Yaygın ve speküler ayrım ne kadar fiziksel tabanlı?

Gerçek zamanlı bilgisayar grafiklerinde yüzeylerin gölgelendirilmesinin klasik yolu, bir (Lambertiyen) difüze terim ile büyük olasılıkla Phong veya Blinn-Phong'un spekülasyon terimlerinin bir kombinasyonudur.

Şimdi fiziksel temelli renderleme eğilimi ve dolayısıyla Frostbite , Unreal Engine veya Unity 3D gibi motorlardaki malzeme modelleri ile birlikte bu BRDF'ler değişti. Örneğin (bu konuda oldukça evrensel bir model), en yeni Unreal Engine hala Lambertian diffuse kullanıyor, ancak speküler yansıma için Cook-Torrance mikro-modeliyle birlikte (özellikle GGX / Trowbridge-Reitz ve Fresnel terimi için değiştirilmiş bir Slick yaklaşımı kullanarak) ). Ayrıca, iletken ve dielektrik arasında ayrım yapmak için bir 'Metalness' değeri kullanılmaktadır.

Dielektrikler için, dağınık madde albedo kullanılarak renklendirilirken, speküler her zaman renksizdir. Metaller için, dağınık kullanılmaz ve speküler terim malzemenin albedo ile çarpılır.

Gerçek dünyadaki fiziksel malzemeler ile ilgili olarak, yaygın ve speküler arasındaki katı ayrım var mı ve eğer öyleyse, nereden geliyor? Neden biri renkli değil diğeri renkli? İletkenler neden farklı davranıyor?

Başlamak için, Naty Hoffman'ın oluşturma fiziğini kapsayan Siggraph sunumunu okumanızı şiddetle tavsiye ediyorum . Bununla birlikte, sunumundan görüntüler ödünç alarak senin özel sorularını cevaplamaya çalışacağım.

Bir malzemenin yüzeyinde bir noktaya vuran tek bir ışık parçacığına bakıldığında, 2 şey yapabilir: yansıt ya da kır. Yansıyan ışık, aynaya benzer şekilde yüzeyden uzağa sıçrayacaktır. Kırılan ışık malzemenin içinde zıplar ve malzemeye girdiği yerden biraz uzakta olabilir. Sonunda, ışık malzemenin molekülleriyle etkileşime girdiğinde, bir miktar enerji kaybeder. Enerjisini yeterince kaybederse, tamamen emilmesini düşünüyoruz.

Naty'den alıntı yapmak gerekirse, "Işık elektromanyetik dalgalardan oluşur. Dolayısıyla bir maddenin optik özellikleri elektriksel özellikleriyle yakından bağlantılıdır." Bu yüzden malzemeleri metal veya metal olmayan olarak gruplandırıyoruz.

Metal olmayanlar hem yansıma hem de kırılma sergilerler.

Metalik malzemelerin sadece yansıması var. Tüm kırılan ışık emilir.

Işık partikülünün malzemenin molekülleri ile olan etkileşimini modellemeye çalışmak son derece pahalı olacaktır. Bunun yerine bazı varsayımlar ve basitleştirmeler yapıyoruz.

Piksel boyutu veya gölgelendirme alanı giriş-çıkış mesafelerine göre daha büyükse, mesafelerin etkin bir şekilde sıfır olduğu varsayımını yapabiliriz. Kolaylık sağlamak için, ışık etkileşimlerini iki farklı terime ayırırız. "Speküler" yüzey yansıma terimi ve kırılma, soğurma, saçılma ve yeniden kırılma olarak adlandırılan "dağınık" olarak adlandırılan terim.

Ancak, bu oldukça büyük bir varsayımdır. Opak malzemelerin çoğu için bu varsayım tamamdır ve gerçek hayattan çok farklı değildir. Ancak, her türlü şeffaflığı olan malzemeler için, varsayım başarısız olur. Örneğin, süt, cilt, sabun vb.

Bir malzemenin gözlemlenen rengi, emilmeyen ışıktır. Bu, hem yansıyan ışığın hem de malzemeden çıkan kırılan ışığın bir birleşimidir. Örneğin, saf bir yeşil malzeme yeşil olmayan tüm ışığı emecektir, bu nedenle gözümüze ulaşan tek ışık yeşil ışıktır.

Bu nedenle, bir sanatçı bize malzemenin zayıflama işlevini, yani ışığın malzeme tarafından nasıl emileceğini vererek, malzemenin rengini modellemektedir. Basitleştirilmiş difüze / speküler modelimizde bu iki renk, difüz renk ve speküler renk ile gösterilebilir. Fiziksel temelli materyaller kullanılmadan önce, sanatçı keyfi olarak bu renklerin her birini seçecekti. Ancak, bu iki rengin ilişkili olması gerektiği açık görünmelidir. Albedo renginin girdiği yer burasıdır. Örneğin, UE4'te, dağınık ve speküler rengi aşağıdaki gibi hesaplar:

DiffuseColor = AlbedoColor - AlbedoColor * Metallic;
SpecColor = lerp(0.08 * Specular.xxx, AlbedoColor, Metallic)

Metalik metal olmayanlar için 0, metaller için ise 1'dir. 'Specular' parametresi bir nesnenin spekülerliğini kontrol eder (ancak malzemelerin% 99'u için genellikle 0,5'tir)

Aslında birkaç gün önce tam olarak bunu merak ediyordum. Grafik topluluğu içinde hiçbir kaynak bulamadım, aslında üniversitemdeki Fizik bölümüne gittim ve sordum .

Grafik insanlara inandığımız bir sürü yalan olduğu ortaya çıktı.

İlk olarak, ışık bir yüzeye çarptığında, Fresnel denklemleri uygulanır. Yansıtılan / kırılan ışığın oranları onlara bağlıdır. Muhtemelen bunu biliyordun.

"Speküler renk" diye bir şey yoktur.

Bilmediğiniz şey, Fresnel denklemlerinin dalga boyuna göre değiştiği, çünkü kırılma endeksi dalga boyuna göre değişmektedir. Çeşitlilik dielektrikler için nispeten küçüktür (dispersiyon, herkes?), Ancak metaller için muazzam olabilir (bunun, bu malzemelerin farklı elektrik yapıları ile ilgisi var sanırım).

Bu nedenle, Fresnel yansıma terimi, dalga boyuna göre değişir ve bu nedenle farklı dalga boyları tercihen yansıtılır . Geniş spektrumlu aydınlatma altında görülen, speküler renge neden olan budur. Fakat özellikle, yüzeyde sihirli bir şekilde gerçekleşen bir emme yoktur (diğer renkler sadece kırılır).

"Dağınık yansıma" diye bir şey yoktur.

Naty Hoffman'ın diğer cevapla bağlantılı konuşmada söylediği gibi, bu gerçekten dezavantajlı yeraltı saçılmalarına bir yaklaşım.

Metaller DO ışık iletir

Naty Hoffman yanlıştır (daha doğrusu basitleştiricidir). Işık yok değil metallerle hemen emilir olsun. Aslında, birkaç nanometre kalınlığındaki malzemelerden oldukça kolay bir şekilde geçecektir. (Örneğin, altın için 587.6nm ışığı (sarı) yarı yarıya azaltmak için 11.6633nm gerekir.)

Absorpsiyon, dielektriklerde olduğu gibi, Bira-Lambert Yasası nedeniyledir. Metaller için, emme katsayısı çok daha büyüktür (α = 4πκ / λ, ki burada κ kırılma indeksinin hayali bileşenidir (~ 0,5 ve üstü metaller için) ve λ metre cinsinden verilir ).

Bu şanzıman (veya daha doğru bir şekilde ürettiği SSS ), metallerin renklerinin önemli bir kısmından sorumludur (ancak metallerin görünümlerinin kendi spekülerinin egemen olduğu doğrudur).