Tổng Hợp

Hướng dẫn PBR(The PBR Guide) – Phần 1

Đây là bài dịch từ bài viết của Wes Mcdermott (Allegorithmic) về bài hướng dẫn 2 phần “PBR Guide”. Đây là một bài viết rất hay và khá chi tiết, tất tần tật về kỹ thuật texturing PBR. Do mong muốn mọi người hiểu rõ về PBR cũng như học tập thêm nên tôi quyết định dịch bài này, trong bài tôi sẽ cố giữ văn phong theo tác giả, nhưng chắc chắn sẽ có một số từ sẽ dịch không chính xác nếu có phần nào dịch chưa sát hoặc không đúng phiền bạn hãy bình luận ở bên dưới.

Xem phần 2

Ánh sáng và Vật chất : Lý thuyết về kết xuất đồ họa và tô bóng theo quan điểm vật lý

Mục lục

– Các tia sáng
– Hấp thụ và tán xạ – Trong suốt và mờ đục
– Khuếch tán và phản chiếu gương – Lý thuyết Microfacet
– Màu sắc
– BRDF
– Bảo tồn năng lượng
– Hiệu ứng Fresnel – F0(phản xạ Fresnel ở 0 độ)
– Chất dẫn điện và Chất cách điện/điện môi(dielectric) – Kim loại và Phi kim loại
– Không gian tuyến tính kết xuất đồ họa
– Các đặc điểm chính của PBR

Lý thuyết về kết xuất đồ họa và tô bóng theo quan điểm vật lý

Ánh sáng là một hiện tượng phức tạp vì nó có thể biểu hiện các đặc tính của cả sóng và hạt. Kết quả là, các mô hình khác nhau đã được tạo ra để mô tả hành vi của nó.

Là một nghệ sĩ chất liệu(texture), chúng ta qua tâm đến mô hình tia sáng vì nó mô tả sự tương tác của ánh sáng và vật chất. Hiểu được cách các tia sáng tương tác với bề mặt vật chất là quan trọng bởi vì công việc của chúng ta là tạo ra các chất liệu(texture) mô tả một bề mặt. Các chất liệu(texture) và vật liệu chúng ta cho phép tương tác với ánh sáng trong thế giới mô phỏng. Chúng ta càng hiểu cách thức ánh sáng hoạt động, thì các chất liệu(texture) của chúng ta sẽ nhìn đẹp hơn.

Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ thảo luận về lý thuyết đằng sau tính vật lý của mô hình PBR. Chúng ta sẽ bắt đầu bằng các kiểm tra hành vi của các tia sáng và cách làm việc để xác định các đặc điểm chính của PBR.

Các tia sáng(light rays)

Mô hình tia sáng biểu thị rằng một tia sáng có quỹ đạo đường thẳng trong môi trường trong suốt đồng nhất như không khí. Mô hình tia sáng cũng nói rằng tia sáng sẽ hoạt động theo cách có thể đoán trước khi gặp phải các bề mặt như các vật thể mờ đục, hoặc khi đi qua một môi trường khác như từ không khí đến nước.

Điều này làm cho nó có thể hình dung đường đi của tia sáng khi nó di chuyển từ điểm bắt đầu đến điểm khác nơi nó chuyển thành dạng năng lượng khác, chẳng hạn như nhiệt.

Một tia sáng chiếu vào bề mặt được gọi là tia tới và góc mà nó chạm vào được gọi là góc tới (Hình 01).

Hình 01 – Góc tới(Angle of incidence), tia tới(incident) và tia phản xạ(reflected rays)

Một tia sáng tới trên một mặt phẳng giữa hai vật chứa. Khi một tia sáng chiếu vào bề mặt, một hoặc cả hai sự kiện sau đây có thể xảy ra:

– Tia sáng phản chiếu trên bề mặt và di chuyển theo một hướng khác. Nó tuân theo Luật phản xạ ánh sáng, trong đó góc phản xạ bằng góc tới (ánh sáng phản xạ).

– Tia sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác trong quỹ đạo của đường thẳng (ánh sáng khúc xạ).

Tại thời điểm này, tia sáng chia thành hai hướng: phản xạ(reflection) và khúc xạ(refraction). Ở bề mặt, tia sáng được phản xạ hoặc khúc xạ, và nó có thể được hấp thụ bởi môi trường. Tuy nhiên, sự hấp thụ không xảy ra ở bề mặt của vật liệu.

Hấp thụ và tán xạ – Trong suốt và mờ đục

Khi di chuyển trong môi trường không đồng nhất hoặc vật liệu mờ đục, ánh sáng có thể được hấp thụ hoặc phân tán:

– Khi ánh sáng bị hấp thụ, cường độ ánh sáng giảm khi nó chuyển thành dạng năng lượng khác – thường là nhiệt. Màu sắc của nó thay đổi khi lượng ánh sáng hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng, nhưng hướng của tia sáng không thay đổi.

– Khi ánh sáng phân tán, hướng tia sáng thay đổi ngẫu nhiên, và độ lệch phụ thuộc vào vật liệu. Tán xạ ngẫu nhiên theo hướng ánh sáng, nhưng không thay đổi cường độ của nó. Tai người là một ví dụ điển hình về hiện tượng này. Tai mỏng (độ hấp thụ thấp), vì vậy bạn có thể thấy ánh sáng tán xạ tỏa ra từ phía sau tai, như trong Hình 02.

Hình 02 – Ánh sáng tán xạ tỏa ra từ phía sau tai

Nếu không có tán xạ và độ hấp thụ thấp, tia sáng có thể truyền trực tiếp qua bề mặt. Đây là trường hợp với kính. Ví dụ, hãy tưởng tượng bạn đang bơi trong một hồ bơi sạch sẽ. Bạn có thể mở mắt ra và nhìn thấy một khoảng cách tuyệt vời qua làn nước trong vắt. Tuy nhiên, nếu cùng một hồ bơi tương đối bẩn, các hạt bụi bẩn sẽ phân tán ánh sáng và làm giảm sự rõ ràng của nước, và khoảng cách bạn có thể nhìn thấy sẽ giảm đi.

Nhiều ánh sáng di chuyển trong môi trường/vật liệu như vậy, nó càng hấp thụ và/hoặc phân tán. Do đó, độ dày đối tượng đóng một vai trò lớn trong bao nhiêu ánh sáng được hấp thụ hoặc phân tán. Một bản đồ độ dày(thickness map) có thể được sử dụng để mô tả độ dày đối tượng cho bóng đổ(shader) như trong Hình 03.

Hình 03 – Bản đồ độ dày được sử dụng với tán xạ dưới bề mặt trong Substance Painter

Khuếch tán và phản chiếu gương

Phản chiếu gương(Specular reflection) đề cập đến ánh sáng đã được phản xạ trên bề mặt, cũng như chúng ta đã thảo luận trong phần tia sáng. Tia sáng phản chiếu trên bề mặt và di chuyển theo một hướng khác. Nó tuân theo định luật phản xạ, trong đó trên bề mặt phẳng hoàn hảo, góc phản xạ bằng góc tới. Tuy nhiên, hầu hết các bề mặt đều không đều, và hướng phản xạ sẽ thay đổi ngẫu nhiên dựa trên độ nhám bề mặt. Điều này thay đổi hướng ánh sáng, nhưng cường độ ánh sáng vẫn không đổi.

Bề mặt nhám sẽ có điểm nổi bật lớn hơn và có vẻ mờ hơn. Các bề mặt mượt mà hơn sẽ giữ cho phản xạ gương được tập trung, và chúng trông sẽ sáng hơn hoặc chói hơn khi nhìn từ góc thích hợp. Tuy nhiên, tổng lượng ánh sáng được phản ánh trong cả hai trường hợp (Hình 04)

Hình 04 – Hướng phản xạ sẽ thay đổi ngẫu nhiên dựa trên độ nhám bề mặt

Khúc xạ(Refraction) là một sự thay đổi theo hướng của tia sáng. Khi ánh sáng chuyển từ môi trường này sang môi trường khác, ánh sáng thay đổi tốc độ và hướng đi. Chỉ số khúc xạ, hoặc IOR(Index of Refraction), là phép đo quang học mô tả sự thay đổi theo hướng mà tia sáng đang di chuyển. Về cơ bản, giá trị IOR được sử dụng để xác định lượng tia sẽ bị cong khi truyền qua môi trường này sang môi trường khác. Ví dụ, nước có IOR 1,33, trong khi tấm kính có IOR là 1,52. Trong hình 5, bạn có thể thấy một ống hút được đặt trong một cốc nước. Ống hút nhìn bị cong do khúc xạ khi ánh sáng truyền qua các môi trường khác nhau (không khí, nước và thủy tinh).

Xem Thêm :   2 cách chỉnh nét in trong Cad mà bạn không nên bỏ qua

Xem thêm :  Chính sách mua xe mô tô PKL trả góp tại Thưởng Motor

Hình 05 – Ống hút nhìn bị cong do khúc xạ

Phản xạ khuếch tán là ánh sáng bị khúc xạ. Tia sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác; như ví dụ sau, chúng tôi sẽ giả định rằng nó đi qua một đối tượng. Ánh sáng sau đó được phân tán nhiều lần trong đối tượng này. Nó cuối cùng bị khúc xạ một lần nữa, ra khỏi vật thể, quay trở lại môi trường ban đầu ở gần cùng một điểm mà nó đã bước đầu vào (Hình 06).

Vật liệu khuếch tán có tính thấm hút. Nếu ánh sáng khúc xạ di chuyển quá lâu trong vật liệu như vậy, nó có thể bị hấp thụ hoàn toàn. Nếu ánh sáng thoát khỏi vật liệu này, nó có khả năng chỉ đi một khoảng cách rất nhỏ so với điểm vào.

Do đó, khoảng cách giữa các điểm vào và ra có thể được coi là không đáng kể. Mô hình Lambertian, được sử dụng để phản xạ khuếch tán theo nghĩa bóng mờ truyền thống, không tính đến độ nhám bề mặt. Tuy nhiên, các mô hình phản xạ khuếch tán khác, chẳng hạn như mô hình Oren-Nayar, tính đến độ nhám này.

Vật liệu có cùng độ tán xạ cao và hấp thụ thấp đôi khi được gọi là vật liệu tham gia hoặc vật liệu mờ đục. Ví dụ trong số này là khói, sữa, da, ngọc bích và đá cẩm thạch. Việc hiển thị ba điều sau có thể được thực hiện với mô hình bổ sung của tán xạ dưới bề mặt nơi sự khác biệt giữa điểm tiếp nhận và đi của tia sáng không còn được coi là không đáng kể. Hiển thị chính xác phương tiện với sự tán xạ và hấp thụ rất khác nhau và rất thấp, chẳng hạn như khói hoặc sương mù, có thể yêu cầu các phương pháp đắt tiền hơn như phương pháp mô phỏng Monte Carlo.

Hình 06 – Một tia sáng di chuyển từ môi trường này sang môi trường tán xạ khác bên trong vật thể

Lý thuyết Microfacet

Về mặt lý thuyết, cả phản xạ khuếch tán lẫn phản xạ gương đều phụ thuộc vào sự bất thường bề mặt nơi các tia sáng giao nhau với môi trường. Tuy nhiên, trong thực tế, hiệu ứng của độ nhám trên phản xạ khuếch tán ít rõ ràng hơn do sự tán xạ xảy ra bên trong vật liệu. Kết quả là, hướng đi của tia là khá độc lập với độ nhám bề mặt và hướng tới. Mô hình phổ biến nhất cho phản xạ khuếch tán (Lambertian) hoàn toàn bỏ qua độ nhám.

Trong hướng dẫn này, chúng tôi đề cập đến những bất thường bề mặt như độ nhám bề mặt. Bất thường bề mặt có thể có một số tên khác, bao gồm độ nhám(roughness), độ mịn(smoothness), độ bóng(glossiness) hoặc bề mặt vi mô(micro-surface), tùy thuộc vào quy trình PBR đang sử dụng. Tất cả các thuật ngữ này mô tả cùng một khía cạnh của một bề mặt, đó là chi tiết hình học sub-texel.

Những bất thường bề mặt này được tạo ra trong bản đồ gồ ghề(roughness map) hoặc bản đồ độ bóng(Glossiness map) phụ thuộc vào quy trình làm việc đang được sử dụng. Một BRDF dựa trên vật lý dựa trên lý thuyết microfacet, trong đó giả sử rằng một bề mặt bao gồm các bề mặt chi tiết phẳng có kích thước nhỏ theo định hướng khác nhau được gọi là microfacets. Mỗi mặt phẳng nhỏ này phản chiếu ánh sáng theo một hướng duy nhất dựa trên bình thường của nó (Hình 7).

Hình 07 – BRDF dựa trên lý thuyết microfacet

Các mặt vi mô(microfacets) có bề mặt bình thường được định hướng chính xác giữa hướng ánh sáng và hướng nhìn sẽ phản xạ ánh sáng khả kiến. Tuy nhiên, trong trường hợp bề mặt vi mô(microsurface) pháp tuyến và nửa pháp tuyến bằng nhau, không phải tất cả các mặt vi mô sẽ đóng góp vì một số sẽ bị chặn bởi bóng đổ (hướng ánh sáng) hoặc mặt nạ(masking) (xem hướng) như minh họa trong Hình 07.

Các bất thường bề mặt ở mức vi mô gây ra sự khuếch tán ánh sáng. Ví dụ, phản xạ mờ(blurred reflection) là do tia sáng phân tán. Các tia không phản xạ song song, vì vậy chúng ta nhận thấy sự phản xạ hình mờ như hình (Hình 08).

Hình 08 – Phản xạ mờ là do tia sáng rải rác

Màu sắc

Màu sắc hiển thị của một bề mặt là do các bước sóng phát ra bởi nguồn sáng. Các bước sóng này được hấp thụ bởi vật thể và phản xạ cả về mặt vật chất lẫn nhiễu xạ. Các bước sóng phản xạ còn lại là những gì chúng ta thấy là màu sắc.

Ví dụ, da của quả táo chủ yếu phản chiếu ánh sáng đỏ. Chỉ có các bước sóng đỏ nằm rải rác bên ngoài da táo, trong khi các bước sóng khác được hấp thu (Hình 09).

Hình 09 – Các bước sóng đỏ được phản xạ vào mắt

Quả táo cũng có điểm sáng nổi bật cùng màu với nguồn sáng vì với các vật liệu không dẫn điện (dielectrics) – giống như da của quả táo – phản xạ gương gần như độc lập với bước sóng. Đối với những vật liệu này, phản xạ gương không bao giờ có màu. Chúng ta sẽ thảo luận về các loại vật liệu khác nhau (kim loại và điện môi(dielectric)) trong các phần sau.

BRDF

Hàm phân phối phản xạ hai chiều (BRDF) là một hàm mô tả các đặc tính phản xạ của một bề mặt. Trong đồ họa máy tính, có những mô hình BRDF khác nhau – một số trong đó không có tính vật lý chính đáng. Đối với một BRDF có tính vật lý hợp lý, nó phải được bảo tồn năng lượng và thể hiện sự trao đổi lẫn nhau. Tính trao đổi lẫn nhau đề cập đến Nguyên tắc đối ứng Helmholtz, trong đó nói rằng các tia sáng đến và đi có thể được coi là đảo ngược của nhau mà không ảnh hưởng đến kết quả của BRDF.

TThe BRDF được sử dụng bởi các trình tô bóng PBR của Substance(Substance’s PBR shaders) được dựa trên mô hình phản xạ chính của Disney. Mô hình này dựa trên phân phối microfacet của GGX. GGX cung cấp một trong những giải pháp tốt hơn về phân phối hình ảnh: với một ngọn ngắn hơn(shorter peak) ở phần nổi bật(highlight) và một phần đuôi dài hơn(longer tail) trong phần trải dài(fall-off) sẽ làm nó trông thực tế hơn (Hình 10).

Hình 10 – CGGX vs Blinn phân phối gương – GGX cung cấp một trong những giải pháp tốt hơn về phân phối gương

Bảo tồn năng lượng

Bảo tồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng trong các giải pháp kết xuất hình ảnh dựa trên vật lý. Nguyên tắc này cho biết tổng lượng ánh sáng được phát ra bởi một bề mặt (phản xạ và phân tán ngược lại) nhỏ hơn tổng số ánh sáng nhận được. Nói cách khác, ánh sáng phản xạ từ bề mặt sẽ không bao giờ gắt hơn trước khi nó chạm vào bề mặt. Là nghệ sĩ, chúng ta không phải lo lắng về việc kiểm soát bảo tồn năng lượng. Đây là một trong những ưu điểm của PBR: bảo tồn năng lượng luôn được thực thi bởi trình tô bóng(shader). Đây là một phần của mô hình dựa vào vật lý và nó cho phép chúng ta tập trung vào nghệ thuật hơn là vật lý.

Hiệu ứng Fresnel

Các yếu tố phản xạ Fresnel cũng đóng một vai trò quan trọng trong tô bóng vật lý dựa trên như một hệ số của BRDF. Hiệu ứng Fresnel, theo quan sát của nhà vật lý người Pháp Augustin-Jean Fresnel, nói rằng lượng ánh sáng phản xạ từ một bề mặt phụ thuộc vào góc nhìn mà nó được nhận biết. Hãy nghĩ về một hồ nước. Nếu bạn nhìn thẳng xuống, vuông góc với mặt nước, bạn có thể nhìn xuống đáy. Xem mặt nước theo cách này sẽ ở mức 0 độ hoặc tỷ lệ bình thường, bình thường là bề mặt bình thường. Nếu bạn nhìn vào hồ nước ở một tỷ lệ lướt qua(grazing), song song với mặt nước, bạn sẽ thấy rằng phản xạ gương mặt trên mặt nước trở nên mãnh liệt hơn và bạn có thể không nhìn thấy bên dưới bề mặt của nước chút nào .

Xem Thêm :   Cách nấu cháo đậu xanh cho bé ăn dặm ngon tuyệt mẹ nên thử

Xem thêm :  Ngứa Mắt Trái Có Điềm Gì

Fresnel không phải là một cái gì đó mà chúng ta kiểm soát trong PBR như chúng ta đã làm trong tô bóng truyền thống. Một lần nữa, đây là một khía cạnh khác của vật lý được xử lý bởi trình tô bóng PBR. Khi xem bề mặt tại một tỷ lệ lướt qua(grazing), tất cả các bề mặt nhẵn sẽ trở thành phản xạ ở gần 100% ở góc 90 độ.

Đối với các bề mặt thô ráp, phản xạ sẽ ngày càng trở nên đặc trưng nhưng sẽ không tiếp cận được sự phản xạ gương 100%. Yếu tố quan trọng nhất ở đây là góc giữa pháp tuyến của mỗi mặt vi mô và ánh sáng, chứ không phải là góc giữa pháp tuyến của mỗi mặt vĩ mô và ánh sáng. Bởi vì các tia sáng được phân tán theo các hướng khác nhau, phản xạ xuất hiện nhẹ nhàng hơn, hoặc mờ đi. Những điều xảy ra ở cấp độ vĩ mô là hơi giống với mức trung bình của tất cả hiệu ứng Fresnel mà bạn quan sát đối với mặt vi mô tập thể.

F0(phản xạ Fresnel ở 0 độ)

Khi ánh sáng chạm vào một bề mặt thẳng đứng hoặc vuông góc (ở góc 0 độ), một phần trăm ánh sáng đó được phản xạ dưới dạng gương. Sử dụng chỉ số khúc xạ (IOR) cho một bề mặt, bạn có thể lấy được số ánh sáng được phản ánh. Điều này được gọi là F0 (Fresnel zero) (Hình 11). Lượng ánh sáng khúc xạ vào bề mặt được gọi là 1 – F0.

Hình 11 – Đối với bề mặt điện môi(dielectric) mịn, F0 sẽ phản xạ giữa 2-5% ánh sáng và 100% ở góc lướt qua(grazing angle)

Phạm vi F0 cho các vật điện môi(dielectric) phổ biến nhất sẽ là từ 0,02-0,05 (giá trị tuyến tính). Đối với vật dẫn điện, dải F0 sẽ là 0,5-1,0. Do đó, độ phản xạ của một bề mặt được xác định bởi chỉ số khúc xạ như được biểu diễn trong phương trình dưới đây (Lagarde 2011).

Đó là giá trị phản xạ F0 mà chúng ta quan tâm liên quan đến việc tạo ra chất liệ(texture) của chúng ta. Phi kim loại (dielectrics / insulators) sẽ có giá trị thang độ xám(Greyscale) và kim loại (dây dẫn) sẽ có giá trị RGB. Liên quan đến PBR và từ giải thích phản xạ nghệ thuật, chúng ta có thể nói rằng đối với một bề mặt điện môi(dielectric) mịn, F0 sẽ phản xạ giữa 2% và 5% ánh sáng và 100% ở góc lướt qua (grazing angle) như trong Hình 11.

Các giá trị phản xạ điện môi(dielectric)(phi kim loại) không thực sự thay đổi đáng kể. Trong thực tế, khi thay đổi bởi độ nhám, những thay đổi thực tế về giá trị có thể khó nhìn thấy. Tuy nhiên, có một sự khác biệt trong các giá trị. Trong Hình 12, bạn có thể thấy biểu đồ hiển thị phạm vi F0 cho cả vật liệu kim loại và phi kim loại.

Lưu ý rằng phạm vi cho các phi kim loại không đi lệch khỏi nhau nhiều. Đá quý là một ngoại lệ vì chúng có giá trị cao hơn. Chúng tôi sẽ thảo luận về F0 vì nó liên quan cụ thể đến chất dẫn điện và chất điện môi(dielectric) sau.

Chất dẫn điện và Chất cách điện/điện môi(dielectric) – Kim loại và Phi kim loại

Khi tạo vật liệu cho PBR, rất có ích khi suy nghĩ về kim loại hoặc phi kim loại. Hãy tự hỏi bản thân xem bề mặt có phải là kim loại hay không. Nếu có, bạn sẽ cần phải làm theo một bộ hướng dẫn. Nếu không, bạn sẽ cần phải thực hiện theo cách khác.

Đây có thể là một cách tiếp cận đơn giản vì một số vật liệu có thể không rơi vào các loại như kim loại (hỗn hợp kim loại và phi kim loại), nhưng trong quá trình tạo vật liệu tổng thể, phân biệt giữa kim loại và phi kim loại là một cách tiếp cận tốt và á kim(metalloids) là một ngoại lệ. Để thiết lập các nguyên tắc cho tài liệu, trước tiên chúng ta phải hiểu những gì chúng ta đang cố gắng tạo ra. Với PBR, chúng ta có thể xem xét các tính chất của kim loại (Chất dẫn điện) và phi kim loại (chất cách điện) để lấy được bộ hướng dẫn này như trong Hình 12.

Hình 12 – Phạm vi F0 cho cả vật liệu kim loại và phi kim loại

Ánh sáng khúc xạ bị hấp thụ và màu sắc của kim loại xuất phát từ ánh sáng phản xạ, vì vậy trong bản đồ của chúng tôi, chúng tôi không cho kim loại một màu khuếch tán.

Kim loại

Kim loại là chất dẫn nhiệt và điện tốt. Điện trường trong việc tiến hành kim loại là số không, và khi một sóng ánh sáng đến từ điện trường và từ trường chạm vào bề mặt, sóng phản xạ ra một phần, và tất cả ánh sáng khúc xạ được hấp thụ. Giá trị phản xạ đối với kim loại được đánh bóng cao ở khoảng 70-100% phản xạ (Hình 13)

Hình 13 – Giá trị phản xạ cho kim loại khoảng 70-100%

Một số kim loại hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng khác nhau. Ví dụ, vàng hấp thụ ánh sáng màu xanh ở đầu tần số cao của quang phổ khả kiến, do đó, nó có màu vàng. Tuy nhiên, vì ánh sáng khúc xạ bị hấp thụ, sắc tố kim loại màu xuất phát từ ánh sáng phản xạ. Do đó, trong bản đồ của chúng tôi, chúng tôi không cung cấp cho kim loại một màu khuếch tán. Ví dụ, trong quy trình gương / bóng(specular/gloss), kim loại thô được đặt thành màu đen trong bản đồ khuếch tán(diffuse map) và giá trị phản xạ là một giá trị màu được tô màu trong bản đồ gương(specular map). Với kim loại, giá trị phản xạ sẽ là RGB và có thể được nhuộm màu. Vì chúng ta đang làm việc trong một mô hình dựa trên quan điểm vật lý, chúng ta cần sử dụng các giá trị đo được trong thế giới thực cho phản xạ kim loại trong bản đồ của chúng ta.

Một khía cạnh quan trọng khác của kim loại về chất liệu(texture) là khuynh hướng ăn mòn của chúng. Điều này có nghĩa rằng các yếu tố thời tiết có thể đóng một vai trò lớn trong trạng thái phản xạ của kim loại. Nếu kim loại rỉ sét, điều này sẽ thay đổi trạng thái phản xạ của kim loại. Các khu vực bị ăn mòn sau đó được xử lý như một vật liệu điện môi(dielectric) được biểu thị bằng một giá trị màu đen trong bản đồ kim loại như trong Hình 14. Như chúng ta sẽ thảo luận trong Phần 2, Trình tô bóng(shader) trong quy trình kim loại /trơn nhám(metallic/roughness) mã hóa giá trị F0 cho vật điện môi(dielectric) là 4 % phản xạ. Hình 14 cho thấy các vùng bị rỉ trong bản đồ màu cơ sở(base color map) như màu phản xạ khuếch tán với giá trị F0 được mã hóa là 4%.

Ngoài ra, kim loại sơn được xử lý như một chất điện môi(dielectric) hơn là một kim loại. Sơn hoạt động như một lớp trên bề mặt của kim loại thô. Chỉ có kim loại thô tiếp xúc với sơn sứt mẻ được coi là kim loại. Điều tương tự cũng xảy ra đối với bụi bẩn trên kim loại hoặc bất kỳ vật chất nào che khuất kim loại thô.

Như đã lưu ý ở đầu chương này, sẽ rất hữu ích khi hỏi liệu vật liệu của bạn có phải là kim loại hay không khi tạo vật liệu PBR. Để chính xác hơn, câu hỏi cũng nên bao gồm thông tin về trạng thái của kim loại: cho dù nó được sơn, rỉ sét hoặc phủ lên trong một vật chất khác như bụi bẩn hoặc mỡ. Vật liệu sẽ được xử lý như điện môi nếu nó không phải là kim loại thô. Tùy thuộc vào thời tiết, có thể có sự pha trộn giữa kim loại và phi kim loại khi các yếu tố phong hóa đóng một vai trò trong trạng thái phản xạ của kim loại.

Xem Thêm :   40 Happy Anniversary Messages for Girlfriend

Xem thêm :  Luyện nghe tiếng Anh cơ bản: 25 bài nghe ngắn thú vị

Hình 14 – Các khu vực ăn mòn được xử lý như một chất điện môi với giá trị F0 là 4% phản xạ

Phi kim loại

Phi kim loại (chất cách điện / điện môi) là chất dẫn điện kém. Ánh sáng khúc xạ được phân tán và/hoặc hấp thụ (thường tái xuất hiện từ bề mặt), vì vậy chúng phản xạ một lượng ánh sáng nhỏ hơn nhiều so với kim loại và sẽ có màu suất phản chiếu(albedo color).

Chúng tôi đã nói trước đó rằng giá trị cho các số điện thoại thông thường là khoảng 2-5% dựa trên F0 như được tính toán bởi chỉ số khúc xạ. Các giá trị này được chứa trong phạm vi tuyến tính 0,017-0,067 (40-75 sRGB) như trong Hình 14. Ngoài một số vật liệu phi kim loại như đá quý, hầu hết các vật điện môi(dielectric) sẽ không có giá trị F0 lớn hơn 4%.

Cũng như với kim loại, chúng ta cần sử dụng các giá trị đo được trong thế giới thực, nhưng có thể khó tìm ra chỉ số khúc xạ (IOR) cho các vật liệu khác không trong suốt. Tuy nhiên, giá trị giữa các vật liệu điện môi phổ biến nhất không thay đổi đáng kể, vì vậy chúng ta có thể sử dụng một vài hướng dẫn cho các giá trị phản xạ. Chúng tôi sẽ trình bày chúng sau trong hướng dẫn này.

Giá trị cho các vật điện môi(dielectric) thông thường là khoảng 2-5% dựa trên F0 như được tính toán bởi IOR. Bạn có thể thấy phạm vi này được minh họa trong Hình 15.

Hình 15 – Chuyển đổi từ sRGB sang tuyến tính(linear) được thực hiện bằng cách sử dụng xấp xỉ gamma 2.2 – xem phần về hiển thị không gian tuyến tính để biết thêm chi tiết

Không gian tuyến tính kết xuất đồ họa

Kết xuất đồ họa không gian tuyến tính là một chủ đề rất phức tạp. Đối với hướng dẫn này, chúng tôi sẽ có một cách tiếp cận đơn giản trong việc nói rằng Kết xuất đồ họa không gian tuyến tính cung cấp phép tính chính xác cho tính toán ánh sáng. Nó tạo ra một môi trường cho phép các tương tác ánh sáng được thể hiện một cách thực tế đáng tin cậy. Trong không gian tuyến tính, gamma là 1.0 và các phép tính được thực hiện tuyến tính trong không gian này. Đối với hình ảnh được hiển thị chính xác cho mắt của chúng ta, cần phải điều chỉnh gamma tuyến tính.

Đôi mắt của chúng tôi nhận thấy những thay đổi về giá trị ánh sáng phi tuyến tính, có nghĩa là chúng hoạt động ở một gamma lớn hơn 1.0. Mắt người nhạy cảm hơn với tông màu đậm hơn tông màu sáng hơn. Hệ số màn hình máy tính trong độ nhạy này để hiển thị hình ảnh để chúng ta có thể nhận ra chúng một cách chính xác, đó là nói rằng chúng ta xem màu trên màn hình bằng cách sử dụng một gamma phi tuyến tính hoặc trong không gian mã hóa gamma (sRGB).

Các tính toán của các giá trị màu sắc và các phép toán trên màu sắc phải được thực hiện trong không gian tuyến tính. Quá trình này biến đổi các giá trị được mã hóa bằng gamma thành các giá trị được mã hóa tuyến tính từ bản đồ màu của chúng ta và từ các màu được chọn trong khi xem trên màn hình thông qua bộ chọn màu sắc. Trong quy trình làm việc được quản lý màu, quá trình này thường liên quan đến việc gắn thẻ bản đồ chất liệu(texture map) để được hiểu là tuyến tính hoặc sRGB. Các tính toán sau đó được thực hiện trong không gian tuyến tính (gamma 1.0) và kết quả trả lại cuối cùng được xem trong không gian mã hóa gamma (sRGB).

Một cách đơn giản hơn để xem xét điều này là nếu bản đồ đại diện cho màu sắc mà bạn nhìn thấy (màu phản xạ khuếch tán), chẳng hạn như màu sắc của kim loại hoặc màu xanh của cỏ, thì nó sẽ được hiểu là sRGB. Nếu bản đồ đại diện cho dữ liệu, chẳng hạn như bề mặt thô như thế nào hoặc nếu vật liệu là kim loại, thì nó phải được hiểu là tuyến tính.

Trong Substance Designer và Substance Painter, việc chuyển đổi giữa không gian tuyến tính/sRGB trên đầu vào(input) cho trình tô bóng(shader) được xử lý tự động cũng như hiệu chỉnh gamma trên kết quả tính toán trong khung nhìn được hiển thị. Là nghệ sĩ, chúng ta thường không cần phải lo lắng về tính toán tuyến tính và chuyển đổi trong phần mềm Substance nhờ nó được bật để làm như vậy theo mặc định.

Khi sử dụng các chất liệu(texture) Substance thông qua plugin tích hợp Substance, các đầu ra(output) được gắn cờ cho không gian tuyến tính/sRGB tự động thông qua việc tích hợp và quản lý màu của ứng dụng máy chủ. Tuy nhiên, điều quan trọng là phải hiểu quy trình: khi bản đồ Substance được sử dụng dưới dạng bitmap được xuất và không phải vật liệu Substance, bạn có thể cần gắn cờ thủ công các chất liệu(texture) là sRGB hoặc Tuyến tính tùy thuộc vào trình kết xuất đồ họa bạn đang sử dụng.

Công thức để chuyển đổi đúng (chuẩn) từ sRGB sang tuyến tính được sử dụng trong Substance Painter và Substance Designer và được định nghĩa là:

** Tại thời điểm viết bài này, từ tuyến tính đến rgb và rgb đến các nút tuyến tính trong Substance Designer không sử dụng công thức này vì lý do tối ưu. Điều này có thể thay đổi trong các bản phát hành sau này.

Để đơn giản, đối với tất cả các chuyển đổi trong hướng dẫn này, chúng tôi đã sử dụng các hàm chuyển đổi được đơn giản hóa (nhưng gần đúng) để thay thế:

Các đặc điểm chính của PBR

Bây giờ là những gì chúng ta đã khám phá lý thuyết cơ bản đằng sau vật lý, chúng ta có thể trích dẫn một số đặc điểm chính của PBR:

1. Bảo tồn năng lượng. Một tia phản xạ không bao giờ sáng hơn giá trị của nó khi nó lần đầu tiên chạm vào bề mặt. Bảo tồn năng lượng được xử lý bởi trình tô bóng(shader).

2. Fresnel. BRDF được xử lý bởi trình tô bóng(shader). Giá trị phản xạ F0 có thay đổi nhỏ nhất cho các số điện thoại phổ biến nhất và nằm trong phạm vi từ 2-5%. F0 cho kim loại có giá trị cao, dao động từ 70-100%.

3. Cường độ đặc trưng được điều khiển thông qua bản đồ BRDF, độ nhám hoặc độ bóng và giá trị phản xạ F0.

4. Tính toán ánh sáng được tính toán trong không gian tuyến tính. Tất cả các bản đồ(map) có các giá trị được mã hóa bằng gamma như màu cơ sở(base color) hoặc khuếch tán(Diffuse) thường được chuyển đổi bởi trình tô bóng(shader) thành tuyến tính, nhưng bạn có thể phải đảm bảo rằng chuyển đổi được xử lý đúng cách bằng cách chọn tùy chọn thích hợp khi nhập hình ảnh vào game engine hoặc trình kết xuất đồ họa của bạn . Các bản đồ mô tả các thuộc tính bề mặt như độ nhám(roughness), độ bóng(glossiness), kim loại(metallic) và chiều cao(Height) nên được thiết lập để được hiểu là tuyến tính.

Trở về đầu trang

Share this:

Thích bài này:

Thích

Đang tải…

Xem thêm bài viết thuộc chuyên mục: Kiến Thức Chung

Related Articles

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Back to top button