Что такое PBR? Часть V
Pavel_Ushakov 4384

Ранее в блоге

Часть I — кратко затронул историю становления термина PBR и вывел главный тезис. PBR это не шейдер и не текстура или какой-то отдельно взятый рендер движок — это в первую очередь принципы и основы современной компьютерной графики, кто-то называет это философией.

Часть II — была посвящена такому понятию как PBS — Физически корректный шейдинг, как неотделимая часть физически корректного рендеринга. Кратко рассмотрел, что такое BRDF функции.

Часть III — Реализация GTR (GGX) функции в V-ray. Альтернативные, физически корректные, BRDF модели. Аналитические BRDF модели (Merl библиотека). Коммерческие BRDF решения — VRscans (VrayScanedMtl)

Часть IV.I — PBR шейдинг в Дисней. Реализация в V-ray

Часть IV.II — PBR шейдинг в Дисней. Реализация в V-ray

Часть IV.III — PBR шейдинг в Дисней. Реализация в V-ray

Часть V — PBR текстуры (Заключительная часть цикла)

Финал

Финальная статья цикла, будет посвящена PBR текстурам. Сразу определю — PBR или «не PBR» текстур не бывает. Бывают текстуры отвечающие или не отвечающие PBR принципам.

Изначально, была идея написать статью исключительно о PBR текстурах. Она возникла после того, как я прикупил сборник как бы PBR текстур от CGAxis — не покупайте и даже не качайте с торентов этот сборник, если вам действительно нужны PBR текстуры.

Про этот сборник с большой натяжкой можно сказать, что его содержимое отвечает всем PBR принципам. По факту этот сборник откровенный «шлак», на который, в маркетинговых целях, налепили трендовую аббревиатуру «PBR».

PBR текстуры

Любой шейдер способен описать большинство свойств поверхности чистой математикой через BxDF функции. Но не всегда поверхность объекта имеет однородный диффузный или зеркальный цвет, не всегда объект может иметь ровную поверхность. В таких ситуациях на помощь приходят растровые текстуры, через которые можно усложнять шейдер, делая его визуально более реалистичным. Согласитесь что локальным цветом или процедурной текстурой не всегда можно получить удовлетворительный результат.

Через растровую текстуру можно задать не только сложный диффузный цвет поверхности, но и «запечь» некоторые её свойства. Использование текстур, в которых «запечены» свойства материала, пришло в массы из игровой индустрии. По сложившейся практике пользователю, предлагается три базовые текстурные карты — Diffuse, Specular\Metalness и Glossy\Roughness, по ситуации, подключают дополнительные технические карты — Opacity, Normal, Height, Ambient occlusion, Cavity, Emissive maps. Классический сет это четыре текстуры: Diffuse, Specular\Metalness и Glossy\Roughness, Normal

Важным недостатком так называемых «PBR текстур» является отсутствие гибкости. Так например — карта Glossy\Roughness предлагает мне уже зафиксированные значение шероховатости поверхности. А что если мне нужно сделать больше глянца, как быть? Понятно что мне, как пользователю с опытом, не составляет труда «подкрутить» все эти карты до нужного результата, а как быть менее опытным коллегам? Поэтому мне не особо понятен тот хайп, который был в свое время поднят вокруг PBR текстур.

PBR текстуры для меня, в первую очередь, это решение все же узкоспециальное, для таких направлений как VR, реал-тайм и игровые движки, где нужно максимально упростить и унифицировать шейдерные вычисления, когда текстуры запекаются комплексно для всей модели сразу. В этом контексте — PBR текстуры это простое и универсальное решение, своего рода кроссплатформенный набор «Сделай сам».

3d модель, шейдер которой сделан с соблюдением PBR принципов, будет рендериться, в любой современной рендер системе, без необходимости конвертировать материалы или что либо в них перенастраивать. Особенно если часть свойств шейдера, было зафиксировано (запечено) в текстурах, о которых я говорил выше. Это важное и ценное качество для 3d модели, особенно когда вы продаете её на стоке [Посмотреть стрим о 3D стоках]. Покупатель будет понимать, что купив ваш продукт, он получит универсальное шейдерное решение, которое будет давать одинаковый результат при рендеринге в независимости от используемой рендер системы.

Есть два шейдерных решения так или иначе поддерживаемых в большинстве рендер движков — Specular workflow и Metalness workflow. Эти решения отличаются набором необходимых текстур и соответственно слотами размещения. Итоговая разница не существенна, но заметна в ряде деталей. Забегая вперед сразу скажу, что Metalness workflow более удобен, более экономичен в расходовании видеопамяти (актуально для игровых движков), прост и поэтому стал теперь доминирующим рабочим пространством.

Specular workflow

Как сказал ранее, практически все свойства шейдеров, можно запечь в текстуру, но в этом нет необходимости, так как большинстве рендер систем многие свойства, задаются программно. Так, например, нет необходимости запекать индекс рефракции (IOR), поскольку его можно задать напрямую в шейдере. Поэтому запекается, только ограниченный, комплект текстур.

Для Specular workflow используется базовый сет из следующих растровых карт

Diffuse map - Карта диффузного цвета

Specular map - Карта зеркальности

Glossy map - Карта глянцевитости

Normal map - Карта нормалей

Metalness workflow

Для Metalness workflow используется базовый сет из следующих растровых карт

Diffuse map - Карта диффузного цвета

Metalness map - Карта металличности

Roughnes map - Карта шероховатости

Normal map - Карта нормалей

В чем разница этих решений?

Очевидно, что некоторые текстуры подключаются к разным слотам шейдера и в принципе отличаются по содержанию. Разница между Glossy\Roughness картами небольшая: Glossy map это инвертированная Roughness map, переключение между режимами Glossy\Roughness поддерживается не во всех движках, но в любом случае адаптировать эту карту под нужный режим не составит труда при помощи Photoshop. Карта нормалей (Normal Map) не меняется в обоих решениях. Принципиальное отличие только в двух текстурах Diffuse и Specular\Metalness.

Для рабочего процесса Specular workflow — диффузная карта «закрашивается» черным в тех местах, где поверхность должна проявлять «металличность», там же, где поверхность является диэлектриком, задается необходимый цвет. Через текстурную карту Specular задается степень зеркальности объекта для диэлектрических участков через оттенок серого, а для металлических участков через необходимый цвет металла.

У рабочего процесса Metalness workflow— диффузная карта полностью цветная, как для металлических участков шейдера, так и на участках с диэлектрическими свойствами поверхности. Через черно-белую текстурную карту Metalness мы «сообщаем» рендер движку, где метал, где диэлектрик. По сути карта Metalness выполняет функции маски, а вся необходимая информация «снимается» с карты Diffuse.

Считается что Metalness workflow экономичней в контексте расходования видеопамяти, так как черно белая маска практически ничего «не весит». Я сравнил два сета и действительно сет для Metalness workflow на 20% легче сета Specular workflow.

Недостатки и тонкости работы с Metalness и Specular workflow

Я не буду перетряхивать все рендер движки, на предмет того, как у них организовано подключение так называемых PBR текстур и ограничусь только V-ray.

Классическая схема подключения текстур в Specular workflow

Недостатком этой схемы является то, что она предполагает полное отключение опции IOR, что фактически делает это решение физически некорректным, но…

Некоторые ресурсы предлагают адаптированный к V-ray сет для Specular workflow. В этом сете есть дополнительная IOR карта, которую нужно подключать к слоту Fresnel IOR и так же немного измененная по цвету Specular карта. Такое решение делает шейдер более корректным и отвечающим принципам PBR.

Хотя визуальная разница между этими двумя решениями будет едва ли заметна неискушенному пользователю.

Для подключения текстурных карт в режиме Metalness workflow, необходимо на вкладке BRDF переключиться в режим Use Roughness

Здесь тоже, всё не «слава богу», но получше чем у Specular workflow. Работа со множителем IOR в этом режиме возможна и я могу установить необходимое по ситуации значение, без использования дополнительных текстурных карт. Но, как мне «посчастливилось» выяснить, комплексное значение IOR у металлов значительно ниже чем у диэлектриков. И в примере который я сейчас разбираю, так же есть необходимость подключения дополнительной карты с разными значениями IOR для металла и для окислившейся поверхности (диэлектрика).

В связи с этим фактом, что у металлов есть комплексное значение IOR, которое хоть и не значительно, но влияет на результат, для Вас готовится отдельная статья по металлам, где я обновлю свое мнение и добавлю новую информацию по настройке металлов в V-Ray Next.

В статье Understanding metalnessвы можете найти табличку, скриншот которой представлен ниже, Vlado (папа V-ray) вычислил комплексные значения IOR для ряда металлов которые можно\нужно использовать в совместно со включенной опцией Metalness.

Этизначения, в большинстве случаев, чуть больше единицы. Но как раз из-за этого что IOR метала значительно ниже значений у неметаллов, то имеет смысл заморочиться над этой разницей, для достижения максимальной реалистичности и физической корректности шейдинга в режиме Metalness workflow.

Поскольку карта с необходимым значением IOR, к этому сету не прилагалась, я сделал кастомное решение используя ноду Mix и карту Metalness в качестве маски для разных значений IOR. Значения для IOR я поставил следующие:

IOR 1.05 = 0.9524 RGB для металлической поверхности (среднее значение из таблицы Vlado)

IOR 1.5 = 0.6666 RGB для окиси на поверхности металла (диэлектрик)

После всех тестов, я отдаю свое предпочтение схеме — Metalness workflow + IOR map, так как она наиболее близка к физически корректном решению. Но и другие схемы вполне рабочие, разница будет заметна только на мелких деталях, да и то, только на композитных материалах, которые я выбрал для обзора, где одновременно используется два типа материала — метал и диэлектрик. В простых, однородных, материалах эти нюансы будут менее всего заметны.

Так же сделал рендеры с контрастной световой схемой, что бы сравнить все четыре схемы с оригинальным превью, эксперимент не удался…

Тут сложно дать однозначный и объективный комментарий и сделать какое то сравнение, так как у меня нет возможности задействовать HDRi карту, которая использовалось для рендеринга оригинального превью у шейдера. Так что «ноу комментс…» Оригинал поярче, но не факт что у превью не «подкручивали» цветность.

Что еще нужно знать при работе с так называемым PBR текстурами?

Та информация, которую я прояснил, в процессе работы с материалами к этой статье, стала откровением… Всю свою сознательную трудовую жизнь, когда уже многие начали работать в гамме 2.2 и я в том числе, все текстуры по умолчанию подгружались в этой гамме. Единственной картой, которая нуждалась в корректировке была карта нормалей (Normal Map) её нужно было подгружать в линейной гамме — 1.0

Когда я более подробно стал изучать PBR тему и работу с текстурами в частности, я был удивлен, когда узнал что и остальные текстуры, кроме Specular и Diffuse, необходимо было подгружать в линейной гамме.

Почему так?

Это связано с тем что все черно-белые текстуры, если грубо, участвуют в математических вычислениях. Так например в карте Metlaness, черный пиксель означает 0, белый пиксель означает 1. Математика это линейные вычисления, поэтому шейдерные вычисления так же происходят в линейном пространстве и только два шейдерных компонента — Specular и Diffuse должны быть в представлены гамме 2.2 поскольку это визуальные составляющие и их обработка происходит в нелинейном пространстве.

Specular workflows

Diffuse map - Gamma 2.2

Specular map - Gamma 2.2

Glossy map - Gamma 1.0

Normal map - Gamma 1.0

Metalness workflow

Diffuse map - Gamma 2.2

Metalness map - Gamma 1.0

Roughnes map - Gamma 1.0

Normal map - Gamma 1.0

Это правило, распространяется и на все другие шейдерные компоненты, которые реализуются через черно-белые растровые текстуры — они все должны подгружаться в гамме 1.0 не зависимо от того используете ли вы текстуры из PBR сборников или делаете что-то свое.

Всё... по PBR "точка".

PS Надеюсь что мои изыскания были не напрасны и принесут кому то пользу… во всяком случае у меня, в процессе работы над этим материалом, появилось много новых решений и вообще тема шейдинга стала достаточно прозрачной и понятной. Буду рад фидбеку и пожеланиям. Возможно я что то пропустил, дайте знать, и я просто дополню или уточню эти статьи необходимой информацией.

USHAKOV | CG CHANNEL

Комментарии (17)

0
3d Vlad
Это дремерский куб из скайрима?
0
Pavel_Ushakov
нет
+3
MpaKo6ec
Про гамму-то под конец сбились немного.

"Гамма 2.2" на "цветных" картах не потому что там "обработка в 2.2", рендер тот же, математика та же и вычисления такие же линейные. Просто 8-ми (16-ти) битные текстуры которые у всех лежат в джипегах, тифах, пнг и т.п., все они хранятся с гамма-коррекцией (чаще sRGB).
И настройкой 2.2 в софте, вы говорите рендеру о необходимости их конверта в линейные.

Текстуры то могут и сразу в "линейке" храниться (exr, tx, rat и т.п.) и тогда ничего конвертировать не надо.

Уверен вы это все знаете и сами прекрасно понимаете, вопрос формулировок.
+5
Pavel_Ushakov
Да согласен с вами. Надо просто пересмотреть формулировки... очень сложно писать просто, о сложном. )))
+12
DoCentttt
Так не пиши
0
semjaza
лучший)
+1
Sasha-GHOST
Чувак, ты просто порвал главную 3ддд... Хз, чего теперь с этим дальше делать, но факт остается фактом.
+1
abdufattoh93
Многое узнал от ваших статей, спасибо!
У меня вопрос, что делать со слотом Roughness в Vraymtl, как и при каких обстоятельствах использовать? https://drive.google.com/open?id=1NFd9gi0HY20pAuZXP_CIudVIi_bUOUkt 
0
Pavel_Ushakov
Любая поверхность с визуально грубым рельефом - природные камни, штукатурка цементная, ткань (мешковина, бархат, лен), земля (сухая). Конкретных цифр нет, но есть рекомендации зарубежных коллег из их практики:

Diffuse roughness = 0.33*Reflection Roughness
.
Допустим если у вас Reflection Roughness стоит 0.25, то Diffuse roughness вычисляем так 0,33*0,25=0,0825

ВАЖНО не путайте режимы Glossy\Roughness. Если используете Glossy, то его значение сперва нужно инвертировать, а потом применять в этой формуле.

Здесь еще можно посмотреть работу этой опции:https://www.plus-studio.org/p/vraymtl-roughness.html 
0
grdesigner
Здравствуйте.

Подскажите пожалуйста, а сколько частей планируется?
+1
Sasha-GHOST
Запасаешься терпением?)
+4
grdesigner
Хочу посмотреть весь сезон сразу :)
+1
Pavel_Ushakov
Теоретические темы, которые интересовали меня в PBR, все раскрыты. Далее будут отдельные разборы ситуаций. PBR металлы, PBR ткани и т.д. Сколько будет частей я не знаю, но они уже будут за рамками данного цикла.
+5
MarkizaAD
Можно я просто спасибо напишу, за то что делитесь информацией )) Чувствуешь себя как правило старателем на рудниках, когда ищешь хоть какую то актуальную и не самую базовую информацию в сфере 3D. А тут сразу пласт ))
+1
Патамучта и так конкуренция за каждое рабочее место в 3Д сверх-овер-высокая. А представьте вы еще научитесь делать красивую картинку? И еще 10000 человек вместе с вами. Итог - все ломануться оспаривать это самое рабочее место и работодатель видя это вальяжно грит "Какие те 1000 баков в месяц, губа не треснет? Он очередь стоит, на тебе 300 и не жужжи". Потом подкатывает волна следующих 30000 познавших Дзен и з/п падает до 200))).
+1
SpLine_85
Как всегда! Спасибо!
+1
2time
Согласен с маркизой. инфа реально понятная и полезная по максу это квест!