Soy un tipo de gráficos por computadora en el área de renderizado basado en la física y recientemente he estado buscando en la red para averiguar qué tan físico es el renderizado basado en la física (PBR). La naturaleza de la pregunta se encuentra en algún lugar entre la física pura y los gráficos puros, así que espero encontrar a alguien familiarizado con los gráficos aquí.
Para aquellos que no lo saben, PBR tiene como objetivo renderizar los diferentes materiales de la misma manera que sucede en la vida real, por lo que es un enfoque más físico. Esto nos permite renderizar imágenes muy realistas que otros enfoques.
Quiero verificar si mi comprensión es correcta acerca de cómo la luz interactúa realmente con diferentes materiales.
En primer lugar, cuando la luz incide por primera vez en una superficie, las ecuaciones de Fresnel entran directamente en juego y determinan cuánta luz se refleja y transmite. Esto es diferente para diferentes longitudes de onda ya que el índice de refracción depende de la longitud de onda.
La luz transmitida puede viajar más lejos para las superficies refractivas o puede absorberse rápidamente como en el caso de los metales. La luz transmitida también puede resurgir desde diferentes posiciones. Esto es lo que en gráficos llamamos "reflexión difusa" . La contraparte es el "reflejo especular" (la luz simplemente se refleja en la superficie. Tenga en cuenta que el reflejo no tiene que ser necesariamente en la dirección del espejo).
En gráficos solemos definir el color del objeto a través de triples RGB. Sé que esto es inexacto, sin embargo, continuaré con esta suposición. Creo que las ecuaciones de Fresnel están definiendo indirectamente este triple RGB para diferentes superficies. Dado que la reflexión de Fresnel es diferente en diferentes longitudes de onda, si tomamos muestras en las 3 longitudes de onda principales R, G, B, en realidad obtenemos la cantidad reflejada para cada longitud de onda, que a su vez es el color del objeto. Sin embargo, el color del objeto debe ser independiente de la dirección de la vista, lo que claramente no es el caso con mi suposición. ¿Alguien puede aclarar este punto?
La siguiente dificultad es cuánta luz reflejan las superficies ásperas, como una pared sin pintar o madera, etc., de forma difusa o especular.
Tenemos 2 parámetros que denotamos como la reflectividad de la superficie. Decimos que una superficie puede reflejar la luz en un 60 % de forma difusa (es decir, el 60 % se transmite y luego vuelve a emerger) mientras que el 40 % se refleja de forma especular. No es necesario que siempre sume 1, ya que también se pierde algo de energía en forma de calor. Denotamos ambos parámetros como y (reflectividad difusa y especular).
¿Pero no suena esto igual que la reflectancia de Fresnel? Básicamente no parecen la cantidad de luz transmitida (ignorando por el momento que una fracción de la luz transmitida puede perderse en forma de calor) y la cantidad de luz reflejada? Esto implica que estos parámetros variarán con respecto a la dirección de visualización, pero normalmente establecemos y a un valor fijo cuando estamos definiendo el material en gráficos o al menos eso es lo que he visto hasta ahora.
Si y realmente es lo mismo que la reflectancia de Fresnel, esto significaría que las superficies rugosas como la madera reflejarán la luz de manera especular cuando se vean en ángulos rasantes y cuando se vean de frente, la luz que proviene de la madera hacia nuestro ojo es más de la que se había transmitido a la superficie y resurgió, es decir, de forma difusa. ¿Es este el caso en la vida real también?
Por último, pero no menos importante, está el caso de la reflexión.
En PBR solemos tener modelos basados en microfacetas según los cuales cada superficie tiene microprotuberancias. De ahí viene el primer parámetro importante para PBR que es rugosidad/suavidad . Este parámetro gobierna cuánto se concentra la reflexión especular en una sola dirección.
(5a) En el punto 2, supuse que la reflexión especular significaba que la luz se dispersaba por la superficie, no necesariamente en la dirección del espejo. ¿Es esto cierto? ¿O la luz siempre se refleja en la dirección del espejo, es solo que no está concentrada debido a estas microfacetas?
(5b) Esto me lleva a creer que los reflejos se rigen por 2 parámetros. Cuán suave es la superficie y cuánto se refleja la luz en la superficie (especularmente). ¿Hay otros parámetros que rigen por qué vemos reflejos en las superficies de diferentes objetos?
En el punto 3, diferentes frecuencias de luz se refractan en diferentes ángulos. Si asume que un color se logra por medio de una superposición de frecuencias R, G y B exactas, entonces no obtendrá las mismas direcciones que al modelar la reflexión en un espectro centrado en R, G y B. Parte de cada color se refleja en una gama de direcciones.
Las ecuaciones de Fresnel se pueden usar para definir la reflexión de las frecuencias de luz R, G y B o para limitar los ángulos de reflexión en un rango que modela un espectro enfocado en cada uno, si eso es lo que quiere decir.
El color de la luz reflejada por un objeto ciertamente cambia según el color de la fuente de luz y el ángulo de visión, sin embargo, los cerebros humanos aprenden a tener esto en cuenta y tratan de obtener una comprensión del color intrínseco del objeto, que bajo la mayoría de las condiciones con una fuente de luz de espectro relativamente blanco/amplio es bastante exitosa. Bajo, digamos, una fuente de luz naranja, puede ser difícil distinguir un objeto naranja de uno blanco. Si un observador se alinea con el ángulo en el que se refleja la mayoría de la luz de la fuente de luz, el color intrínseco del objeto puede verse superado por el de la fuente, y es posible que observen una imagen de la fuente.
En el punto 4) Es el mismo efecto que Fresnel, pero está modelando Fresnel en una superficie rugosa en la que la luz de la misma dirección ahora impacta en diferentes partes de la superficie en un rango de ángulos de incedencia.
El punto 5a) suena correcto que la luz siempre se refleja en la dirección del espejo, pero esto varía debido a las "microfacetas"
5b) Sí, el desafío suele ser obtener un modelo lo más preciso posible con la menor cantidad de parámetros posible para maximizar el rendimiento. Realmente no hay un límite para la cantidad de detalles que se pueden aplicar, como el modelado de fotones individuales y su interacción cuántica con los medios; creo que sería demasiado para sus propósitos. Sin embargo, es posible que desee tener en cuenta la dispersión atmosférica y la llamada "luz ambiental" porque modelarla mediante rayos de luz es algo intensivo.
Solo puedo abordar su punto 3, como la respuesta existente , que no creo que vaya lo suficientemente lejos.
Si desea describir un material dispersivo con índices de refracción significativamente diferentes (y, por lo tanto, reflectividades de Fresnel significativamente diferentes) en diferentes longitudes de onda, pero su modelo de color es estrictamente el de un triplete RGB, entonces su modelo tiene una desventaja fundamental.
En particular, considere un rayo de luz amarilla que incide en su material. ¿Debería dividirse? ¿Debería cambiar de color al reflejarse y transmitirse? ¡Bueno, eso depende! Si es un amarillo espectralmente puro, su color no cambiará debido a la interacción, pero si el rayo es una mezcla de luz roja y verde, y los componentes rojo y verde se reflejan de manera diferente, entonces el rayo reflejado será de un color diferente. . Sin embargo, debido a que su modelo del haz es solo el de un triplete RGB, no puede decir cuál es la realidad subyacente y debe completar la información que no tiene.
Ahora, como dijiste en
Sé que esto es incorrecto, sin embargo, continuaré con esta suposición,
este recorte de información es generalmente algo razonable (probablemente no desee transportar información espectral completa en cada haz de luz en su simulación), pero es importante señalar que con respecto a su objetivo aquí,
qué tan físico es el renderizado basado en la física,
esta inexactitud del modelo RGB es de hecho un lugar que realmente afecta la precisión física que puede tener su modelo, cuando se trata de la interacción con materiales dispersivos.
garyp
gallickgunner