Rendu basé sur la physique - Physically based rendering

Une texture de plaque de diamant rendue en gros plan à l'aide de principes de rendu physiques. Des micro- abrasions recouvrent le matériau, lui donnant un aspect rugueux et réaliste même si le matériau est un métal . Les reflets spéculaires sont élevés et modélisés de manière réaliste au bord approprié de la bande de roulement à l'aide d'une carte normale .
Une image de briques rendue à l'aide de PBR. Même s'il s'agit d'une surface rugueuse et opaque , plus qu'une simple lumière diffuse est réfléchie par le côté le plus clair du matériau, créant de petits reflets, car "tout est brillant" dans le modèle de rendu basé sur la physique du monde réel. La tessellation est utilisée pour générer un maillage d' objet à partir d'une carte de hauteur et d' une carte normale , créant plus de détails.

Le rendu physique ( PBR ) est une approche d' infographie qui cherche à rendre les images d'une manière qui modélise le flux de lumière dans le monde réel. De nombreux pipelines PBR visent à atteindre le photoréalisme . Des approximations réalisables et rapides de la fonction de distribution de réflectance bidirectionnelle et de l' équation de rendu sont d'une importance mathématique dans ce domaine. La photogrammétrie peut être utilisée pour aider à découvrir et à coder les propriétés optiques précises des matériaux. Les shaders peuvent être utilisés pour mettre en œuvre les principes PBR.

Histoire

À partir des années 1980, un certain nombre de chercheurs en rendu ont travaillé à établir une base théorique solide pour le rendu, y compris l'exactitude physique. Une grande partie de ce travail a été effectuée au Cornell University Program of Computer Graphics; un article de 1997 de ce laboratoire décrit le travail effectué à Cornell dans ce domaine jusqu'à ce point.

L'expression « Rendu basé sur la physique » a été plus largement popularisée par Matt Pharr , Greg Humphreys et Pat Hanrahan dans leur livre du même nom de 2014, un ouvrage fondateur en infographie moderne qui a valu à ses auteurs un Technical Achievement Academy Award pour les effets spéciaux. .

Traiter

Le PBR est, comme le dit Joe Wilson, "plus un concept qu'un ensemble de règles strictes" - mais le concept contient plusieurs points distinctifs à noter. L'un d'eux est que – contrairement à de nombreux modèles précédents qui cherchaient à différencier les surfaces entre non réfléchissantes et réfléchissantes – PBR reconnaît que, dans le monde réel, comme le dit John Hable, « tout est brillant ». Même les surfaces « plates » ou « mates » dans le monde réel, telles que le béton , refléteront un faible degré de lumière, et de nombreux métaux et liquides en refléteront une grande partie. Une autre chose que les modèles PBR tentent de faire est d'intégrer la photogrammétrie - des mesures à partir de photographies de matériaux du monde réel - pour étudier et reproduire des plages de valeurs physiques réelles afin de simuler avec précision l' albédo , la brillance , la réflectivité et d'autres propriétés physiques. Enfin, PBR met beaucoup l'accent sur les microfacettes et contiendra souvent des textures supplémentaires et des modèles mathématiques destinés à modéliser des reflets spéculaires et des cavités à petite échelle résultant de la douceur ou de la rugosité en plus des cartes spéculaires ou de réflectivité traditionnelles.

Surfaces

Les sujets PBR qui traitent des surfaces reposent souvent sur un modèle simplifié de la fonction de distribution de réflectance bidirectionnelle ( BRDF ) qui est rapide à calculer et qui se rapproche bien des propriétés optiques du matériau en utilisant seulement une poignée de paramètres intuitifs. Les techniques courantes sont les approximations et les modèles simplifiés, qui tentent d' adapter des modèles approximatifs à des données plus précises provenant d'autres méthodes ou mesures de laboratoire plus longues (telles que celles d'un gonioréflectomètre ).

Comme décrit par le chercheur Jeff Russell de Marmoset, un pipeline de rendu basé sur la surface et basé sur la physique peut également se concentrer sur les domaines de recherche suivants :

Volumes

Le PBR est aussi souvent étendu aux rendus de volume , avec des domaines de recherche comme :

Application

Grâce aux hautes performances et aux faibles coûts du matériel moderne, il est devenu possible d'utiliser le PBR non seulement à des fins industrielles mais aussi de divertissement partout où des images photoréalistes sont souhaitées, telles que des jeux vidéo ou la réalisation de films. Le matériel moyen à haut de gamme d'aujourd'hui est capable de produire et de restituer du contenu PBR et il existe un marché de logiciels gratuits et faciles à utiliser qui permet aux concepteurs de tous les niveaux d'expérience de tirer parti des méthodes de rendu physiques, telles que :

Une application typique fournit une interface utilisateur graphique intuitive qui permet aux artistes de définir et de superposer des matériaux avec des propriétés arbitraires et de les affecter à un objet 2D ou 3D donné pour recréer l'apparence de tout matériau synthétique ou organique. Les environnements peuvent être définis avec des shaders ou des textures procédurales ainsi qu'une géométrie procédurale ou des maillages ou des nuages ​​de points. Si possible, toutes les modifications sont rendues visibles en temps réel et permettent donc des itérations rapides. Des applications sophistiquées permettent aux utilisateurs avertis d'écrire des shaders personnalisés dans un langage d'ombrage tel que HLSL ou GLSL , bien que des éditeurs de matériaux de plus en plus basés sur des nœuds permettent un flux de travail basé sur des graphiques avec une prise en charge native de concepts importants tels que la position de la lumière, les niveaux de réflexion et d'émission la métallicité et un large éventail d'autres fonctions mathématiques et optiques remplacent les shaders écrits à la main pour toutes les applications, sauf les plus complexes.

Les références