Ánh sáng là hiện tượng phức tạp vì nó thể hiện các đặc tính của cả hạt và sóng. Do đó, mỗi mô hình 3D được tạo ra miêu tả các hình thái ánh sáng khác nhau. Bài viết này sẽ đề cập đến lý thuyết về Rendering và Shading dựa trên Vật lý.
20-05-2023 08:48:35 AM - 776
Là những họa sĩ tạo vật liệu, chúng ta quan tâm đến tia sáng trên vì nó mô tả sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất. Hiểu cách tia sáng tương tác với bề mặt vật chất là tối quan trọng vì công việc của chúng ta là tạo ra các hình ảnh mô tả một bề mặt. Các hình ảnh và vật liệu mà chúng ta tạo ra tương tác với ánh sáng trong thế giới ảo nhưng lại phải siêu thực như thế giới thật. Càng hiểu rõ cách ánh sáng hoạt động, thì hình ảnh của chúng ta càng trông đẹp hơn.
Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ thảo luận về lý thuyết đằng sau tính vật lý của các mô hình với PBR [Physically Based Rendering]. Chúng ta sẽ bắt đầu bằng việc xem xét hành vi của các tia sáng và tiến đến xác định những đặc điểm quan trọng của PBR.
Tia sáng
Mô phỏng hóa tia sáng cho chúng ta biết rằng một tia sáng có quỹ đạo là một đường thẳng trong môi trường trong suốt đồng nhất như không khí. Hiểu về tia sáng chúng ta có thể dự đoán được hành vi của tia khi gặp phải các bề mặt như các đối tượng không trong suốt hoặc khi đi qua một môi trường khác như từ không khí sang nước.
Điều này cho phép chúng ta hình dung được quỹ đạo của tia sáng khi nó di chuyển từ điểm bắt đầu đến một điểm khác nơi nó chuyển thành một hình thái năng lượng khác, chẳng hạn chuyển thành nhiệt.
Một tia sáng chạm vào một bề mặt được gọi là tia tiếp xúc và góc mà nó chạm vào được gọi là góc tiếp xúc [Hình 01].
Hình 01: Góc tới, tia tới và tia phản xạ
Tia sáng chiếu tới bề mặt phân cách giữa hai môi trường, khi tia sáng va chạm vào bề mặt sẽ xảy ra một hoặc hai sự kiện sau:
- Tia sáng được phản xạ ra khỏi bề mặt và di chuyển theo hướng khác. Nó tuân theo Định luật Phản xạ, cho biết góc phản xạ bằng góc tiếp xúc [tia sáng phản xạ].
- Tia sáng đi qua từ một môi trường sang môi trường khác theo quỹ đạo là một đường thẳng [tia khúc xạ].
Tại điểm này, tia sáng chia thành hai hướng: phản xạ khúc xạ. Tại bề mặt, tia sáng có thể được phản xạ khúc xạ và sau nó có thể bị hấp thụ bởi một trong hai môi trường. Tuy nhiên, sự hấp thụ không xảy ra tại bề mặt của vật liệu.
Hấp thụ và tán xạ [Độ trong suốt và Độ mờ]
Khi di chuyển trong một môi trường không đồng nhất hoặc vật liệu mờ, ánh sáng có thể bị hấp thụ hoặc bị phân tán:
Khi ánh sáng bị hấp thụ, cường độ ánh sáng giảm dần khi nó chuyển thành một hình thức năng lượng khác - thường là nhiệt. Màu sắc của ánh sáng cũng sẽ thay đổi khi lượng ánh sáng bị hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng, nhưng hướng của tia sáng không thay đổi.
Khi ánh sáng bị phân tán, hướng của tia sáng thay đổi ngẫu nhiên, và độ lệch phụ thuộc vào vật liệu. Phân tán làm mất đi tính trật tự của hướng ánh sáng, nhưng không thay đổi cường độ của nó. Một ví dụ về hiện tượng này là vành tai, vành tai mỏng [tính hấp thụ thấp], vì vậy bạn có thể nhìn thấy ánh sáng phân tán từ phía sau của tai, như được hiển thị trong [Hình 02].
Hình 02: Ánh sáng tán xạ phát ra phía sau tai
Nếu không có hiện tượng phân tán và hấp thụ thấp, các tia có thể đi thẳng qua bề mặt, điều này xảy ra với kính. Ví dụ, bạn đang bơi trong một hồ nước trong sạch, bạn có thể mở mắt và nhìn thấy một khoảng cách lớn qua nước trong suốt. Tuy nhiên, nếu hồ nước đó khá bẩn, các hạt bẩn sẽ phân tán ánh sáng và làm giảm độ trong suốt của nước, tầm nhìn sẽ bị hạn chế từ đó.
Ánh sáng truyền đi càng xa trong một môi trường hay vật liệu thì nó càng bị hấp thụ hoặc tán xạ nhiều hơn. Do đó, độ dày của vật chất đóng vai trò quan trọng trong việc ánh sáng bị hấp thụ hoặc phân tán như thế nào. Một Map vật liệu có thể được sử dụng để mô tả độ dày của đối tượng đến Shader như trong [Hình 03].
Hình 03: Map độ dày tính toán tán xạ dưới bề mặt trong Substance Painter
Shader định nghĩa cách vật liệu trông như thế nào khi được ánh sáng chiếu lên. Khi ánh sáng chiếu lên một vật liệu, shader sẽ tính toán để xác định cách ánh sáng được phản xạ, phân tán và hấp thụ bởi vật liệu đó. Shader sử dụng thông tin nguồn sáng, vật liệu và cung cấp các thuộc tính như màu sắc, độ bóng, độ sáng, độ trong suốt cùng các hiệu ứng khác để tính toán kết quả hiển thị cuối cùng trên màn hình.
Phản xạ khuếch tán và phản xạ gương
Phản xạ gương [specular reflection] đề cập đến cách ánh sáng bị bật lại tại bề mặt, như chúng ta đã thảo luận trong phần tia sáng. Tia sáng được phản xạ ra khỏi bề mặt và di chuyển theo hướng khác. Nó tuân theo định luật phản xạ, cho biết bề mặt đó hoàn toàn phẳng, góc phản xạ bằng góc tiếp xúc.
Tuy nhiên, hầu hết các bề mặt không đều nên hướng phản xạ sẽ thay đổi ngẫu nhiên dựa trên độ gồ ghề của bề mặt. Điều này thay đổi hướng ánh sáng, nhưng cường độ ánh sáng vẫn không đổi.
Các bề mặt gồ ghề sẽ có các điểm sáng nhất [highlight] lớn hơn và trông tối mờ hơn. Các bề mặt trơn sẽ giữ phản xạ phản xạ tập trung và trông sáng hơn hoặc đậm hơn tùy thuộc góc nhìn. Tuy nhiên, tổng lượng ánh sáng được phản xạ trong cả hai trường hợp là như nhau [Hình 04]
Hình 04: Hướng phản xạ sẽ thay đổi ngẫu nhiên dựa trên độ gồ ghề bề mặt
Khúc xạ là sự thay đổi hướng của tia sáng. Khi ánh sáng di chuyển từ môi trường này sang môi trường khác, nó sẽ thay đổi tốc độ và hướng. Chỉ số khúc xạ, hay IOR [Index of Refraction], là một phép đo quang học mô tả sự thay đổi hướng mà tia sáng truyền đi. Về cơ bản, giá trị IOR được sử dụng để xác định mức độ tia sẽ bị bẻ cong khi truyền qua môi trường này sang môi trường khác. Ví dụ, nước có IOR là 1,33, trong khi tấm kính có IOR là 1,52 và không khí tất nhiên là 1.0. Trong hình 05, bạn có thể thấy hình vẽ một chiếc ống hút được đặt trong một cốc nước. Ống hút có vẻ bị cong do hiện tượng khúc xạ khi ánh sáng truyền qua các môi trường khác nhau [không khí, nước và thủy tinh].
Hình 05: Ống hút như bị cong do khúc xạCaption
Phản xạ khuếch tán là ánh sáng đã bị khúc xạ. Tia sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác. Sau khi vào trong một đối tượng ánh sáng sẽ bị tán xạ nhiều lần bên trong vật thể này. Cuối cùng, nó bị bật trở lại, ra khỏi vật thể, quay lại môi trường ban đầu ở gần đúng điểm mà nó đi vào ban đầu [Hình 06].
Hình 06: Một tia sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác tán xạ bên trong môi trường vật thể
Vật liệu khuếch tán là chất hấp thụ. Nếu ánh sáng khúc xạ di chuyển quá lâu trong một vật liệu như vậy, nó có thể bị hấp thụ hoàn toàn. Nếu ánh sáng thoát ra khỏi vật liệu này, nó có thể chỉ đi được một khoảng cách rất nhỏ từ điểm đi vào. Do đó, khoảng cách giữa các điểm vào và ra có thể được coi là không đáng kể.
Các vật liệu có cả độ tán xạ cao và độ hấp thụ thấp đôi khi được gọi là vật liệu mờ. Ví dụ khói, sữa, da, ngọc bích và đá cẩm thạch. Kết xuất hình ảnh của ba loại cuối có thể cho kết quả tốt với việc mô phỏng thêm về phân tán dưới bề mặt, nơi sự khác biệt giữa điểm vào và điểm ra của tia sáng không còn được coi là không đáng kể. Kết xuất chính xác các chất có tính phân tán và hấp thụ thấp và thay đổi mạnh, như khói hay sương mù, có thể đòi hỏi phương pháp tốn kém hơn như mô phỏng Monte Carlo.
Lý thuyết mặt vi mô
Về lý thuyết, cả phản xạ khuếch tán và phản xạ gương đều phụ thuộc vào sự bất thường của bề mặt nơi các tia sáng tương tác với môi trường. Tuy nhiên, trong thực tế, ảnh hưởng của độ gồ ghề đối với phản xạ khuếch tán ít nhìn thấy hơn do sự tán xạ xảy ra bên trong vật liệu. Kết quả là, hướng đi của tia tương đối độc lập với độ gồ ghề bề mặt và hướng tới. Phép tính phổ biến nhất cho phản xạ khuếch tán [Lambertian] hoàn toàn bỏ qua độ gồ ghề này.
Trong hướng dẫn này, chúng tôi gọi những bất thường bề mặt này là độ gồ ghề. Bề mặt không đều có thể có một số tên khác, bao gồm độ nhám, độ mịn, độ bóng hoặc vi bề mặt, tùy thuộc vào quy trình làm việc PBR được 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 Map độ nhám hoặc độ bóng tùy thuộc vào quy trình công việc đang được sử dụng. Một hàm phản xạ vật lý BRDF [Bidirectional reflectance distribution function] dựa trên lý thuyết mặt vi mô, giả định rằng một bề mặt bao gồm các mặt chi tiết phẳng có tỷ lệ nhỏ có hướng khác nhau được gọi là mặt vi mô. Mỗi mặt phẳng nhỏ này phản xạ ánh sáng theo một hướng nhất định dựa trên pháp tuyến của nó [Hình 07].
Hình 07: BRDF dựa trên vật lý với lý thuyết Microfacet
Các mặt vi mô bình thường được định hướng chính xác ở giữa hướng ánh sáng và hướng quan sát [góc nhìn] sẽ phản xạ ánh sáng nhìn thấy được. Tuy nhiên không phải tất cả các mặt vi mô đều phản xạ giống nhau vì một số sẽ bị chặn bởi bóng đổ hoặc góc nhìn như minh họa trong Hình 07.
Sự bất thường bề mặt ở cấp độ vi mô gây ra hiện tượng khuếch tán ánh sáng. Ví dụ, phản xạ mờ là do các tia sáng tán xạ. Các tia không được phản xạ theo hướng song song, do đó chúng ta nhìn thấy sự phản chiếu như bị mờ đi [Hình 08].
Hình 08: Phản xạ mờ do tia sáng tán xạ
Màu sắc phản xạ
Màu sắc hiển thị trên một bề mặt phụ thuộc vào bước sóng được phát ra bởi nguồn sáng. Những bước sóng này được hấp thụ bởi vật thể và phản xạ theo cả phản xạ phản gương và phản xạ khuếch tán. Những bước sóng phản xạ còn lại là những gì chúng ta nhìn thấy là màu sắc.
Ví dụ, vỏ quả táo chủ yếu phản xạ ánh sáng màu đỏ. Chỉ có các bước sóng màu đỏ được phân tán trở lại tạo ra ánh đỏ, trong khi những bước sóng khác bị hấp thụ [Hình 09].
.png]Hình 09: Các bước sóng màu đỏ được phản xạ tới mắt
Quả táo cũng có những điểm sáng bật [highlights] cùng màu sắc với nguồn sáng, bởi vì đối với vật liệu không dẫn điện [điện môi] - như vỏ táo - phản xạ gương thường không phụ thuộc vào bước sóng. Đối với những vật liệu này, phản xạ gương không bao giờ có màu sắc. Chúng ta sẽ thảo luận về các loại vật liệu khác nhau [kim loại và chất cách điện] trong các phần sau.
BRDF
Hàm phân phối phản xạ hai chiều [BRDF] là một hàm mô tả tính chất phản xạ của một bề mặt. Trong đồ họa máy tính, có các mô hình BRDF khác nhau - một số trong số đó không thể vật lý. Để một BRDF có tính vật lý, nó phải bảo toàn năng lượng và thể hiện tính chất đối xứng. Tính đối xứng đề cập đến Nguyên tắc Đối xứng Helmholtz, cho rằng các tia sáng vào và ra có thể coi như đảo lộn của nhau mà không ảnh hưởng đến kết quả của BRDF.
BRDF được sử dụng trong các shader PBR của Substance dựa trên mô hình phản xạ chính xác của Disney. Mô hình này dựa trên phân phối microfacet GGX [Gaussian-Geometric X]. GGX cung cấp một trong những giải pháp tốt hơn về phân phối phản xạ gương: với điểm đỉnh sáng nhất [highlight] nhỏ hơn và viền sáng mờ giảm dần rộng hơn, nó trông sẽ trông thực tế hơn [Hình 10].
.png]Hình 10: Phân phối phản chiếu GGX so với Blinn – GGX cung cấp một trong những giải pháp tốt hơn về phân phối phản chiếu
Tính Bảo tồn năng lượng
Nguyên lý bảo toàn năng lượng đóng vai trò quan trọng trong các giải pháp dựa PBR. Nguyên lý này xác định tổng lượng ánh sáng được phát lại bởi một bề mặt [phản xạ và phân tán lại] luôn nhỏ hơn tổng lượng ánh sáng nhận được ban đầu. Nói cách khác, ánh sáng phản xạ từ bề mặt sẽ không bao giờ mạnh hơn ánh sáng ban đầu trước khi va chạm với bề mặt. Với tư cách là nghệ sĩ, chúng ta không cần phải hiểu rõ về việc kiểm soát sự bảo toàn năng lượng. Điều này là một trong những lợi ích của PBR: sự bảo toàn năng lượng luôn được áp dụng bởi Shader. Đây là một phần của việc tạo mô hình dựa trên vật lý và cho phép chúng tôi tập trung vào tính nghệ thuật hơn là vật lý.
Fresnel Effect
Hệ số phản xạ Fresnel đóng vai trò quan trọng trong shading dựa trên vật lý như một hệ số của BRDF. Hiệu ứng Fresnel, được quan sát bởi nhà vật lý người Pháp Augustin-Jean Fresnel, nói rằng lượng ánh sáng phản xạ từ một bề mặt phụ thuộc vào góc quan sát của nó. Hãy tưởng tượng một cái ao. Nếu bạn nhìn thẳng xuống, vuông góc với bề mặt nước, bạn có thể nhìn thấy đáy ao. Quan sát bề mặt nước theo cách này sẽ ở góc 0 độ hoặc góc tiếp tuyến, tiếp tuyến là hướng pháp tuyến của bề mặt. Nếu bạn nhìn vào cái ao ở góc tiếp tuyến, gần như song song với bề mặt nước, bạn sẽ thấy phản xạ gương trên bề mặt nước trở nên mạnh mẽ và không thấy được dưới mặt nước.
Fresnel không phải là điều chúng ta kiểm soát trong PBR như chúng ta đã làm trong shading truyền thống. Đây là một khía cạnh vật lý được xử lý bởi shader PBR. Khi quan sát một bề mặt ở góc tiếp tuyến, tất cả các bề mặt được làm mịn sẽ trở thành bề mặt phản xạ gần như 100% ở góc tiếp tuyến 90 độ.
Đối với các bề mặt gồ ghề, khả năng phản xạ sẽ gần phản xạ gương nhưng không tiến gần tới 100% phản xạ gương. Yếu tố quan trọng nhất ở đây là góc giữa pháp tuyến của từng Microfacet và ánh sáng, chứ không phải góc giữa pháp tuyến của "bề mặt Macro" và ánh sáng. Vì các tia sáng được phân tán theo các hướng khác nhau, phản xạ trông mờ hơn hoặc tối hơn. Những gì xảy ra ở mức độ vi mô có phần tương tự trung bình của tất cả các hiệu ứng Fresnel mà bạn sẽ quan sát cho tất cả các Microfacet tổng hợp lại.
Hình 11: góc phấp tuyến của mặt vi mô và mặt vĩ mô
F0, còn được gọi là giá trị Phản xạ Fresnel tại 0 độ.
Khi ánh sáng va chạm trực tiếp hoặc vuông góc với một bề mặt [ở góc 0 độ], một phần trăm ánh sáng đó được phản xạ theo hướng phản chiếu. Bằng cách sử dụng chỉ số phản xạ [IOR] cho một bề mặt, bạn có thể tính toán được lượng ánh sáng được phản xạ. Điều này được gọi là F0 [Fresnel zero] [Hình 12]. Lượng ánh sáng được khúc xạ vào bề mặt là 1 - F0.
Hình 12: Đối với bề mặt điện môi[cách điện] nhẵn, F0 sẽ phản xạ từ 2-5% ánh sáng và 100% ở các góc nghiêng
Dải giá trị F0 cho hầu hết các vật liệu cách điện thông thường sẽ từ 0.02-0.05 [giá trị tuyến tính]. Đối với các vật liệu dẫn điện, dải giá trị F0 sẽ từ 0.5-1.0. Độ phản xạ của một bề mặt do đó được xác định bởi chỉ số phản xạ như được thể hiện trong phương trình dưới đây [Lagarde 2011].
Chúng ta quan tâm đến giá trị phản xạ F0 khi tạo vật liệu. Vật liệu không dẫn điện [chất điện môi/chất cách điện] sẽ có giá trị màu xám [greyscale], trong khi các kim loại [chất dẫn điện] sẽ có giá trị màu RGB.
Các giá trị phản xạ của vật liệu dielectric [không dẫn điện] thực sự không thay đổi nhiều. Trên thực tế, khi bị ảnh hưởng bởi độ nhám [roughness], những thay đổi thực sự khó nhận ra. Tuy nhiên, có sự khác biệt trong các giá trị. Trong Hình 13, bạn có thể thấy một biểu đồ hiển thị phạm vi F0 cho cả vật liệu kim loại và không kim loại.
Lưu ý rằng các phạm vi cho vật liệu không kim loại không chênh lệch rõ rệt với nhau. Đá quý là một ngoại lệ vì chúng có giá trị cao hơn. Chúng ta sẽ thảo luận về F0 trong mối liên hệ cụ thể với các vật liệu dẫn điện và cách điện sau.
Chất dẫn điện và cách điện [Kim loại và Phi kim loại]
Khi tạo vật liệu cho PBR, sẽ rất hữu ích khi nghĩ về kim loại hoặc phi kim loại. Hãy xem bề mặt là kim loại hay không. Nếu đúng như vậy, bạn sẽ phải cần tuân theo một bộ hướng dẫn đẻ có kết quả đúng. Nếu không, bạn sẽ cần phải làm theo một cách khác.
Đây là một cách tiếp cận đơn giản vì một số vật liệu có thể không thuộc các loại này, chẳng hạn như kim loại [hỗn hợp giữa kim loại và phi kim loại], nhưng trong quá trình tổng thể tạo ra vật liệu, phân biệt giữa kim loại và phi kim loại là một cách tiếp cận tốt và á kim là một ngoại lệ. Để thiết lập các hướng dẫn cho vật 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 rút ra bộ hướng dẫn này như trong Hình 13.
Ánh sáng khúc xạ được hấp thụ và sắc độ màu của kim loại đến từ ánh sáng phản xạ, vì vậy trong Map vật liệu, không để cho kim loại có màu khuếch tán.
Kim loại [Metals]
Kim loại là chất dẫn nhiệt và điện tốt. Điện trường trong các kim loại dẫn điện bằng không, và khi một sóng ánh sáng chiếu tới tạo thành điện trường và từ trường chạm vào bề mặt, sóng này bị phản xạ một phần và toàn bộ ánh sáng khúc xạ bị hấp thụ. Giá trị phản xạ đối với kim loại được đánh bóng cao ở phạm vi phản xạ khoảng 70-100% [Hình 14]
Một số kim loại hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng khác nhau. Ví dụ, vàng hấp thụ ánh sáng xanh lam ở đầu dải tần số cao của quang phổ có thể thấy được, vì vậy nó có màu vàng. Tuy nhiên, vì ánh sáng khúc xạ bị hấp thụ nên sắc thái màu của kim loại đến từ ánh sáng phản xạ. Do đó, trong Map vật liệu, ta không cho kim loại có màu khuếch tán. Ví dụ: trong quy trình làm việc với gương/bóng [specular/gloss], kim loại thô được gán thành màu đen trong Map vật liệu khuếch tán và giá trị phản xạ là màu sắc được gán trong Map gương. Với kim loại, giá trị phản xạ sẽ là RGB và có thể được pha màu. Vì ta đang làm việc dựa trên vật lý nên chúng ta cần sử dụng các giá trị đo được trong thế giới thực cho hệ số phản xạ kim loại trong Map Vật liệu của mình.
Một khía cạnh quan trọng khác của kim loại với việc tạo Chất liệu là khả năng bị ăn mòn của chúng. Điều này có nghĩa là các yếu tố thời tiết có thể đóng một vai trò lớn trong trạng thái phản xạ của kim loại. Nếu kim loại bị gỉ, điều này sẽ làm thay đổi trạng thái phản chiếu của kim loại. Các khu vực bị ăn mòn sau đó được xử lý như một vật liệu cách điện được biểu thị bằng giá trị màu đen trong Map vật liệu kim loại như trong Hình 15. Bộ Shader quy trình tạo vật liệu kim loại/độ nhám [metallic/roughness] cố định giá trị F0 cho chất cách điện là 4 % phản xạ.
Ngoài ra, kim loại sơn được coi là chất điện môi. Sơn hoạt động như một lớp phủ trên cùng của kim loại thô. Chỉ phần kim loại thô lộ ra từ lớp sơn bị sứt mẻ mới 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 phần đầu, sẽ rất hữu ích khi xem xét liệu một vật liệu có phải là kim loại hay không khi tạo vật liệu PBR. Nói chính xác hơn, cũng xét về trạng thái của kim loại: liệu nó có được sơn, rỉ sét hay bị phủ một chất khác như bụi bẩn hoặc dầu mỡ hay không. Vật liệu sẽ được coi là chất cách điện nếu nó không phải là kim loại thô. Tùy thuộc vào thời tiết, có thể có một số pha trộn giữa tính kim loại và phi kim loại vì các yếu tố thời tiết đóng vai trò trong trạng thái phản xạ của kim loại.
Phi Kim loại [Non – Metals]
Phi kim loại [chất cách điện/chất điện môi] là chất dẫn điện kém. Ánh sáng khúc xạ bị tán xạ và/hoặc hấp thụ vì vậy chúng phản xạ một lượng ánh sáng nhỏ hơn nhiều so với kim loại và sẽ có màu Albedo
“Màu albedo là màu tổng quát của một vật liệu khi nó được chiếu sáng và phản xạ khuếch tán, không có hiệu ứng đặc biệt. Đây là màu sắc cơ bản của vật liệu đó, không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng môi trường hay góc nhìn. Trên thực tế, màu albedo thường được sử dụng trong việc tạo hiệu ứng đồ họa 3D và rendering để tái tạo màu sắc tổng quát của các vật liệu một cách chính xác.”
Như đã nói trước đó giá trị của các chất cách điện phổ biến là khoảng 2-5% dựa trên chỉ số khúc xạ F0. Các giá trị này nằm trong phạm vi tuyến tính 0,017-0,067 [40-75 sRGB]. Ngoài một số vật liệu phi kim loại như đá quý, hầu hết các chất cách điện khác sẽ không có giá trị F0 lớn hơn 4%.
Đối với kim loại, chúng ta cần sử dụng các giá trị đo được trong thế giới thực, nhưng có thể khó tìm được chỉ số khúc xạ [IOR] cho các vật liệu không trong suốt. Tuy nhiên, giá trị cho hầu hết các vật liệu cách điện phổ biến không thay đổi đáng kể, vì vậy chúng ta có thể sử dụng một vài nguyên tắc chung cho các giá trị phản xạ.
Giá trị của các chất cách điện phổ biến là khoảng 2-5% dựa trên F0 được tính toán bởi IOR. Bạn có thể thấy phạm vi này được minh họa trong Hình 16.
Kết xuất không gian màu tuyến tính
Kết xuất không gian tuyến tính là một chủ đề phức tạp. Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ tiếp cận một cách đơn giản rằng việc kết xuất không gian tuyến tính cung cấp các phép tính ánh sáng chính xác. Nó tạo ra một môi trường cho phép thể hiện tương tác ánh sáng một cách đáng tin cậy theo cách tương tự thế giới thực.
Trong cuộc thảo luận về việc kết xuất không gian tuyến tính, chúng ta phải xét đến khái niệm về hiệu chỉnh gamma. Khi mã hóa hình ảnh cho mục đích hiển thị và lưu trữ, hiệu chỉnh gamma là quá trình tối ưu hóa giảm băng thông và phân bổ bit. Quá trình này tận dụng sự nhận biết về độ sáng của mắt người, tương đương căn bậc ba của độ sáng.
Hệ thống thị giác của con người [HVS] nhạy cảm hơn với sự khác biệt tương đối với tông màu tối hơn là tông màu sáng. Do đó, không sử dụng hiệu chỉnh gamma là không hiệu quả vì quá nhiều bit sẽ được phân bổ cho các tông màu mà HVS không thể phân biệt được.
Trong quá trình tạo hình ảnh kỹ thuật số thông thường, hình ảnh được mã hóa bằng một hàm gamma mã hóa, chẳng hạn như hàm sRGB OETF hoặc gamma 1/2.2, để hiển thị trên một thiết bị. Mạch hiển thị sau đó giải mã hình ảnh bằng hàm gamma giải mã riêng của nó, EOTF; một màn hình máy tính thường có một cài đặt gamma là 2.2.
Không gian màu tuyến tính mặc định không có hiệu chỉnh gamma. Điều này tương đương với giá trị gamma là 1.0, tạo ra tính toán tuyến tính chính xác. Tuy nhiên, để hiển thị hình ảnh đã kết xuất một cách chính xác cho người xem, nó cần được mã hóa vào không gian gamma.
Một cách đơn giản để xem xét những Map vật liệu cần được giải mã nếu Map được xuất từ Substance Painter thể hiện cho màu sắc mà bạn nhìn thấy [màu phản chiếu phân tán] - như màu của kim loại hoặc màu xanh lá của cỏ - thì nên được đánh dấu là đã được mã hóa gamma để máy tính đọc Map một cách chính xác. Các Map cần được đánh dấu là đã được mã hóa gamma trong quy trình PBR bao gồm màu cơ bản, phản xạ phân tán, phản xạ gương và phát sáng. Các Map vật liệu cần được đánh dấu là tuyến tính trong quy trình PBR bao gồm roughness, ambient occlusion, normal, metallic và height.
Trong Substance, việc chuyển đổi giữa không gian tuyến tính và gamma cho Shader được xử lý tự động. Hiệu chỉnh gamma trên kết quả tính toán trong chế độ xem được hiển thị cũng vậy. Là nghệ sĩ, chúng ta thường không cần lo lắng về tính toán tuyến tính và chuyển đổi trong phần mềm Substance, vì phần mềm sẽ xử lý việc này theo mặc định. Tuy nhiên, điều quan trọng là hiểu quy trình: khi sử dụng Map Substance dưới dạng các hình Bitmap đã xuất ra thay vì vật liệu Substance, bạn có thể cần phải đánh dấu thủ công các Map là mã hóa gamma hoặc tuyến tính tùy thuộc vào trình kết xuất mà bạn đang sử dụng. Thông thường, các dạng .png, .jpg, .tga hoặc .tif được mã hóa gamma, trong khi các tệp sRGB OETF và .exr là tuyến tính.
Đặc điểm chính của PBR
Sau khi khám phá cơ bản lý thuyết về mặt vật lý, chúng ta có thể rút ra một số đặc điểm chính của PBR:
1. Bảo toàn năng lượng: Một tia phản xạ không bao giờ có giá trị lớn hơn tia tới. Bảo toàn năng lượng được xử lý bởi Shader.
2. Fresnel: BRDF [Hàm phân bố phản xạ] được xử lý bởi Shader. Giá trị phản xạ F0 có sự thay đổi tối thiểu đối với hầu hết các chất cách điện phổ biến và nằm trong khoảng 2-5%. Giá trị F0 đối với kim loại là cao, dao động từ 70-100%.
3. Cường độ phản xạ đặc trưng được điều khiển thông qua BRDF, map độ nhám hoặc độ bóng, và giá trị phản xạ F0.
4. Tính toán ánh sáng được thực hiện trong không gian tuyến tính. Tất cả các Map được mã hóa gamma như màu cơ bản hoặc độ khuếch tán thường được chuyển đổi bởi shader thành không gian tuyến tính, nhưng bạn cần đảm bảo quá trình chuyển đổi được xử lý đúng cách bằng cách chọn tùy chọn thích hợp khi nhập hình ảnh trình kết xuất. Các Map mô tả các thuộc tính bề mặt như độ nhám, độ bóng, kim loại và chiều cao phải được đánh dấu để được hiểu là tuyến tính.
Các tin khác
Autodesk AI
Tự động hóa. Phân tích. Tìm hiểu cách Autodesk AI [trí tuệ nhân tạo] đang giúp khách...
Unity Hub là gì?
Tải xuống nền tảng phát triển phổ biến nhất thế giới để tạo trò chơi đa...
Lập trình Unity là gì?
Lập trình Unity 2D và 3D được lập trình dựa vào 3 ngôn ngữ chính là C#,
Boo và
UnityScript....
Digital Twin là gì?
Một trong những công nghệ quan trọng góp phần làm nên bước đột phá mới mẻ của...
Revit Legend Views
Chế độ xem chú thích [Legend Views] là một cách tuyệt vời để làm cho mô hình của...
Revit Issues Add-in
Với bản phát hành tháng 3 của Phần bổ trợ Revit Issues, chúng tôi rất vui được...
Game Vệ Thần
Một đồ án tốt nghiệp của bạn Trần Xuân Lộc mang tên Vệ Thần, nhìn sơ khá giống...
BIM là gì?
Định nghĩa về BIM [Mô hình hóa thông tin tòa nhà]
Inventor add-ins
Autodesk Inventor là phần mềm CAD 3D chuyên nghiệp dành cho thiết kế và kỹ thuật sản...
Chaos's Rebrand
Melissa Knight, Giám đốc sáng tạo tiếp thị tại Chaos Group, đã nói về cái nhìn chào...
SHOTGRID ROADMAP
Được tin cậy bởi hàng nghìn nhà sáng tạo trên toàn thế giới, ShotGrid [trước đây...
AutoCAD vs Solidworks
AutoCAD và SolidWorks - cái nào tốt hơn? AutoCAD và SolidWorks đều cho phép người dùng...
Revit vs. Revit LT
Revit LT là phần mềm BIM hợp lý, tiết kiệm chi phí hơn so với người anh em của mình....
ZWCAD hay AutoCAD LT
ZWCAD là một phần mềm đền từ Trung Quốc, còn AutoCAD LT là phần mềm được phân...
V-Ray for Revit
Giải pháp kết xuất kiến trúc số 1 cho ứng dụng BIM yêu thích của bạn.
Project Lavina
100% RAY TRACING IN REAL-TIME. Project Lavina [soon to be in beta] is an upcoming Chaos Group product...
V-Ray Showreel 2019
Here it is — CHAOS GROUP most epic