Види відображень у комп’ютерній 3D графіці, BRDF
Повністю комп'ютерна особа Бенджаміна на реальному тілі у реальному оточенні (зроблено з використанням Light Stage).
Готуйтеся, це буде довга частина, але, як на мене, найцікавіша.
Нагадую, що це четверта частина циклу статей щодо науки створення фотореалістичних рендерів. Ось посилання для читання попередніх частин:1,2,3.
Тепер про види відбитків.
Залежно від якості поверхні, відображення поділяють на:
- Дзеркальні відображення (Specular reflections) характерні для відполірованих, дуже гладких поверхонь. Це – поверхневий ефект. Specular це корінь грецького слова "дзеркало".
- Дифузні (розсіяні, розмиті)відображення (Diffuse reflections) характерні для шорстких поверхонь. Це – підповерхневий ефект.
- Глянцеві відображення (Glossy reflections) - це щось середнє між дзеркальними та дифузними відображеннями.
Є певні дзеркальні відбиття, які характерні лише для металів -забарвлені відбитки.
Провідники (метали) немає підповерхневих відбитків, лише поверхневі (залежні стану (ступеня полірування) поверхні - дзеркальні чи матові).
Дифузні відображення характерні для діелектриків, саме тому їхня поверхня має дифузну складову кольору поверхні.
Немає поверхонь, які повністю поглинають (абсолютно чорних), повністю відбивають, чи повністю пропускають світло. Будь-яка поверхня одночасно відображає, пропускає та поглинає якоюсь мірою.
1. Відображення.
Відображення – цевипадок, коли фотони відскакують від поверхні. І це не завдяки мікроструктурі поверхні, це завдяки її атомній будові.
Діелектрики завжди відображають таке за кольором світло, як і те, що на них світить. Тобто. їх відображення завжди "білі", безбарвні, чисті.
Провідники ж забарвлюють свої відображення.
Але є рідкісні винятки, наприклад, атлас.
Той колір, у який фарбують провідники свої відображення, залежить як від типу провідника, так і від кута під яким світло відбивається від поверхні. Наприклад, світло, що падає на золоту поверхню під великим кутом (ковзаючи по поверхні), забарвлюється в жовтий не так сильно, як світло, що падає на золоту поверхню перпендикулярно (в лоб).
Дзеркальні відображення можуть бути:
- ізотропними (isotropic).
- Анізотропними (anisotropic).
Анізотропні відбиття витягнуті в напрямку перпендикулярно до поглиблення на відміну від рівномірних невитягнутих ізотропних відбитків. Витягнуті не лише світлові відблиски, а й відображення навколишніх об'єктів.
Основний внесок у колір відбитого світла (в дифузну частину) роблять підповерхневі ефекти. А поверхневі ефекти залежать від ступеня шорсткості поверхні: починаючи дзеркальними та закінчуючи дифузними (Lambert – Ламберт) відображеннями.
BRDF
Bidirectional reflectance distribution function (BRDF) - двонаправлена функція розподілу відбитків (поверхневих відбитків) описує, як світло відбивається чи поглинається поверхнею залежно від різних кутів падіння.
Існує три види BRDF:
- СпрощенаBRDF (без урахування трасування променів (raytracing – побудова ходу променя)).
- ГібриднаBRDF (спрощена + raytracing).
- ВимірянаBRDF (комплексна, заснована на реальних вимірах).
На момент написання статті найбільш популярною була гібридна BRDF, а виміряна BRDF ще не була доступна (простому користувачеві). І незважаючи на те, що розробники рендерера VRay вже створили робочий прототип виміряної BRDF, але бібліотек виміряних даних поки що не існує.
Гібридна BRDF забезпечує більш реалістичний результат, ніж спрощена, а виміряна BRDF дає ще більш реалістичну картинку.
На даний момент схожі технології знайшли застосування майже у всіх сучасних фільмах зі спецефектами: останні частини Спайдермена, Кінг Конг, Супермен повертається, Хенкок, Загадкова історія Бенджаміна Баттона і, звичайно, Аватар. У всіх цих фільмах використовувалися різні версії обладнання та програмного забезпечення Light Stage.
СпрощенаBRDF.
Спрощена BRDF заснована на кольорі (diffuse) та відображеннях.
На ранніх стадіях розвитку КГ трасування променів ще не було, а відповідно і не було можливості налаштування відбитків, що трасуються. Ось так виникла ідея створення дзеркальних світлових відблисків - фальшивих відблисків. Зараз все більше і більше людей прагнуть використовувати відображення, що трасуються, замість фальшивих CG-відблисків, які потроху застарівають.
Lambert та Oren-Nayar (Орен-Найар) – це найпоширеніші спрощені моделі BRDF для кольору (diffuse).
Ламберт (просто колір).
Ламберт - по-простонародному це звичайне дифузне (розсіяне) світло, а якщо по-науковому - підповерхневе розсіювання. Інші моделі працюють в основному з фальшивими дзеркальними відблисками (Blinn (Блін),Phong (Фонг), які зазвичай додаються поверх Ламберта.
BRDF по Ламберту симулює підповерхневе розсіювання таким чином: світло входить у матеріал рівномірно розсіюється і, виходячи назовні, потрапляє в об'єктив камери. Але ви повинні розуміти, що світло, яке потрапляє всередину матеріалу (при цьому воно там багаторазово відбивається від атомів) і виходить назовні не може поводитися так само як світло, яке дзеркально відбивається від поверхні. Тому дана модель BRDF Ламбертом не відображає картину оточення.
З іншого боку, поверхневе відображення, ніколи не буде таким однорідним як підповерхневе, тому поверхневе відображення завжди концентруватиме більше світла в ділянках відблиску на об'єкті, що буде схожим на джерело світла. Попростове, поверхневе відображення це пряме відображення джерел світла, і воно буде чіткіше, ніж підповерхневе відображення, яке дуже розсіяне (розмито).
Орен-Найар (колір шорстких поверхонь).
Існує також "шорстка" функція для "колір" (підповерхневого відображення). Називається вона модель BRDF Орена-Найара. Ця модель має параметр контролю шорсткості поверхні. Цей параметр визначає, скільки світла відобразиться назад у напрямку джерела світла, що є характеристикою "шорсткої" (запиленої) поверхні. Чим більш шорстка поверхня, тим менш виразним є дифузне відбиття.
Шорсткість означає реально шорсткий (як наждачная папір, наприклад). Йдеться швидше про малесенькі виступи (мікроструктури) на поверхні. Тому шорсткою вважається поверхня шкіри та оксамиту через наявність дуже дрібних деталей, таких як пори шкіри та волокна оксамиту.
Наприклад, поверхня пластику не така шорстка. А гума,камінь, іржа значно грубіша (шорстка) шкіри або оксамиту.
Шершава поверхня розсіює світло у всіх напрямках, але абсолютно нерівномірно. Тому Орен-Найар - це спрощене уявлення реальності.
Blinn, Phong та Ward (Уорд) - це найпоширеніші спрощені моделі BRDF для відблисків (specular). Найбільш вдалим буде матеріал, побудований на Ламберті + відблиск за моделлю Блінна або Фонга.
Blinn(світловий відблиск з малими спотвореннями якщо світло падає під ковзним кутом).
Blinn – це покращена версія Фонга. Блики за моделлю Блінна в порівнянні з моделлю Фонга краще тримають форму при різних кутах падіння світла.
Phong(світловий відблиск).
Модель Фонга генерує більш розтягнуті відблиски під ковзними кутами падіння світла, тоді як за моделлю Млинця форма відблисків не змінюється.
Ward-anisotropic(або простоWard– анізотропні світлові відблиски).
Уорд – це основна модель для дзеркальних відблисків на поверхнях з мікрогранями (також як і модель Cook-Torrance), яка дозволяє визначити різну шорсткість у різних напрямках, звідси й анізотропія. Уорд – це на честь винахідника анізотропної BRDF.
Cook-Torrance(метали).
Модель Кука-Торенса – чудова модель для дзеркальних відблисків на поверхнях із мікрогранями. Ви можете використовувати різні функції розподілу для отримання різних форм відблисків, включаючи анізотропні.
Lafortune - це багатошарова модель (тобто це як три Фонги разом), яка дозволяє індивідуально "задавати" позицію відблиску на кожному шарі, а також шорсткість кожного шару.Підставляючи математично збігаються дані виміряної BRDF, ви зможете створювати страшно реалістичні зображення реальних матеріалів.
Існують інші типи BRDF, але вони негаразд поширені. Тому для отримання інформації використовуйте посібники до вашого рендерера.
Але будьте обережні: кожен рендерер має свої визначення вищезазначених типів затінення. Наприклад, в 3ds Max є Oren-Nayar-Blinn - це не що інше, як шейдер Oren-Nayar + відблиск по моделі Блінна. А Lambert – це зазвичай той самий Блін, але без відблиску. Так що все це залежить від 3D програми.
Дуже важливо перестати вважати, що відбитки, що трасуються, докорінно відрізняються від моделі BRDF відблисків по Фонгу або Блінну. Обидва ці методи імітують той самий процес – дзеркальне відображення від поверхні – вони просто обчислюються різними методами. Але все-таки відображення, що трасуються, будуть відрізнятися, якщо ви перемкнетеся на BRDF по Фонгу або Блінну.
Використання принципу "що краще виглядає" - це, звичайно, правильно. Але розуміння принципу роботи тієї чи іншої BRDF, а також її призначення дуже важливе хоча б через те, що ви повинні знати, від чого слід відштовхуватися, щоб отримати такий матеріал, як ви задумали.
Зі зростанням потужності комп'ютерів зростатиме і переважання фізично коректних візуалізацій. А розуміння принципів створення матеріалів (shading) допоможе зробити зображення реалістичними.
ВимірянаBRDF
У реальному світі мікроструктура поверхні дуже складна, а моделі, які використовуються для опису відбитків, дуже прості та, до того ж, не точні. У реальному житті кожна поверхня має свою унікальну мікроструктуру (хоча деякі рендерери, наприклад, VRay, вже додають можливість вводити даніBRDF).
Що відбувається на мікроструктурному рівні у реальному житті.
Якщо поміркувати на цю тему, то можна помітити, що деякі дзеркала будуть затінені іншими вершинами і тому не відображатимуть світло. Аналогічно інші дзеркала будуть приховані від нас за іншими вершинами. Ці ефекти відомі в літературі як затінення (shadowing) та екранування (masking).
Навіть виміряна BRDF ще не враховує переображення – це коли промінь спочатку відбивається від однієї грані, потім стикається з іншою і лише потім потрапляє до об'єктиву камери.
Затінення та екранування – це два ефекти, які є в арсеналі таких BRDF для поверхні з мікрогранями як Cook-Torrance, Ward та A&S. Вони моделюють ефекти від вершин на мікроструктурі поверхні: затінення світла іншими мікрогранями та блокування об'єктиву певними мікрогранями відповідно. Виміряна BRDF також враховує ці ефекти, але лише як частина виміряних даних, а не як точні параметри моделі.
Виміряна BRDF виходить всього лише за допомогою вимірювання здатності поверхні, що відбиває, залежно від всіляких комбінацій положень камери і джерела світла. При цьому використовується інструмент Gonioreflectometer (Гоніорефлектометр) або світлова студія (Light Stage). Властивостей поверхні насправді ніхто не досліджує, вони просто вимірюють кількість світла, що потрапляє в камеру для певного напрямку, що падає на поверхню світла.
Сама BRDF не може описати підповерхневі ефекти через свою сутність. Оскільки BRDF описує сумарні дані лише однієї точки поверхні. Підповерхневі ефекти залежать від світла, що потрапляє на всю поверхню. Ось чому функції підповерхневого розсіювання дали іншу назву –BSSRDF.
Підпишіться на оновлення блогу(ось 3 причини для цього).