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Este texto es una traducción de la entrada Basic Theory of Physically-Based Rendering escrita por Jeff Russell en la web de Marmoset y que como introducción a los materiales PBR es de obligada lectura.

* Nota: PBR (Physically-based rendering) se traduce literalmente como representación basada en la física lo que realmente estamos diciendo es renderizado basado en aspectos físicos reales tanto de la luz como de materiales.

La representación basada en la física (PBR) es una tendencia emocionante, si se define muy básicamente, del renderizado en tiempor real. El término está muy difundido, lo que a menudo genera confusión en cuanto a lo que significa exactamente. La respuesta rápida es: ‘muchas cosas’ y ‘depende’, lo cual no nos permite hacernos una idea clara de lo que realmente es, por lo que me he propuesto tratar de explicar en detalle el PBR qué representa y en qué se diferencia de los métodos de renderizado más antiguos. Este documento está dirigido a personas con conconocimientos nulos o muy básicos de este tema y no hablará de ningún código matemático.

Gran parte de lo que hace que un sistema de renderizado basado en la física sea diferente de sus predecesores es un razonamiento más profundo sobre el comportamiento de la luz y las superficies que intervienen en el mismo. La capacidad de renderizado ha avanzado lo suficiente como para que algunas de las antiguas aproximaciones a este tema puedan ahora darse por obsoletas y con ellas algunos de los antiguos métodos para generar algo artístiscamente destacable. Esto significa que tanto el ingeniero como el artista deben comprender las motivaciones de estos cambios.

Empezaremos con algunos de los conceptos básicos para que estén bien definidos antes de comenzar a resaltar lo que es nuevo, si continúas leyendo a través de estos primeros conceptos que seguramente ya conocerás seguro que valdrá la pena la lectura, también puedes consultar nuestro propio artículo de Joe Wilson sobre la creación de ilustraciones PBR.

Difusión y Reflexión

Difusión y reflexión, también conocidas como luz “difusa” y “especular” respectivamente, son dos términos que describen la separación más básica de las interacciones entre la superficie y la luz. La mayoría de las personas estarán familiarizadas con estas ideas a nivel práctico, pero es posible que no sepan las diferencias físicas que existen entre ellas.

Cuando la luz incide en una superficie, parte de ella se reflejará, es decir, rebotará, desde la superficie y lo hará en dirección al lado opuesto de la normal de dicha superficie. Este comportamiento es muy similar al de una bola lanzada contra el suelo o una pared: rebotará en el ángulo opuesto. En una superficie totalmente pulida, dará como resultado una apariencia de “espejo”. La palabra ‘especular’, que se usa a menudo para describir este efecto “espejo”, proviene del latín ‘speculum‘ (parece que la ‘especularidad’ suena más profesional que “efecto espejo”).

Sin embargo, no toda la luz se refleja desde la superficie. Por lo general, algunos rayos de luz penetrarán en el interior del objeto iluminado. Allí serán absorbidos por el material (generalmente se convertirán en calor) o se dispersarán internamente. Parte de esta luz puede regresar a la superficie, volviéndose visible una vez más a los ojos y cámaras presentes. Esto se conoce por muchos nombres: “Luz difusa”, “Difusión”, “Dispersión (Subsurface Scattering)”: todos describen el mismo efecto.

La absorción y dispersión de la luz difusa a menudo son bastante diferentes para diferentes longitudes de onda de la luz, que es lo que le da color a los objetos (por ejemplo, si un objeto absorbe la mayoría de la luz pero se dispersa en azul, parecerá azul). La dispersión es a menudo tan caótica que puede decirse que se ve igual en todas las direcciones, ¡muy diferente del caso de un espejo! Un material que usa esta aproximación realmente solo necesita un valor: ‘albedo’, un color único que describe las fracciones de varios colores de luz que se dispersarán de la superficie. ‘Color difuso’ o ‘Difuso’ es el nombre que a veces se usa como sinónimo.

Translucidez y Transparencia

En algunos casos, la difusión es más complicada, por ejemplo, en materiales que tienen distancias de dispersión más amplias, como la piel o la cera. En estos casos, un color simple generalmente no funciona y durante el proceso de renderizado se debe tener en cuenta la forma y el grosor del objeto que se está iluminando. Si son lo suficientemente delgados, tales objetos a menudo ven la luz dispersándose por el lado posterior y por esto pueden llamarse translúcidos. Si la difusión es aún más baja (por ejemplo, el vidrio), entonces la dispersión no es evidente y podemos ver  por completo lo que hay al otro lado de forma clara. Estos comportamientos son lo suficientemente diferentes de la difusión típica ‘cercana a la superficie’, por lo que generalmente se necesitan configuraciones especiales para simularlas.

Conservación de energía

Con las descripciones anteriores tenemos suficiente información para llegar a una conclusión importante, la reflexión y la difusión son mutuamente excluyentes. Esto se debe a que, para que la luz sea difusa, la luz debe primero penetrar en la superficie (es decir, no reflejar). Esto se conoce en el lenguaje de renderizado como un ejemplo de ‘conservación de energía’, lo que significa que la luz que sale de una superficie nunca es más brillante que la que originalmente llegó a ella.

Esto es fácil de aplicar en un sistema de renderizado: uno simplemente resta la luz reflejada antes de permitir que se produzca el efecto de luz difusa. Esto significa que los objetos altamente reflectantes mostrarán poca o ninguna luz difusa, simplemente porque poca o ninguna luz penetra a través de la superficie, ya que se ha reflejado en su mayoría. Lo contrario también es cierto: si un objeto tiene una difusión brillante, no puede ser especialmente reflexivo.

La conservación de energía de este tipo es un aspecto importante del renderizado basado en aspectos físicos. Le permite al artista trabajar con valores de reflectividad y difusión (también conocido como albedo) para un material sin violar accidentalmente las leyes de la física (con las que tiende a verse mal). Si bien el cumplimiento de estas restricciones en el código no es estrictamente necesario para producir algo con buena apariencia, cumple una función útil como un tipo de ‘protección’ que evitará que el trabajo final sobrepase mucho las reglas establecidas o se vuelvan inconsistentes bajo diferentes condiciones de iluminación.

Metales

Los materiales eléctricamente conductores, especialmente los metales, merecen una mención especial en este punto por varias razones.

En primer lugar, tienden a ser mucho más reflectantes que los aislantes (no conductores). Los conductores generalmente exhibirán reflectividades altas entre 60-90%, mientras que los aislantes generalmente tienen una reflectividad más baja, en el rango de 0-20%. Estas altas reflectancias evitan que la mayor parte de la luz llegue al interior y por tanto se distribuya, dando a los metales un aspecto muy ‘brillante’.

En segundo lugar, la reflectividad en los conductores a veces variará a lo largo del espectro visible, lo que significa que sus reflejos aparecen teñidos. Esta coloración de la reflexión es rara incluso entre los conductores, pero ocurre en algunos materiales cotidianos (por ejemplo, oro, cobre y latón). Los no conductores o aislantes como regla general no exhiben este efecto y sus reflexiones son incoloras.

Finalmente, los conductores eléctricos generalmente absorberán en lugar de dispersar cualquier luz que penetre en la superficie. Esto significa que, en teoría, los conductores no mostrarán ninguna evidencia de luz difusa. En la práctica, sin embargo, a menudo hay óxidos u otros residuos en la superficie de un metal que dispersarán algunas pequeñas cantidades de luz.

Es esta dualidad entre los metales y casi todo lo demás lo que lleva a algunos sistemas de renderizado a adoptar la ‘metalicidad’ como una opción directa. En tales sistemas, los artistas especifican el grado en que un material se comporta como un metal, en lugar de especificar solo el albedo y la reflectividad de forma explícita. A veces, esto se prefiere como una forma más simple para crear materiales, pero no es necesariamente una característica del renderizado basado en física.

Fresnel

Augustin-Jean Fresnel parece ser una de esas personas fallecidas que probablemente no olvidemos, principalmente porque su nombre está grabado en una serie de fenómenos que fue el primero en describir con precisión. Sería difícil tener una discusión sobre el reflejo de la luz sin que su nombre aparezca.

En gráficos por ordenador, la palabra Fresnel se refiere a la diferente reflectividad que se produce en diferentes ángulos. Específicamente, la luz que cae sobre una superficie en un ángulo distinto a 90º será mucho más probable que se refleje que la que golpea a una superficie de forma directa. Esto significa que los objetos renderizados con un efecto Fresnel adecuado parecerán tener reflejos más brillantes cerca de los bordes. La mayoría de nosotros hemos estado familiarizados con esto desde hace un tiempo y su presencia en gráficos por ordenador no es nueva. Sin embargo, los materiales PBR han hecho populares algunas correcciones importantes en las ecuaciones de Fresnel.

La primera es que para todos los materiales, la reflectividad se convierte en total para los ángulos extremos: los ‘bordes’ vistos en cualquier objeto liso deben actuar como espejos perfectos (sin color), sin importar el material. Efectivamente, cualquier sustancia puede actuar como un espejo perfecto si es suave y se ve en el ángulo correcto. Esto puede ser contrario a la intuición, pero la física es clara.

La segunda observación sobre las propiedades de Fresnel es que la curva o gradiente entre los ángulos no varía mucho de un material a otro. Los metales son los más divergentes, pero también pueden explicarse analíticamente.

Lo que esto significa para nosotros es que, asumiendo que se desea realismo, el control sobre el comportamiento de Fresnel en un renderizado debería reducirse, en lugar de aumentar. O al menos, ¡ahora sabemos dónde establecer nuestros valores predeterminados!.

Esta es una buena noticia, porque puede simplificar la generación de contenido. El programa de renderizado puede ahora controlar el efecto Fresnel casi en su totalidad; solo tiene que consultar algunas de las otras propiedades de los materiales preexistentes, como el pulido y la reflectividad.

Un flujo de trabajo PBR hace que el artista especifique, por un medio u otro, una ‘reflectividad base’. Esto proporciona la cantidad mínima y el color de la luz reflejada. El efecto Fresnel, una vez renderizado, agregará reflectividad al valor especificado por el artista, alcanzando hasta el 100% (blanco) en ángulos extremos. Esencialmente, el contenido describe la base y las ecuaciones de Fresnel toman el control desde allí, haciendo que la superficie sea más reflectante en varios ángulos, según sea necesario.

Hay una gran “pero” para el efecto Fresnel: rápidamente se vuelve menos evidente a medida que las superficies se vuelven menos suaves,menos pulidas. Más información sobre esta situación se dará un poco más adelante.

Microsuperficie

Las descripciones anteriores de reflexión y difusión dependen de la orientación de la superficie. A grandes rasgos, esto se debe a la forma de la malla 3D que se está renderizando, que también puede hacer uso de un mapa normal para describir detalles más pequeños. Con esta información, cualquier sistema de renderizado puede trabajar correctamente, lo que hace que la difusión y la reflexión se visualicen bien.

Sin embargo, todavía falta una pieza grande. La mayoría de las superficies del mundo real tienen imperfecciones muy pequeñas: pequeños surcos, grietas y bultos demasiado pequeños para que los ojos puedan verlos y demasiado pequeños para representar en un mapa normal de cualquier resolución sensata. A pesar de ser invisibles a simple vista, estas características microscópicas, sin embargo, afectan la difusión y el reflejo de la luz.

El detalle de la superficie microscópica tiene el efecto más notable en la reflexión (la dispersión no se ve muy afectada y no se tratará más aquí). En el diagrama anterior, puedes ver cómo las líneas paralelas de la luz entrante comienzan a divergir cuando se reflejan desde una superficie más áspera, ya que cada rayo golpea una parte de la superficie con una orientación diferente. El análogo en el típico ejemplo de la bola sería un extremo: La luz en la bola todavía va a rebotar, pero en un ángulo impredecible. En resumen, cuanto más áspera sea la superficie, más divergirá la luz reflejada o aparecerá como ‘borrosa’.

Desafortunadamente, la evaluación de cada característica de la micro superficie en el renderizado sería prohibitiva en términos de producción artística, uso de memoria y cálculo. Entonces, ¿qué hacemos? Resulta que si renunciamos a describir los detalles de la micro superficie directamente y en su lugar especificamos una medida general de la rugosidad, podemos obtener renderizados bastante precisos que producen resultados similares. Esta medida a menudo se denomina ‘Brillo’, ‘Suavidad’ o ‘Rugosidad’. Puede especificarse como una textura o como una constante para un material dado.

Conservación de energía (otra vez)

Como nuestro sistema de renderizado hipotético ahora está teniendo en cuenta los detalles microscópicos de la superficie y la difusión de la luz reflejada de manera adecuada, debe tener cuidado de reflejar la cantidad correcta de luz. Lamentablemente, muchos sistemas de renderizado antiguos se equivocan al reflejar demasiada o poca luz, dependiendo de la rugosidad de la superficie.

Cuando las ecuaciones están correctamente equilibradas, un renderizador debe mostrar superficies ásperas que tengan reflejos de reflexión más grandes que aparezcan más tenues que las luces más pequeñas y nítidas de una superficie suave. Esta diferencia aparente en el brillo es la clave: ambos materiales están reflejando la misma cantidad de luz, pero la superficie más áspera la está extendiendo en diferentes direcciones, mientras que la superficie más suave está reflejando un ‘haz’ más concentrado:

Aquí tenemos una segunda forma de conservación de energía que debe mantenerse, además del equilibrio de difusión / reflexión descrito anteriormente. Teneer este aspecto es uno de los puntos más importantes que se requieren para cualquier programa de renderizado que aspire a estar dentro de los que se llaman basados en física.

Todo es Microsuperficie

Y es con lo comentado anteriormente con lo que llegamos al punto más importante: el pulido de la micro superficie afecta directamente al brillo aparente de los reflejos. Esto significa que un artista puede crear variaciones directamente en el mapa de pulido (rasguños, abolladuras, áreas desgastadas o pulidas, lo que sea) y un sistema PBR mostrará no solo el cambio en la forma de reflexión, sino también la intensidad relativa.

Esto es significativo porque dos cantidades del mundo real que están físicamente relacionadas, el detalle en la superficie y la reflectividad, ahora están correctamente vinculadas entre sí por primera vez en el contenido de la técnica y el proceso de representación. Esto es muy parecido al acto de equilibrio de difusión / reflexión descrito anteriormente: podríamos estar creando ambos valores de forma independiente, pero como están relacionados, la tarea solo se hace más difícil al tratarlos por separado.

Además, una investigación de materiales del mundo real mostrará que los valores de reflectividad no varían ampliamente. Un buen ejemplo sería el agua y el lodo: ambos tienen una reflectividad muy similar, pero como el lodo es bastante áspero y la superficie de un charco es muy suave, parecen muy diferentes en términos de sus reflexiones. Un artista que crea tal escena en un sistema PBR sería el autor de la diferencia principalmente a través de los mapas de brillo o rugosidad en lugar de ajustar la reflectividad, como se muestra a continuación:

Las propiedades de la micro superficie también tienen otros efectos sutiles en la reflexión. Por ejemplo, el efecto Fresnel de ‘bordes más brillantes’ disminuye algo con superficies más ásperas (la naturaleza caótica de una superficie rugosa ‘dispersa’ el efecto Fresnel, impidiendo que el espectador pueda verlo claramente). Además, las características de microsuperficie grandes o cóncavas pueden ‘atrapar’ la luz, lo que hace que se refleje contra la superficie varias veces, lo que aumenta la absorción y reduce el brillo. Los diferentes sistemas de renderizado usan estos detalles de diferentes maneras y en diferentes extensiones, pero la tendencia general de superficies más ásperas que parecen más tenues es la misma.

Conclusión

Por supuesto, hay mucho más que decir sobre el tema del renderizado físico; Este documento ha servido solamente como una introducción básica. Si todavía no lo has hecho, lee el tutorial de Joe Wilson sobre creación de ilustraciones PBR. Para aquellos que quieran más información técnica, podría recomendar varias lecturas:

• John Hable excelente entrada de Blog: Everything Is Shiny
• John Hable aun mejor entrada de Blog: Everything Has Fresnel
• Sébastien Lagarde resumen de Rendering Remember Me
• Ahora que lo pienso todo el blog de Sébastien Lagarde es muy bueno
• El curso sobre PBR del SIGGRAPH 2010
• Siempre vale la pena mencionar: The Importance of Being Linear

Si todavía quedan preguntas sin responder, por lo general puedo responderlas en twitter.

Fuente: https://marmoset.co/posts/basic-theory-of-physically-based-rendering/

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