• CEOTIC STUDIO

PBR là gì? Phần 1 : LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ PBR.

Updated: Feb 5

Các bạn có thể theo dõi thêm nhiều TUTORIAL khác tại ĐÂY.

PBR là gì?

PBR là viết tắt của thuật ngữ Physically Based Rendering, là một mô hình đổ bóng được sử dụng trong đồ họa máy tính, cho phép mô phòng chân thực nhất sự tác động của ánh sáng lên bề mặt đối tượng (sự đổ bóng) trong thế giới thực.

PBR đã trở thành một xu hướng mới trong ngành công nghiệp đồ họa máy tính từ vài năm trở lại đây. Và nếu như câu hỏi rằng nó có có ý nghĩa gì, thì câu trả lời ngắn gọn là “Rất nhiều” và “còn tùy”.


Điều làm hệ thống PBR khác biệt nhất so với các người tiền nhiệm trước đó của nó là sự mô tả chi tiết hơn về sự tương tác của tia sáng và bề mặt vật thể. Điều này có được là nhờ vào Khả năng của phép toán đổ bóng (hay còn gọi là shader) tiên tiến đủ để tái tạo lại những sai lệch nhỏ trong đường đi của tia sáng, điều mà hay bị bỏ qua trong các hệ thống cũ.


DIFFUSION và RELECTION

DiffusionReflection hay còn gọi là DiffuseSpecular là hai yếu tố xác định được bản chất cơ bản của bề mặt.

Khi một tia sáng bắn vào một bề mặt, nó sẽ bị phản xạ hay còn gọi là bật nảy khỏi bề mặt đó với một góc tương đương với tia tới. Điều này tương tự như việc chúng ta ném một quả bóng vào tường hay mặt đất, nó sẽ nảy ra với một góc tương đương góc ném. Trên bề mặt nhẵn, kết quả giống như hiệu ứng gương đối xứng. Từ Specular thường được sử dụng để diễn tả hiệu ứng này, là một từ trong tiếng latin của “gương”. Và dường như gọi Specularity nghe có vẻ đỡ gượng gạo hơn là Mirorness.


Không phải tất cả ánh sáng khi va đập vào một bề mặt đều phản xạ lại hoàn toàn. Có một số tia sáng sẽ bị thẩm thấu vào bên trong bề mặt và bị hấp thụ bởi vật liệu (thường sẽ chị chuyển thành nhiệt năng) hoặc tán xạ ở bên trong lòng vật liệu. Một vài tia tán xạ đó có thể quay ngược trở ra khỏi bề mặt và đi tới camera hoặc mắt người. Nó được biết tới bởi nhiều cái tên như “Diffuse Light”, “Diffusion”, “Subsurface Scattering”… và tất cả đều diễn giải cùng một hiệu ứng đó.


Nguồn ảnh : marmoset.co


Sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng khuếch tán sẽ khác nhau cho từng bước sóng ánh sáng khác nhau, thứ tạo nên màu sắc của đối tượng. (Ví dụ, nếu đối tượng hấp thụ phần lớn ánh sáng nhưng tán xạ màu xanh, thì nó sẽ có màu xanh). Sự tán xạ thường không theo một hướng nhất định nào cả, nói cách khác là các tia tán xạ sẽ chạy rất loạn xạ, khác hẳn với trường hợp phản xạ gương. Phép toán đổ bóng sử dụng điều này chỉ cần một thông số đầu vào : “Albedo”, màu sắc diễn tả từng phần màu sắc riêng biệt của ánh sáng tán xạ lại khỏi bề mặt. “Diffuse color” là cách diễn đạt đôi khi được sử dụng một cách tương đương.


SỰ TRONG MỜ và SỰ TRONG SUỐT. (Translucency & Transparency)

Trong một vài trường hợp, sự khuếch tán khá phức tạp – đó là các vật liệu có khoảng cách tán xạ lớn, ví dụ như da hoặc sáp. Trong trường hợp này một màu sắc thường không diễn tả hết được sự khuếch tán, và phép toán đổ bóng phải tính toán cả độ dày và hính dáng của đối tượng. Nếu nó đủ mỏng, ánh sáng sẽ tán xạ xuyên qua mặt sau và có thể gọi là độ trong mờ. Nếu sự khuếch tán thậm chí còn thấp hơn (ví dụ kính) thì hầu như không có sự tán xạ và toàn bộ tia sáng sẽ đi xuyên qua đối tượng từ bên này sang bên kia.


Ví dụ về Translucency. Nguồn ảnh : Internet



Ví dụ về Transparency. Click vào ảnh để xem thông tin về video hướng dẫn tạo vật liệu.


BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG.

Với tất cả những phần diễn giải phía trên, chúng ta có đủ thông tin để đi tới kết luận quan trọng rằng : Phản xạ và Khuếch tán lọai trừ qua lại lẫn nhau. Lý do là bởi vì, để ánh sáng có thể khuếch tán, trước tiên nó phải bị thẩm thấu vào bề mặt (thế nên không thể nảy bật phản xạ lại). Điều này được biết tới như một ví dụ về bảo toàn năng lượng trong phép toán đổ bóng, hay dễ hiểu hơn đó là ánh sáng phản xạ khỏi một bề mặt sẽ không bao giờ sáng hơn nguồn sáng gốc.

Điều này rất dễ thực thi trong hệ thống đổ bóng : Đơn giản chỉ cần giảm ánh sáng phản xạ trước khi cho phép sự khuếch tán xảy ra. Điều này có nghĩa là các vật thể có độ phản xạ cao sẽ hiển thị rất ít hoặc không có màu sắc khuếch tán, đơn giản là vì có ít hoặc không có ánh sáng thẩm thấu vào bề mặt, mà chủ yếu chúng được phản xạ. Điều ngược lại cũng đúng : nếu một vật thể có độ khuếch tán ánh sáng, nó cũng không thể phản xạ lại ánh sáng quá nhiều.


Bảo toàn năng lượng là một khía cạnh quan trọng của PBR. Nó cho phép chúng ta làm việc với phản xạ và giá trị khuếch tán cho vật liệu mà không vô tình vi phạm các định luật vật lý. Mặc dù việc thực thi các hằng số này trong thuật toán là không cần thiết để tạo ra một tác phẩm đẹp mắt, nhưng nó đóng vai trò hữu ích như một “Sự tôn trọng vật lý”, sẽ ngăn các tác phẩm của chúng ta bẻ cong quá nhiều các quy tắc hoặc trở nên không nhất quán trong các điều kiện ánh sáng khác nhau.

Ví dụ về việc vật liệu càng có độ phản xạ cao thì càng ít hiển thị màu khuếch tán. Nguồn ảnh : Marmoset.co


KIM LOẠI.

Vật liệu dẫn điện, đáng chú ý nhất là kim loại là vật liệu đáng được đề cập tại thời điểm này vì một vài lý do.


Đầu tiên, chúng có xu hướng phản xạ nhiều hơn so với các vật liệu phi kim. Kim loại thường sẽ thể hiện độ phản xạ cao tới 60-90%, trong khi phi kim thường thấp hơn rất nhiều, trng khoảng 0-20%. Việc phản xạ mạnh này ngăn cản hầu hết các tia sáng thẩm thấu vào bên trong và tán xạ, tạo cho kim loại một vẻ bề ngoài sáng bóng.


Thứ hai, độ phản xạ trên kim loại đôi khi sẽ thay đổi trên phổ khả kiến, có nghĩa là độ phản xạ có vẻ bị nhuốm màu. Màu phản xạ này rất ít khi thấy, nhưng chúng ta có thể thấy nó trên một số vật liệu như vàng, đồng…. Vật liệu phi kim về nguyên lý tổng quát thì không thể hiện hiệu ứng này, và phản xạ của chúng không bị đổi màu.


Cuối cùng, kim loại thường sẽ hấp thụ chứ không tán xạ bất kỳ ánh sáng nào xuyên qua bề mặt. Điều này có nghĩa là về mặt lý thuyết, kim loại sẽ không thể hiện bất kỳ bằng chứng nào về ánh sáng khuếch tán. Tuy nhiên, trong thực tế thường có các oxit hoặc các cặn rỉ khác trên bề mặt kim loại, và chúng sẽ làm tán xạ một lượng nhỏ ánh sáng.


Ví dụ về việc thay đổi chất liệu từ Kim loại sang phi kim (Kim loại bị oxit hóa). Click vào ảnh để xem thông tin về video hướng dẫn tạo vật liệu.


Chính tính hai mặt này giữa các kim loại và các vật liệu khác dẫn đến một số hệ thống Render chấp nhận “Metalness” như một thông số đầu vào. Cụ thể là với V-Ray next hiện tại, chúng ta có thể thấy có thêm tham số Metallic hay Metalness được thêm vào trong bảng vật liệu. Khi đó, chúng ta chỉ đơn giản là chỉ định mức độ kim loại của vật liệu, thay vì phải điều chỉnh cụ thể các thông số Diffuse và Reflection như các phương pháp cũ. Điều này đôi khi được ưa thích như một phương tiện đơn giản hơn để tạo ra các vật liệu, nhưng không nhất thiết là một đặc tính của PBR.


FRESNEL.

Augustin Jean Fresnel dường như là một người da trắng không thể quên mặc dù ông đã … chết. Lý do chính đó là bởi vì tên của ông đã được đặt tên cho một hiện tượng mà ông là người đầu tiên mô tả chính xác. Thật khó để có một cuộc thảo luận về sự phản xạ ánh sáng mà không có tên của ông ấy xuất hiện.


Trong đồ họa máy tính, từ Fresnel dùng để chỉ tên một thuật toán mô phỏng độ phản xạ khác nhau xảy ra ở các góc nhìn khác nhau. Hay còn gọi là sự thay đổi dựa trên góc nhìn. Cụ thể, ánh sáng chiếu vào một bề mặt ở góc nghiêng sẽ có khả năng phản xạ cao hơn nhiều so với ánh sáng chiếu trực diện vào bề mặt. Điều này có nghĩa là các đối tượng được render với hiệu ứng Fresnel sẽ có độ phản xạ sáng hơn ở các rìa mép. Phần lớn chúng ta đã quen với điều này một thời gian dài và sự hiện diện của nó trong đồ họa máy tính không phải là mới. Tuy nhiên các shader PBR đã thực hiện một vài chỉnh sửa quan trọng trong việc đánh giá các phương trình Fresnel.


Đầu tiên là đối với tất cả các vật liệu, độ phản xạ trở thành tổng số cho các góc nghiêng – các rìa mép của bất kì góc nhìn nào trên vật thể nhẵn sẽ hoạt động như một tấm gương hoàn hảo, bất kể vật liệu đó là gì. Vâng, thực sự bất kì vật liệu nào cũng có thể có phản xạ gương nếu như nó trơn tru và được nhìn đúng góc nghiêng thích hợp. Điều này có thể không đúng với cảm nhận của chúng ta, nhưng về mặt vật lý thì nó không sai.


Tiếp theo về Fresnel là đồ thị đường cong hoặc độ suy giảm phản xạ giữa các góc không thay đổi nhiều từ vật liệu này sang vật liệu khác. Kim loại là khác biệt nhất, nhưng chúng cũng có thể được tính toán được.


Điều này có nghĩa với chúng ta ở chỗ, để có được những kết quả chân thực nhất, thì chúng ta nên giảm bớt sự kiểm soát với Fresnel, thay vì điều chỉnh nó quá nhiều. Hay tối thiểu thì chúng ta cũng biết mình cần đặt các giá trị mặc định ở đâu. Tóm lại là cứ kệ nó, đừng điều chỉnh lung tung quá nhiều.


Ví dụ về đồ thị đường cong phản xạ theo góc nhìn. Dựa vào đồ thị này thì chúng ta thấy tại rìa mép thì Chrome hay cao su đều phản xạ như nhau. Nguồn ảnh : Marmoset.co


Đây là tin tốt, bởi vì nó có thể đơn giản hóa việc tạo vật liệu. Hệ thống tạo bóng giờ đây có thể tự xử lý hiệu ứng Fresnell gần như hoàn toàn, nó chỉ phải tham khảo một số tính chất vật liệu có sẵn khác, chẳng hạn như độ bóng và độ phản xạ.

Một quy trình PBR được điều khiển bởi các cơ sở của hiệu ứng phản xạ, dù bằng cách này hay cách khác. Hiệu ứng Fresnel, một khi được render sẽ thêm độ phản xạ lên trên giá trị được chỉ định bởi người dùng. Về cơ bản, Fresnel giúp chúng ta có thể mô tả bề mặt phản chiếu nhiều hơn ở các góc khác nhau khi cần thiết.

Có một cảnh báo lớn cho hiệu ứng Fresnel – Nó nhanh chóng trở nên ít rõ ràng hơn khi các bề mặt trở nên nhám hơn.



MICROSURFACE.

Các mô tả ở trên về sự phản xạ và khuếch tán đề phụ thuộc vào sự định hướng tia sáng nảy bật của bề mặt. Ở quy mô lớn, điều này được mô tả bởi hình dạng của bề mặt, điều này cũng có thể sử dụng các map normal để mô tả các chi tiết nhỏ hơn. Với thông tin này, bất kì hệ thống render nào cũng có thể cho ra một kết quả tốt.


Tuy nhiên, có một mảnh lớn vẫn còn thiếu. Hầu hết các bề mặt trong thế giới thực có những khiếm khuyết rất nhỏ : các rãnh nhỏ, vết nứt và các nốt sạn gồ ghề khác nhỏ tới nỗi mắt thường không thể phân biệt. Dù vậy, chúng vẫn ảnh hướng tới sự khuếch tán và phản xạ ánh sáng.

Một ví dụ cho dễ hiểu, cùng là mặt tấm gỗ phẳng, sờ vào mát tay và không cảm thấy độ gồ ghề, nhưng nếu không chà bóng thì bề mặt sẽ gồ ghề rất nhỏ, ánh sáng sẽ không phản xạ được hoàn toàn, từ đó chúng ta sẽ thấy bề mặt đó khô và phản xạ ít. Sau khi chà bóng, chúng ta thấy độ phản xạ rõ ràng là mạnh hơn rất nhiều – tức là bề mặt đã “phẳng” hơn trước nhiều.

Để mô tả hiệu ứng này, chúng ta có các thông số tên là “Glossiness”, “Smoothness” hoặc “Roughness”.

Chi tiết Microsurface này là một đặc điểm rất quan trọng đối với bất kỳ vật liệu nào, vì thới giới thực có rất nhiều thứ có microsurface. Glossiness không phải là một khái niệm mới, nhưng nó đóng một vai trò quan trọng trong PBR vì chi tiết microsurface có ảnh hưởng lớn tới sự phản xạ ánh sáng.


Hình ảnh minh họa sự tán xạ hỗn loạn của tia sáng phản xạ sau khi va đập vào bề mặt gồ ghề. Nguồn ảnh : Marmoset.co



Trên đây là một số lý thuyết cơ bản về PBR. Các bạn có thể đón xem phần tiếp theo của loạt bài "PBR là gì" có tên là "Tìm hiểu về METALNESS"

Các bạn có thể xem thêm nhiều hướng dẫn miễn phí khác của Ceotic Studio ở địa chỉ sau nha 

Group học tập : https://www.facebook.com/groups/SUSU.HOANGANH/

Fanpage : https://www.facebook.com/DaotaoSketchup/

Website : https://www.ceotic.net/

CEOTIC STUDIO - 0947801305