Renderização baseada em física

Textura de chapa diamantada utilizando-se princípios de renderização baseada em física. Micro escoriações cobrem o material, dando-lhe um aspecto áspero realista, mesmo que o material seja um metal. Os realces especulares são altos e modelados realisticamente na borda dos cortes, usando normal mapping para mapear o relevo.
Uma imagem de tijolos renderizado usando PBR. Mesmo que esta seja uma superfície áspera opaco, não apenas luz difusa é refletida pelo lado mais brilhante do material, criando pequenos realces, pois "tudo é brilhante" no modelo do mundo real baseado em física. Tessellation é usada para gerar uma malha do objeto a partir de um mapa de alturas e um mapa normal, criando mais detalhes.

Renderização baseada em física (em inglês, physically based rendering, ou PBR) é um modelo de sombreamento em computação gráfica que busca renderizar gráficos de uma forma que modele com mais precisão o fluxo de luz no mundo real. Muitas pipelines de PBR (embora não todas) têm a simulação precisa de fotorealismo como seu objetivo, muitas vezes em tempo real de computação. A fotogrametria pode ser usada para ajudar a descobrir e codificar propriedades ópticas dos materiais mais precisamente.

História

Começando na década de 1980, vários pesquisadores de renderização trabalharam na criação de uma base teórica sólida para a renderização que levasse em conta a exatidão física. Um dos primeiros sistemas, Radiance, para projetos de iluminação e arquitetura, foi apresentado no artigo de Greg Ward na SIGGRAPH de 1994[1], que pode ter introduzido a expressão "Renderização Baseada em Física". Outros trabalhos foram realizados no Programa de Computação Gráfica da Universidade de Cornell. Em um artigo de 1997 da Cornel[2] é descrito o trabalho realizado na universidade em relação a tecnologia.

O conceito foi apresentado por Yoshiharu Gotanda, no curso "Modelos de Renderização Baseados em Física na Produção de Filmes e Jogos" na SIGGRAPH 2010. O curso "Renderização Baseada em Física na Teoria e na Prática", organizado por Stephen Hill e Stephen McAuley entre 2012 e 2020 ajudou a popularizar o recurso.

A expressão foi grandemente popularizada por Matt Pharr, Greg Humphreys e Pat Hanrahan em um livro de mesmo nome de 2004, uma obra seminal em computação gráfica moderna que trouxe aos seus autores um Óscar de Realização Técnica por efeitos especiais .[3]

A primeira implementação bem-sucedida, embora parcial, de Renderização Baseada em Física foi em 2013, no jogo Remember Me, que, apesar de ser construído em uma engine que não suporta nativamente essa tecnologia (Unreal Engine 3), foi devidamente modificada para suportar o recurso. Apesar de ser uma abordagem considerada simples para o que a tecnologia poderia entregar, sua precisão foi ainda mais refinada com títulos posteriores como Ryse: Son of Rome e Killzone Shadow Fall, lançados no mesmo ano, até o estado atual, na década de 2020, onde a técnica é utilizada para alcançar o fotorrealismo em renderizações.[4]

Processo

Como descrito pelo pesquisador Jeff Russell, uma pipeline de renderização baseada em física pode centrar-se nas seguintes áreas:[5]

PBR é, como Joe Wilson coloca, "mais um conceito do que um conjunto estrito de regras"[6], mas o conceito contém várias pontos importantes. Um deles é que ao contrário de muitos modelos anteriores que procuraram diferenciar superfícies não-reflexivas e reflexivas, PBR reconhece que no mundo real, como João Hable coloca, "tudo é brilhante".[7] Mesmo superfícies "planas" ou "matte" no mundo real, tais como borracha, irão refletir um pouco de luz, e muitos metais e líquidos irão refletir muito. Outra coisa que o modelo PBR tenta fazer é integrar fotogrametria - medidas a partir de fotografias de materiais do mundo real - para estudar e replicar intervalos de valores fisicamente reais para simular com precisão propriedades físicas como albedo, brilho, refletividade e outras. Finalmente, a PBR coloca uma grande ênfase nas microsuperfícies, que muitas vezes contêm outras texturas e modelos matemáticos específicos para realces especulares e cavidades em pequena escala, resultando em suavidade ou aspereza além dos mapas especular e de refletividade normais.

Aplicação

Graças ao alto desempenho e baixo custo do hardware moderno[8] tornou-se viável o uso de PBR, não só industrialmente, mas também para fins de entretenimento onde quer que imagens fotorrealistas sejam desejadas, incluindo videogames e filmes[2]. Já que dispositivos móveis para consumidores como smartphones são capazes de executar conteúdo de VR em tempo real, a PBR tem criado um mercado de programas fáceis de usar e grátis, que definem e processam conteúdo em tempo real, onde sacrifícios à fidelidade visual são aceitáveis[9]:

Estado da arte

Uma aplicação típica fornece uma interface gráfica do usuário intuitiva que permite que artistas definam e combinem camadas de materiais com propriedades arbitrárias e atribuem-las a um determinado objeto 2D ou 3D para recriar a aparência de qualquer material orgânico ou sintético. Os ambientes podem ser definidos com shaders e texturas processuais, bem como geometrias processuais, malhas ou nuvens de pontos[10]. Se possível, todas as alterações são visíveis em tempo real, permitindo iterações rápidas. Aplicações sofisticadas permitem que os utilizadores mais experientes escrevam shaders personalizados em uma linguagem de sombreamento.

Referências

  1. ↑ Ward, Gregory J. (24 de julho de 1994). «The RADIANCE lighting simulation and rendering system». Proceedings of the 21st annual conference on Computer graphics and interactive techniques - SIGGRAPH '94. New York, NY, USA: Association for Computing Machinery. pp. 459–472. ISBN 978-0-89791-667-7. doi:10.1145/192161.192286 
  2. ↑ a b Greenberg, Donald P. (1 August 1999). «A framework for realistic image synthesis» (PDF). Communications of the ACM. 42 (8): 44–53. doi:10.1145/310930.310970. Consultado em 27 November 2017. Cópia arquivada (PDF) em 24 September 2018  Verifique data em: |acessodata=, |arquivodata=, |data= (ajuda)
  3. ↑ Pharr, Matt; Humphreys, Greg; Hanrahan, Pat (2004). Physically Based Rendering: From Theory to Implementation 1st ed. [S.l.]: Morgan Kaufmann. ISBN 9780080538969 
  4. ↑ «Point Clouds». Sketchfab Help Center (em inglês). Consultado em 29 de maio de 2018 
  5. ↑ Russell, Jeff, "PBR Teoria". Página visitada em 14 de novembro de 2016.
  6. ↑ «Physically-Based Rendering, And You Can Too!». Marmoset (em inglês). 1 de outubro de 2015. Consultado em 26 de dezembro de 2018 
  7. ↑ «Everything is Shiny». Filmic Worlds (em inglês). Consultado em 26 de dezembro de 2018 
  8. ↑ Kam, Ken. «How Moore's Law Now Favors Nvidia Over Intel». Forbes (em inglês). Consultado em 26 de dezembro de 2018 
  9. ↑ «Physically Based Shading on Moblie». Unreal Engine (em inglês). Consultado em 26 de dezembro de 2018 
  10. ↑ «Point Clouds». Sketchfab Help Center (em inglês) 
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