Чем отличаются PBR-материалы от стандартных материалов

В последние годы термин PBR (Physically Based Rendering) стал синонимом высококачественного рендеринга и графики в 3D-дизайне. Однако, несмотря на свою популярность, многие все еще не до конца понимают, чем именно отличаются PBR-материалы от стандартных материалов.

Рассмотрим ключевые различия, особенности и преимущества PBR-материалов по сравнению с традиционными подходами в 3D-графике.

1. Что такое стандартные материалы?

Прежде чем углубляться в особенности PBR-материалов, стоит определить, что мы имеем в виду под стандартными материалами. В контексте 3D-графики под стандартными материалами обычно понимаются текстуры и шейдеры, которые не всегда следуют физическим законам света и материала, а скорее полагаются на упрощенные методы освещения и обработки материалов. В традиционном подходе к созданию материалов художники вручную задают параметры, такие как диффузный цвет (albedo), отражение, шероховатость (roughness) и другие характеристики, без учета точных физических свойств материалов.

Основные особенности стандартных материалов:

• Традиционные карты (diffuse, specular, bump, normal): Художник самостоятельно определяет, как будут выглядеть материалы в разных условиях освещения.
• Отсутствие строгой физической корректности: Свет может отражаться от материалов не так, как в реальной жизни, что приводит к невозможности добиться правдоподобного взаимодействия света с поверхностью.

2. Что такое PBR-материалы?

PBR-материалы представляют собой более современный подход, который базируется на реальных физических свойствах материалов и на принципах физически корректного рендеринга. Цель PBR — сделать рендеринг более реалистичным, обеспечивая высокую степень достоверности взаимодействия света с поверхностью объектов.

В отличие от стандартных материалов, где настройка текстур и параметров часто требует субъективного подхода, в PBR учитываются объективные законы физики, что позволяет достичь более правдоподобных визуальных эффектов при рендеринге.

Основные особенности PBR-материалов:

• Точность взаимодействия света и материалов: PBR-материалы работают на основе законов физики, учитывая такие параметры, как светоотражение, шероховатость, металлость и другие.
• Использование двух карт: Albedo и Metalness/Roughness: Вместо использования множества карт для различных эффектов, PBR-материалы обычно оперируют двумя основными картами: картой альбедо (Albedo) и картами металличности (Metalness) и шероховатости (Roughness).
• Правдоподобное взаимодействие с освещением: PBR-материалы учитывают более сложные световые эффекты, такие как энергетическая корректность, что означает, что материалы не могут отражать больше света, чем они поглощают.

3. Ключевые различия между PBR и стандартными материалами

1. Отражение света: В стандартных материалах отражение часто задается вручную с использованием карты отражения (specular map). В PBR-системах отражение основывается на законе сохранения энергии, что означает, что материалы могут отражать только то количество света, которое они поглощают. Например, металлические поверхности всегда имеют сильное отражение, в то время как неметаллические — менее выраженное.

2. Металлость и шероховатость: В PBR-материалах основными параметрами являются металлость и шероховатость. Металлические материалы отражают свет по-другому, чем неметаллические, и это влияет на визуальные эффекты и взаимодействие с освещением. Стандартные материалы часто не имеют четкой дифференциации между металлами и неметаллами, что ограничивает возможности для создания более сложных материалов.

3. Точность текстур и карт: В PBR используются карты, такие как albedo (цвет материала), metalness (металличность) и roughness (шероховатость), которые позволяют более точно контролировать визуальные эффекты материала. В то время как стандартные материалы могут включать более сложные текстуры (например, карты отражения, карты нормалей, карты дисплейсмента), они часто не дают такого уровня физической точности.

4. Учет освещения: PBR-система использует более сложные алгоритмы освещения, такие как объемные освещенные карты и микроструктурированные карты, что позволяет добиться более естественного взаимодействия света с материалами. Стандартные материалы, как правило, не включают такие комплексные алгоритмы и могут показывать неверные или упрощенные эффекты освещения.

5. Энергетическая корректность: В PBR системе освещение и отражение всегда подчиняются законам физики, таким как закон сохранения энергии (the energy conservation law). Это гарантирует, что материалы никогда не будут отражать больше света, чем они поглощают, что делает рендеринг более реалистичным.

4. Преимущества PBR-материалов

• Высокий уровень реализма: Из-за физически корректного рендеринга PBR-материалы способны передавать гораздо более точную картину того, как материал будет взаимодействовать с разными источниками света.
• Универсальность: PBR-материалы могут быть использованы в различных движках, таких как Unity, Unreal Engine, и других, обеспечивая консистентность внешнего вида на разных платформах и устройствах.
• Упрощение рабочих процессов: Благодаря двум ключевым картам — albedo и metalness/roughness, создание материалов становится проще, а настройка шейдеров — быстрее и интуитивно понятнее.
• Лучшее взаимодействие с глобальным освещением: В PBR-системах глобальное освещение и светотени ведут себя более правдоподобно, что улучшает качество финальных изображений.

Использование PBR-материалов — это шаг в сторону более физически точного, реалистичного рендеринга, который значительно улучшает визуальное восприятие 3D-объектов в цифровых приложениях. В отличие от стандартных материалов, которые ограничиваются более простыми подходами к освещению и текстурам, PBR-материалы основываются на законах физики, что позволяет создавать более детализированные и достоверные изображения.

Тем не менее, стоит отметить, что для создания качественных PBR-материалов требуется глубокое понимание физики материалов и освещения, а также хорошая база текстур, что может потребовать дополнительных усилий и времени. Но в долгосрочной перспективе это открывает широкие возможности для более качественной графики и визуальных эффектов.