PBR расшифровывается как Physically Based Rendering. Идея заключается в использовании нескольких текстурных карт для управления различными свойствами материала, определяющими его реакцию на свет. Шейдер сам решает некоторые расчеты автоматически (например, эффект Френеля и других законов физики), помогая добиться результата, близкого к реальной жизни. Этот метод создания материалов широко используется в рендеринге в реальном времени, в основном с популяризацией сканированных текстур из реального мира, обеспечивая высокий уровень реалистичности и сохранения постоянного качества отображения текстур при любом типе освещения.

Структура материала выглядит следующим образом:

Цвет: диффузный цвет, отражаемый материалом при освещении, то есть цвет, который мы видим (например, яблоко красное, потому что оно отражает красный цвет и поглощает другие);

Отражательная способность: количество света, которое отражается от материала. Это количество меняется в зависимости от угла, под которым мы смотрим (эффект Френеля, объясняется ниже);

Микроповерхность: крошечные неровности на поверхности материала, которые изменяют четкость отражения;

Рельеф: дополнительные детали в материале, такие как трещины или поры.

Эффект френеля: этот эффект определяет, что количество отраженных световых лучей, которые мы воспринимаем, зависит от угла, под которым мы наблюдаем материал. Материал отражает меньше света, когда мы смотрим на него прямо (под углом 0°, называемым "нулем Френеля", или F0), и отражает больше света под падающими углами. Например, когда мы входим в озеро и смотрим вниз, мы можем четко видеть дно (потому что при прямом взгляде вода отражает очень мало света). Если же мы посмотрим на горизонт, то поймем, что вода отражает гораздо больше света, почти как зеркало. Минимальное значение отражательной способности материала - F0. Шейдер PBR автоматически переходит между F0 и максимальной отражающей способностью в зависимости от угла.

Также полезно понимать разницу между диэлектрическими и проводящими материалами:

Диэлектрические материалы: в основном это неметаллы, такие как пластик, дерево или камень. Спекулярное отражение (Specular)  в этом типе материалов всегда белое (если цвет падающего света тоже белый). F0 колеблется между 2 и 5 % для большинства неметаллов (то есть они обычно очень плохо отражают при прямом взгляде), увеличиваясь до 100 % при взгляде под углом падения.

Проводящие материалы: это металлы, характеризующиеся высокой отражательной способностью и проводимостью тепла и электричества, такие как золото, алюминий и медь. Металлы не имеют заметного диффузного цвета, и то, что мы воспринимаем при зеркальном отражении, - это цвет самого материала (если цвет падающего света белый). Например, золото будет иметь желтоватые отблески. Однако изношенные или ржавые металлы, как правило, отражают свет как диэлектрики, а не как металлы. Для большинства металлов F0 колеблется между 50 % и 100 % (то есть они обычно очень хорошо отражают свет, если смотреть на них прямо), увеличиваясь до 100 %, если смотреть на них под углом падения.

Рабочий процесс (Workflow)

Слово "рабочий процесс" (Workflow) часто используется для обозначения метода создания материалов, например, определения того, какие типы текстурных карт будут использоваться в ущерб другим или как эти карты будут комбинироваться. Выбор рабочего процесса зависит только от вас, от того, какое программное обеспечение будет использоваться, от стилистики создаваемого контента, от потребностей проекта и т. д. Можно добиться хороших результатов независимо от рабочего процесса. Главное, чтобы выбранный рабочий процесс соблюдался от начала и до конца, чтобы избежать путаницы и несоответствия стиля проекта.

Давайте рассмотрим некоторые из наиболее распространенных рабочих процессов:

Specular Workflow: В течение долгого времени процесс работы со спекуляром был довольно распространен в некоторых рендерах (Vray, Corona, Cycles и т. д.), и сегодня большинство рендеров по-прежнему работают в основном по этой модели. В этом рабочем процессе основными картами, используемыми для управления цветом и отражением материала, являются DIFFUSE, SPECULAR и GLOSSINESS MAPS. Подробнее об этих картах мы расскажем в ближайшее время. В этом рабочем процессе у вас есть полный контроль над F0, но он не очень интуитивен и немного менее оптимизирован.

Metallic Workflow: Более оптимизированный и интуитивно понятный (поскольку шейдер сам отслеживает значения отражения света в пределах реалистичных стандартов). Несколько игровых движков приняли этот рабочий процесс, а постепенно и офлайн-рендеры. В этом рабочем процессе используются в основном карты BASECOLOR, METALLIC и ROUGHNESS MAPS. Это более удобная стартовая точка для новичков.

В этих двух рабочих процессах можно использовать и другие карты, такие как Ambient Occlusion, Normal Map, Bump Map и т. д.

Stylized Workflow: Некоторые игры с более стилизованным художественным стилем часто не используют ни один из указанных выше рабочих процессов, потому что им не нужны отражения в материалах или потому что информация о свете уже нанесена непосредственно на цветовую текстуру (как в текстурах, нарисованных вручную). В качестве примера можно привести тот рабочий процесс, что принят в игре Dota 2. Это не рабочий процесс PBR, поскольку здесь нет стремления к физической точности.