарантирует, что интенсивность света и смешивание цветов ведут себя физически. Многие современные пленочные трубопроводы используют OpenColorIO (OCIO) для управления цветовыми пространствами последовательно от выпечки текстур до окончательного композита.

PBR в игровом движке реального времени

Рендеринг в реальном времени для игр изначально был медленнее, чем PBR из-за ограничений производительности. Однако с ростом мощных графических процессоров и эффективных моделей шейдеров PBR теперь стандартен в таких двигателях, как Unreal Engine 5, Unity 6 и CryEngine. Эти двигатели реализуют упрощенные версии BRDF Cook-Torrance, которые работают на одном пиксельном шейдерном проходе, в сочетании с освещением на основе изображений из предварительно отфильтрованных карт окружающей среды.

Реализация Unreal Engine, например, использует стандартную модель материала PBR с базовым цветом, металлической, шероховатостью и дополнительными нормальными картами. Двигатель предварительно вычисляет излучение и зеркальное излучение от карт окружающей среды, сохраняя их в сверточных микросхемах. Во время рендеринга шейдер эффективно пробует эти текстуры на основе шероховатости, обеспечивая реалистичные отражения при низкой стоимости. Этот подход достиг уровня точности, наблюдаемого в таких играх, как «Пробуждение матрицы» или «Cyberpunk 2077», где металлические поверхности, кожа и ткань реагируют на динамическое освещение физически правдоподобными способами.

Оптимизация в реальном времени

PBR в реальном времени должен сбалансировать качество с производительностью. Одной из ключевых оптимизацией является использование зеркального сглаживания для уменьшения искривления на шероховатых поверхностях. Другой — использование сжатия текстуры для карт PBR; нормальные карты часто сжимаются с помощью BC5, в то время как BC7 используется для альбедо и других каналов. Параметры материала также ограничены ограниченным диапазоном — например, металлик всегда равен 0 или 1 — чтобы избежать сложных ветвей пиксельного шейдера. Мобильные игры могут использовать еще более упрощенные модели, которые все еще сохраняют основные принципы PBR, такие как «Стандартный» шейдер в Unity с более низкой точностью шероховатости.

Примеры реального мира

Ярким примером PBR в играх является «Red Dead Redemption 2» от Rockstar Games. В игре используется пользовательский движок, который использует PBR для всех поверхностей — от выветренной древесины верхушек седана до пота на шерсти лошади. Материалы PBR гарантируют, что открытый мир чувствует себя последовательным, находится ли игрок в ярком дневном свете, глубокой тени или во время ливня, когда поверхности становятся влажными (снижая шероховатость и увеличивая отражательную способность). Аналогично, «The Last of Us Part II» использовал PBR для создания эмоционально резонансных сред, где детали текстуры и глубина освещения улучшили повествование.

Искусство и технический трубопровод для PBR

Создание высококачественных активов PBR требует структурированного конвейера, который интегрирует 3D-моделирование, скульптуру, текстурирование и распределение материала. Процесс обычно начинается с высокополигональной скульптуры, которая захватывает мелкие детали поверхности. Эти детали затем сливаются в сетку с низким полигоном для создания нормальных карт и карт закупорки окружающей среды. Низкополигональная модель получает УФ-карту, которая будет использоваться для текстурной живописи.

Для текстурирования доминируют приложения Substance Painter или Adobe 3D Sampler. Они позволяют художникам рисовать непосредственно на модель с помощью умных материалов, которые процедурно генерируют альбедо, шероховатость, металличность и нормальные карты одновременно. Художник может применять предварительно построенные материалы, которые основаны на реальных измеренных данных, таких как кожа, бетон или золото, а затем настраивать параметры локально. Система неразрушающего слоя обеспечивает быструю итерацию и вариацию.

В крупных студиях активы проходят процесс проверки, в ходе которого технические художники проверяют соответствие карт PBR стандартам проекта. Например, карты альбедо проверяются на незаконные значения (слишком темные или слишком яркие), металлические карты являются двоичными, а обычные карты проверяются на правильность ориентации в тангенс-пространстве. Этот контроль качества гарантирует, что активы ведут себя правильно в условиях освещения проекта, избегая дорогостоящей переработки во время освещения или кинематографии.

От сканирования до шадера

Все чаще фильмы и высококлассные игры используют фотограмметрии или сканирование LiDAR реальных объектов для захвата точных текстур PBR. Необработанные данные обрабатываются для генерации диффузных карт, шероховатости и нормальной информации. Этот метод широко использовался в «Звездных войнах: Пробуждение силы» для создания дроидов и космических кораблей. Сканированные материалы затем уточняются в Substance Painter или Mari для удаления несовершенств или масштабирования их по различным активам. Последний шейдер интегрирует выпеченные карты, а актив освещается с использованием изображений среды HDR, сделанных на съемочной площадке или созданных в программном обеспечении.

Преимущества и проблемы PBR

Преимущества

• Последовательность освещения: Актив PBR остается визуально правильным при любом освещении, уменьшая переделку.
• Сниженные художественные догадки: Художники основывают свои материальные параметры на физических измерениях, а не на произвольных слайдерах.
• Многоразовые материалы и определения шейдеров могут быть распределены между проектами и платформами, что экономит время.
• Усиленный реализм: Зрители могут мгновенно воспринимать материальные качества, увеличивая погружение.
• Модульный конвейер: PBR позволяет проводить четкое разделение между художественным творчеством и освещением, что позволяет специализироваться.