Arnold’da Fiziksel Tabanlı İşlemeyi Anlamak – Arnold for 3ds Max

Fiziksel yasalara dayalı malzeme tasarımı, gerçekçilik veya fiziksel doğruluk hedeflemediğimiz durumlarda bile gölgelendirme ve aydınlatmayı son derece basitleştirebilir. Birkaç ilkeyi anlayıp uygulayarak, daha inandırıcı görüntüler oluşturabilir ve farklı aydınlatma koşullarında daha tahmin edilebilir şekilde davranan malzemeler yaratabiliriz.

Modern render motorlarında, fiziksel tabanlı render, enerji korunumu, fiziksel olarak makul saçılma ve malzeme katmanlaması ile doğrusal renk uzayları gibi kavramları ifade eder. Arnold fiziksel tabanlı bir render motorudur, ancak isterseniz kuralları çiğnemenize ve fizik yasalarına uymayan malzemeler ve ışıklar oluşturmanıza da olanak tanır. Bu belgede, temel teoriyi ve gölgelendiricilerinizi bu prensiplere göre nasıl kuracağınızı açıklayacağız.

Fotonlar ve Saçılma #

Görüntü oluşturma işleminde, ışıktan yayılan fotonların havada hareket ederek yüzeylerden ve hacimlerden sekip sonunda bir kamera sensörüne ulaşmasını simüle ederiz. Kamera sensöründeki milyonlarca fotonun birleşimi daha sonra oluşturulmuş görüntüyü meydana getirir.

Bu, fiziksel açıdan bakıldığında, yüzey gölgelendiricilerinin yüzeyin fotonlarla nasıl etkileşim kurduğunu tanımladığı anlamına gelir. Bir nesneye çarpan fotonlar emilebilir, yüzeyden yansıyabilir, yüzeyden kırılabilir veya nesnenin içinde dağılabilir. Bu bileşenlerin birleşimi, çok çeşitli malzemeler ortaya çıkarır.

Enerji Tasarrufu #

Bir cisim foton yayan bir ışık kaynağı olmadığı sürece, gelen ışığın katkıda bulunduğu enerjiden daha fazla enerji geri veremez. Bir malzemenin enerji koruyucu olması için, yüzeyden çıkan foton sayısı gelen foton sayısından küçük veya ona eşit olmalıdır. Bir malzeme enerji koruyucu değilse, özellikle küresel aydınlatma kullanıldığında, malzemeler aşırı parlak görünür ve artan gürültüyle işlenir.

Malzemelerin enerji tasarruflu olmasını sağlamak için, malzeme bileşenlerinin ağırlığı ve rengi asla 1’i geçmemelidir. Ayrıca, tüm bileşenlerin kombinasyonunun enerji tasarruflu olmasına dikkat etmeliyiz; bunu daha sonra ayrıntılı olarak açıklayacağız.

Malzemeler #

Mikroskobik düzeyde, nesne yüzeyleri son derece ayrıntılıdır. Görselleştirme için, bu ayrıntıların tamamını temsil etmek üzere geometri kullanmıyoruz; bunun yerine, anlaşılması kolay parametrelere sahip istatistiksel modeller kullanıyoruz.

Arnold’ın Standart Yüzey gölgelendiricisi, nesneleri bir veya iki yansıtıcı katman ve dağınık veya şeffaf bir iç katmanla modeller. Bu model, çok çeşitli malzemeleri temsil edebilir. Şimdi bireysel bileşenlere bakalım.

Yaygın ve Yüzey Altı Saçılımı #

Öncelikle, dağınık iç yapıyı ele alalım. Gelen fotonlar cismin içine girer, içeride saçılır ve ya emilir ya da cismin başka bir yerinden dışarı çıkar.

Fotonlar birçok kez saçılırsa, fotonların yüzeyden birçok farklı konumdan ve yönden ayrılması nedeniyle dağınık bir görünüm elde ederiz. Deri gibi malzemeler için fotonlar yüzeyin oldukça altına saçılabilir ve bu da çok yumuşak bir görünüm verir; bunu Yüzey Altı Saçılımı ile işleriz . İşlenmemiş ahşap gibi malzemeler için fotonlar çok uzağa saçılmaz, bu da daha sert bir görünüm verir ve bunları Dağınık olarak işleriz . Yapraklar gibi ince nesneler için fotonlar nesnenin diğer tarafına kadar saçılabilir; bunu İnce Duvar etkinleştirilmiş Dağınık Yüzey Altı Saçılımı ile işleriz .

Dağınık iç yüzey, malzemenin genel rengi üzerinde de genellikle en büyük etkiye sahiptir. Her fotonun ilişkili bir dalga boyu vardır ve malzemenin özelliklerine bağlı olarak, bazı dalga boylarına sahip fotonların diğerlerine göre emilme olasılığı daha yüksektir. Bu da, bazı dalga boylarına sahip fotonların yüzeyden ayrılma olasılığının daha yüksek olduğu anlamına gelir ve bu da yüzeye renkli bir görünüm kazandırır.

_{Kırmızı elmanın kabuğu çoğunlukla kırmızı ışığı yansıtır. Sadece kırmızı dalga boyları elma kabuğunun dışına geri saçılırken, diğerleri kabuk tarafından emilir.}

Enerji Tasarrufu #

Tek bir foton, fiziksel doğruluk açısından, yüzeye giren foton sayısından daha fazla fotonun yüzeyden çıkmasını istemediğimiz için, dağınık , yüzey altı saçılımı ve arka aydınlatma bileşenlerinden yalnızca birine katılabilir . Standart Yüzey için , bu bileşenlerin toplamının 1’den yüksek olmaması otomatik olarak sağlanır.

Yansıma Saçılımı #

_{Yansıma Pürüzlülüğü: 0 ila 1}

Pürüzlülük #

Yansıma katmanı, mikro yüzey dağılımı kullanılarak modellenmiştir. Yüzeyin rastgele yönlerde yönlendirilmiş mikroskobik yüzeylerden oluştuğunu varsayıyoruz. Ayna gibi düşük pürüzlülüğe sahip bir yüzeyde yüzeyler arasında çok az varyasyon olacak ve bu da keskin yansımalara neden olacaktır. Yüksek pürüzlülükte ise çok fazla varyasyon olacak ve bu da daha yumuşak, parlak yansımalara yol açacaktır.

_{Elma üzerinde güçlü bir yansıma parlaması görülmektedir. Masanın yansıma yüzeyinin geniş ve mat (yüksek Yansıma Pürüzlülüğü değeri) olduğuna dikkat edin.}

_{Dağınık ışık ışınlarının neden olduğu pürüzlü yansımalar}

Pürüzlülük Haritası #

Yüzeydeki parlaklıkta çeşitlilik elde etmek için, bir harita Yansıma Pürüzlülüğü ile ilişkilendirilmelidir . Bu, yalnızca parlaklığın değil, aynı zamanda boyutunun ve çevresel yansımaların keskinliğinin de etkisini gösterecektir.

_{‘Çizikler’ -> Yansıma Pürüzlülüğü (Aralık gölgelendirici aracılığıyla)}

Bulaşma #

Fotonlar sadece yüzeyden yansımakla kalmaz, aynı zamanda yüzeyden kırılabilirler de. Fotonlar, yansıma katmanından geçerken, genellikle kırılma indisi (IOR) tarafından kontrol edilen bir şekilde, katmanın diğer tarafına çıktıklarında yön değiştirirler.

Şeffaf cam gibi, yüzeyin içi saydam ise, fotonlar nesneden geçip diğer taraftan çıkabilir. Eğer iç kısım dağınık ise, foton nesnenin içinde saçılabilir ve emilebilir veya tekrar nesneden çıkabilir. Yansıma tabakası ne kadar kırıcı olursa, alttaki dağınık iç kısım o kadar görünür olur. Metaller gibi malzemelerde, yansıma tabakasından kırılan fotonlar genellikle hemen emilir, bu nedenle dağınık iç kısım görünmez.

Fresnel #

Yansıma tabakası tarafından yansıtılan veya kırılan fotonların yüzdesi görüş açısına bağlıdır. Yüzeylere doğrudan bakıldığında ışığın çoğu kırılırken, eğik açılardan bakıldığında ışığın çoğu yansıtılır. Buna Fresnel etkisi denir. Kırılma indisi, bu etkinin görüş açısıyla nasıl değiştiğini tam olarak kontrol eder.

_{Yansıma BRDF’sinin görüş yönüne göre değişimi}

Opaklık ve İletim #

Opaklık , yüzey geometrisini dokular kullanarak modellemenin bir yolu olarak en iyi şekilde anlaşılabilir. Fotonların yüzeyle etkileşimini etkilemez, aksine yüzey geometrisinin nerede eksik olduğunu ve fotonların doğrudan geçebileceğini gösterir.

_{Renk Geçişi RGB -> Opaklık}

Opaklık özelliğinin tipik bir kullanım alanı, çokgen bir karttan yaprak şeklini kesmek veya saç tellerinin uçlarını saydam hale getirmek gibi sprite türü efektlerdir. Ancak, çok sayıda opaklık sprite’ı (örneğin ağaç yaprakları) içeren sahnelerin render işlemini önemli ölçüde yavaşlatabileceği konusunda uyarılmalıdır.

İletim Derinliği benzerdir, ancak yüzey yerine nesnenin iç kısmının yoğunluğunu kontrol eder. Daha yoğun hacimler, iç kısımdan geçerken daha fazla foton emer ve bu da nesnenin daha kalın olduğu yerlerde daha koyu görünmesine neden olur.

_{Pepe modeli Daniel M. Lara tarafından yapılmıştır.}