La renderización basada en la física ( PBR ) es un enfoque de gráficos por computadora que busca renderizar imágenes de una manera que modele las luces y superficies con ópticas en el mundo real. A menudo se lo conoce como "Iluminación basada en la física" o "Sombreado basado en la física". Muchas líneas de PBR tienen como objetivo lograr el fotorrealismo . Las aproximaciones factibles y rápidas de la función de distribución de reflectancia bidireccional y la ecuación de renderización son de importancia matemática en este campo. La fotogrametría se puede utilizar para ayudar a descubrir y codificar propiedades ópticas precisas de los materiales. Los principios de PBR se pueden implementar en aplicaciones en tiempo real utilizando sombreadores o aplicaciones fuera de línea utilizando trazado de rayos o trazado de trayectorias .
A partir de la década de 1980, varios investigadores de renderizado trabajaron para establecer una base teórica sólida para el renderizado, incluida la corrección física. Gran parte de este trabajo se realizó en el Programa de Gráficos por Computadora de la Universidad de Cornell ; un artículo de 1997 de ese laboratorio [1] describe el trabajo realizado en Cornell en esta área hasta ese momento.
Yoshiharu Gotanda presentó el "sombreado basado en la física" durante el curso Modelos de sombreado basados en la física en la producción cinematográfica y de juegos en SIGGRAPH 2010. A esto le siguió el curso Sombreado basado en la física en la teoría y la práctica organizado por Stephen Hill y Stephen McAuley entre 2012 y 2020.
La frase "Renderizado basado en la física" fue popularizada más ampliamente por Matt Pharr , Greg Humphreys y Pat Hanrahan en su libro del mismo nombre de 2004, un trabajo seminal en gráficos de computadora modernos que le valió a sus autores un Premio de la Academia al Logro Técnico por efectos especiales . [2] El libro se encuentra ahora en su cuarta edición. [3]
La primera implementación exitosa, aunque parcial, de renderizado basado en física en un videojuego se puede encontrar en el título de 2013 Remember Me , que a pesar de estar construido sobre un motor de juego que no soporta de forma nativa esta tecnología ( Unreal Engine 3 ) fue modificado adecuadamente para acomodar esta característica. [4] A pesar de ser un enfoque moderado al PBR, su precisión se ha refinado aún más con títulos posteriores como Ryse: Son of Rome y Killzone Shadow Fall , lanzados el mismo año, hasta el estado actual de los avances de PBR en la década de 2020. [5] [6]
El PBR es, como dice Joe Wilson, "más un concepto que un conjunto estricto de reglas" [4] , pero el concepto contiene varios puntos distintivos que hay que destacar. Uno de ellos es que, a diferencia de muchos modelos anteriores que buscaban diferenciar superficies entre no reflectantes y reflectantes, el PBR reconoce que, en el mundo real, como dice John Hable, "todo es brillante". [7] Incluso las superficies "planas" o "mate" del mundo real, como el hormigón, reflejarán un pequeño grado de luz, y muchos metales y líquidos reflejarán una gran cantidad de ella. Otra cosa que los modelos PBR intentan hacer es integrar la fotogrametría (mediciones a partir de fotografías de materiales del mundo real) para estudiar y replicar rangos físicos reales de valores para simular con precisión el albedo , el brillo , la reflectividad y otras propiedades físicas. Por último, PBR pone mucho énfasis en las microfacetas y a menudo contendrá texturas adicionales y modelos matemáticos destinados a modelar reflejos especulares y cavidades a pequeña escala resultantes de la suavidad o la rugosidad, además de los mapas especulares o de reflectividad tradicionales.
Los PBR suelen utilizar funciones de distribución de dispersión bidireccional para calcular la luz visible reflejada en un punto determinado de las superficies . Las técnicas habituales utilizan aproximaciones y modelos simplificados que intentan ajustar modelos aproximados a datos más precisos de otros métodos que requieren más tiempo o mediciones de laboratorio (como las de un goniorreflectómetro ).
Como lo describe el investigador Jeff Russell de Marmoset, un proceso de renderizado basado en la física y centrado en la superficie también puede centrarse en las siguientes áreas de investigación: [6]
El PBR también se extiende a menudo a las representaciones de volumen , con áreas de investigación como:
Gracias al alto rendimiento y los bajos costos del hardware moderno [8], se ha vuelto posible utilizar PBR no solo para fines industriales sino también de entretenimiento donde se deseen imágenes fotorrealistas, como videojuegos o realización de películas. [2] El hardware de gama media a alta de la actualidad es capaz de producir y renderizar contenido PBR y existe un mercado de software fácil de usar que permite a los diseñadores de todos los niveles de experiencia aprovechar los métodos de renderizado basados en la física, como:
Una aplicación típica proporciona una interfaz gráfica de usuario intuitiva que permite a los artistas definir y superponer materiales con propiedades arbitrarias y asignarlos a un objeto 2D o 3D determinado para recrear la apariencia de cualquier material sintético u orgánico. Los entornos se pueden definir con sombreadores o texturas procedimentales, así como con geometría o mallas procedimentales o nubes de puntos . [5] Si es posible, todos los cambios se hacen visibles en tiempo real y, por lo tanto, permiten iteraciones rápidas. Las aplicaciones sofisticadas permiten a los usuarios expertos escribir sombreadores personalizados en un lenguaje de sombreado como HLSL o GLSL , aunque cada vez más editores de materiales basados en nodos que permiten un flujo de trabajo basado en gráficos con soporte nativo para conceptos importantes como la posición de la luz, los niveles de reflexión y emisión y la metalicidad, y una amplia gama de otras funciones matemáticas y ópticas están reemplazando a los sombreadores escritos a mano para todas las aplicaciones, excepto las más complejas.