El renderizado basado en la física, o PBR (por sus siglas en inglés, Physically Based Rendering), es un enfoque de gráficos por computadora que tiene como objetivo procesar imágenes que modele la iluminación y las superficies con ópticas del mundo real. Muchos de los procesamientos PBR tienen como objetivo lograr el fotorrealismo. En este campo, son de gran importancia matemática el uso de aproximaciones factibles y rápidas de la función de distribución de reflectancia bidireccional y de la ecuación de renderizado. La fotogrametría puede servir de ayuda para descubrir y codificar propiedades ópticas precisas de los materiales. Los principios PBR pueden ser implementados en aplicaciones de tiempo real usando sombreadores o aplicaciones fuera de línea usando ray tracing o path tracing.

Implementación y aceleración por hardware

Las implementaciones prácticas de PBR difieren no solo en los modelos de materiales, sino también en cómo se reparten los cálculos. En OSPRay, el dispositivo CPU predeterminado utiliza todos los hilos de hardware detectados, y su número se puede configurar por separado, por lo que el grado de paralelismo es una parte configurable del render. En KeyShot Studio, el rendimiento del renderizado escala con la configuración del sistema aprovechando todos los núcleos y hilos de la CPU disponibles. En Vulkan, el trazado de rayos se basa en estructuras de aceleración —una representación especial de la geometría diseñada para un recorrido eficiente por los rayos— y es obligatoria tanto para los pipelines de trazado de rayos como para las consultas de rayos.

Para la GPU es esencial la organización de los datos: Radeon Rays puede optimizar el BVH para un acceso eficiente desde la GPU y actualizar la geometría sin reconstruir completamente la estructura. En pbrt, el renderizado en GPU se organiza según un esquema wavefront, en el que numerosos rayos se procesan simultáneamente y las tareas relacionadas se agrupan en colas, lo que permite aprovechar el paralelismo masivo del acelerador. La arquitectura híbrida RenderMan XPU utiliza simultáneamente CPU y GPU y distribuye dinámicamente las tareas de renderizado entre ambos. El beneficio del hardware especializado para trazado de rayos depende de la naturaleza de la carga: en Redshift la ganancia es mayor para escenas donde una parte significativa del tiempo se dedica al trazado propiamente dicho, mientras que los efectos no relacionados con el trazado no se aceleran con este mecanismo. En escenas dinámicas las estructuras de aceleración deben mantenerse actualizadas: Unity permite construirlas en la GPU y también actualizar las transformaciones y las propiedades de instancias de trazado de rayos individuales.

Historia Comenzando en la década de los 80, un número de investigaciones sobre renderizado trabajaron en establecer una base sólida teórica de renderizado, incluyendo exactitudes físicas. Gran parte de este trabajo fue realizado en el Programa de Gráficos de Computadora de la Universidad Cornell; un documento de 1997 de ese laboratorio describe el trabajo hecho en Cornell en esta área para ese punto.

El "Sombreado Basado en la Física" fue introducido por Yoshiharu Gotanda durante el curso Physically-Based Shading Models in Film and Game Production en el SIGGRAPH 2010, y seguido por el curso Physically Based Shading in Theory and Practice organizado por Stephen Hill y Stephen McAuley entre 2012 y 2020.

La frase "Physically Based Rendering" fue mayormente popularizada por Matt Pharr, Greg Humphreys, y Pat Hanrahan en su libro del mismo nombre del 2004, un trabajo seminal enfocado en gráficos modernos de computadora que hicieron ganadores a sus autores del Premio Óscar al Logro Técnico de la Academia de Artes y Ciencias Cinematográficas por efectos especiales. Actualmente el libro está impreso en su cuarta edición.

La primera implementación exitosa, aunque parcial del renderizado basado en la física en un videojuego fue hecha en 2013 en el título Remember Me, a pesar de haberse desarrollado en un motor de juego sin soporte nativo de esta tecnología (Unreal Engine 3), fue modificado de manera apropiada para implementar esta característica. A pesar de ser un acercamiento aproximado al PBR, su precisión ha sido mas refinada en posteriores títulos como Ryse: Son of Rome y Killzone: Shadow Fall, lanzados el mismo año, hasta el estado actual de los avances PBR en la década de 2020.

Proceso El PBR es, como Joe Wilson cita, "mas un concepto que una serie estricta de reglas", pero el concepto contiene severos puntos distintivos a tomar en cuenta. Uno de estos es que, a diferencia de otros modelos previos que buscan diferenciar las superficies entre las no reflectantes y las que si, el PBR lo reconoce, en el mundo real, como John Hable cita, "todo es reluciente". Incluso las superficies "planas" o "mate" del mundo real como el concreto reflejaran un pequeño porcentaje de luz, y muchos metales y líquidos reflejaran una gran cantidad de luz. Otra cosa que los modelos PBR intentan hacer es integrar la fotogrametría - medidas de fotográficas de materiales del mundo real - para estudiar y replicar valores de rangos físicos reales para así simular de forma precisa el albedo, brillo, reflectancia, y otras propiedades físicas. Finalmente, el PBR interpone un gran reto de énfasis en microfacetas, y mayormente contendrá texturas adicionales y modelos matemáticos enfocados en modelar a pequeña escala resaltados especulares y cavidades resultantes del suavizado o rugosidad en adición con mapas tradicionales de especularidad o reflectividad.

Superficies El PBR suele utilizar funciones de distribución de dispersión bidireccional para calcular la luz visible reflejada en un punto determinado hacia la superficie. Varias técnicas comunes usan aproximaciones y modelos simplificados que intentan encajar modelos aproximados para obtener datos mas precisos sobre otros métodos mas tardíos o medidas de laboratorio (como los son de un Goniorreflectómetro).

Tal y como lo describe el investigador Jeff Russell de Marmoset, un proceso de renderizado basado en la física enfocado en superficies también puede enfocarse en las siguientes áreas de investigación:

Reflexión Difusión Transluscencia y transparencia Conservación de la energía Metalicidad Reflexión de Fresnel Transluminiscencia

Volúmenes El PBR también se extiende al volume rendering, en áreas de investigación como:

Efectos relacionados con los lentes/el ángulo de visión/la profundidad de campo Cáusticas Dispersión Propiedades visuales atmosféricas como: El ciclo Día-Noche Elevación La distancia angular del Sol o la Luna u otros objetos orbitales El clima y las condiciones del cielo, incluyendo nubes, precipitaciones, y obscuridades de aerosol como la niebla o la bruma

Véase también

Renderizado 3D Gráficos 3D por computadora Modelo de reflexión de Phong

Referencias

Categoría:Computación gráfica