PBR: физически корректный рендеринг¶

PBR (от англ. Physically Based Rendering — физически корректный рендеринг) — подход в компьютерной графике, моделирующий распространение света в соответствии с законами физики для создания фотореалистичных изображений. В отличие от более ранних эмпирических методов, PBR опирается на фундаментальные принципы сохранения энергии, законы отражения Френеля и микрорельефную модель поверхности, что обеспечивает предсказуемый и консистентный результат при любых условиях освещения.

¶История

Истоки PBR лежат в научных работах по оптике и рендерингу 1980-х годов. Ключевую роль сыграли исследования Роберта Кука и Кеннета Торренса, опубликовавших в 1981—1982 годах модель отражательной способности поверхности (модель Кука — Торренса), а также работа Джеймса Каджии о микрорельефном затенении. В 1985 году была представлена модель освещения Горова и Фонга, однако она не учитывала физику взаимодействия света с материалом.

Практическое применение PBR началось в киноиндустрии. Студия Pixar использовала физически обоснованные шейдеры в мультфильме «Рататуй» (2007) и в полной мере — в «Истории игрушек 3» (2010). В индустрии видеоигр переход к PBR произошёл в середине 2010-х годов: в 2014 году компания Epic Games внедрила поддержку PBR в движок Unreal Engine 4, что сделало технологию массовой. К концу десятилетия PBR стал стандартом де-факто для AAA-проектов, архитектурной визуализации и продуктового рендеринга.

¶Физические основы

¶Сохранение энергии

Главный принцип PBR — энергия не возникает и не исчезает: сумма отражённого и преломлённого света не может превышать падающий свет. Это выражается в том, что яркость бликов не может быть больше яркости источника освещения, а тёмные материалы не отражают больше света, чем светлые.

¶Отражение Френеля

При падении света на границу раздела сред часть его отражается, часть преломляется. Соотношение зависит от угла падения: при скользящих углах отражение усиливается для всех материалов. Даже неметаллы (диэлектрики) при взгляде почти вдоль поверхности дают зеркальное отражение. В PBR это описывается уравнениями Френеля, упрощённо — приближением Шлика.

¶Микрорельеф

Поверхность любого материала на микроуровне не является идеально гладкой. Микронеровности вызывают рассеивание отражённого света, что определяет ширину и форму блика. В PBR шероховатость (roughness) задаётся картой текстуры и влияет на распределение нормалей микрофацетов. Гладкие поверхности дают чёткие блики, шероховатые — размытые.

¶Основные модели и параметры

¶Модель Кука — Торренса

Наиболее распространённая аналитическая модель отражательной способности. Описывает отражение как сумму диффузной (ламбертовой) и зеркальной (спекулярной) составляющих. Зеркальная часть включает функцию распределения нормалей (NDF), функцию затенения-маскирования (Smith, GGX) и коэффициент Френеля. Распределение GGX (Trowbridge-Reitz) стало стандартом благодаря реалистичному «хвосту» блика.

¶Металлы и диэлектрики

PBR разделяет материалы на два класса:

• Металлы — не имеют диффузной составляющей, весь свет отражается зеркально; цвет отражения определяется цветом металла (золото — жёлтое, медь — оранжевое).
• Диэлектрики (пластик, дерево, кожа) — имеют диффузное рассеивание и бесцветное зеркальное отражение с базовым коэффициентом около 4 %.

¶Карты текстур

Для описания материала используются растровые карты:

• Albedo (базовый цвет) — диффузный цвет без теней и бликов.
• Normal map — задаёт детализацию рельефа.
• Roughness — шероховатость поверхности.
• Metalness — степень металличности (0 или 1 для чистых материалов).
• AO (ambient occlusion) — карта запечённого затенения в углублениях.

¶Рабочие процессы (workflows)

¶Металличность/шероховатость (Metalness/Roughness)

Стандарт индустрии видеоигр. Материал описывается картами albedo, metalness, roughness. Простой и интуитивный, требует точного соответствия albedo и metalness (для металлов albedo содержит цвет отражения).

¶Зеркальность/глянцевость (Specular/Glossiness)

Более ранний подход, использовавшийся в Substance и Marmoset. Вместо metalness используется карта спекуляра (цвет отражения), а вместо roughness — glossiness (обратная величина). Требует больше памяти и менее точен для чистых металлов, но даёт больше контроля.

Оба процесса математически эквивалентны при корректной конвертации, однако workflow металличности стал доминирующим благодаря простоте и предсказуемости.

¶Освещение и окружение

PBR тесно связан с технологией image-based lighting (IBL): освещение сцены задаётся картами окружения (environment maps) в формате HDR. Эти карты содержат информацию о яркости и цвете света со всех направлений. Для расчёта диффузного и зеркального освещения используются предварительно отфильтрованные карты (prefiltered environment maps) и карты BRDF-интеграции (BRDF LUT), что позволяет вычислять освещение в реальном времени.

В современных движках (Unreal Engine, Unity, CryEngine) PBR реализован в отложенном рендеринге (deferred shading), где параметры материалов записываются в G-буфер и освещение вычисляется на втором проходе.

¶Применение

¶Видеоигры

PBR используется в большинстве современных игр для консолей и ПК. Примеры: серии The Last of Us, God of War, Cyberpunk 2077. Технология позволяет художникам создавать материалы, которые выглядят одинаково убедительно при дневном, ночном и искусственном освещении.

¶Кино и анимация

В индустрии визуальных эффектов PBR применяется в рендерерах Arnold, RenderMan, V-Ray. Позволяет совмещать CGI-объекты с отснятым материалом с высокой точностью.

¶Архитектурная визуализация

PBR-материалы (плитка, бетон, дерево, ткани) обеспечивают реалистичную передачу фактур в проектах интерьеров и экстерьеров.

¶Промышленный дизайн

Используется для предварительного просмотра материалов автомобилей, электроники, мебели до производства физического прототипа.

¶Ограничения и критика

PBR не является полной физической симуляцией. Он игнорирует subsurface scattering (подповерхностное рассеивание) для кожи и воска, не учитывает дисперсию света, поляризацию и интерференцию. Для фотореализма кожи, волос и жидкостей требуются дополнительные модели (например, SSS-шейдеры). Также PBR предполагает, что материалы изотропны, что неверно для brushed metal (анизотропных поверхностей). Критики отмечают, что стандартизация PBR привела к визуальной однородности многих игр — «пластиковому» виду материалов при небрежной настройке карт.

¶См. также

• Рендеринг (компьютерная графика)
• Шейдер
• Трассировка лучей
• BRDF