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物理ベースレンダリング（PBR）は、現実世界の光学特性に基づいて光源と表面をモデル化することで画像をレンダリングするコンピュータグラフィックスの手法です。これはしばしば「物理ベースライティング」または「物理ベースシェーディング」と呼ばれます。多くのPBRパイプラインはフォトリアリズムの実現を目指しています。双方向反射率分布関数とレンダリング方程式の実現可能かつ迅速な近似は、この分野で数学的に重要です。フォトグラメトリは、材料の正確な光学特性を発見し、符号化するのに役立ちます。PBRの原理は、シェーダーを使用したリアルタイムアプリケーション、またはレイトレーシングやパストレーシングを使用したオフラインアプリケーションで実装できます。
1980年代から、多くのレンダリング研究者が、物理的な正確さを含むレンダリングの確固たる理論的基盤の確立に取り組んできました。照明設計と建築のための初期のシステムであるRadianceは、Greg Wardが1994年にSIGGRAPHで発表した論文「The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System, [ 1 ] 」で紹介され、この論文が「物理ベースレンダリング」という用語を導入した可能性があります。コーネル大学のコンピュータグラフィックスプログラムでも他の研究が行われ、同研究室の1997年の論文[ 2 ]では、その時点までのコーネル大学におけるこの分野の研究について記述されています。
「物理ベースシェーディング」は、 2010年のSIGGRAPHで開催された「映画とゲーム制作における物理ベースシェーディングモデル」というコースで、五反田義治氏によって初めて紹介されました。その後、2012年から2020年にかけて、スティーブン・ヒル氏とスティーブン・マコーリー氏が主催する「理論と実践における物理ベースシェーディング」というコースが開催されました。
「物理ベースレンダリング」という用語をより広く普及させたのは、マット・ファー、グレッグ・ハンフリーズ、パット・ハンラハンが2004年に出版した同名の書籍である。この書籍は現代のコンピュータグラフィックスにおける画期的な作品であり、著者らは特殊効果でアカデミー技術功績賞を受賞した。[ 3 ]この本は現在第4版となっている。[ 4 ]
ビデオゲームにおける物理ベースレンダリングの最初の成功例（ただし部分的）は、2013年のタイトル「Remember Me 」に見られる。このゲームは、この技術をネイティブにサポートしていないゲームエンジン（Unreal Engine 3）をベースに構築されているにもかかわらず、この機能に対応するために適切に修正されている。[ 5 ] PBRへのアプローチとしては中程度であったが、その精度は、同年リリースされた「Ryse: Son of Rome」や「Killzone Shadow Fall」などの後続タイトルでさらに洗練され、2020年代のPBRの進歩の現状に至っている。[ 6 ] [ 7 ]
PBRは、ジョー・ウィルソンが言うように、「厳密なルールの集合というよりは概念に近い」[ 5 ]が、その概念には注目すべき特徴がいくつかある。その1つは、表面を非反射と反射で区別しようとしたこれまでの多くのモデルとは異なり、PBRは、ジョン・ヘイブルが言うように、現実世界では「すべてが光沢がある」ことを認識している点である[ 8 ] 。コンクリート のような現実世界の「平坦」または「マット」な表面でさえ、わずかな光を反射し、多くの金属や液体は大量の光を反射する。PBRモデルが試みるもう1つのことは、写真測量（現実世界の材料の写真からの測定値）を統合して、実際の物理的な値の範囲を研究および再現し、アルベド、光沢、反射率、およびその他の物理的特性を正確にシミュレートすることである。最後に、PBRは微細な面を非常に重視しており、従来の鏡面反射マップや反射率マップに加えて、滑らかさや粗さによって生じる小さなスケールの鏡面反射ハイライトや空洞をモデル化することを目的とした追加のテクスチャや数学モデルが含まれることがよくあります。
PBRでは、表面上の特定の点で反射される可視光を計算するために、双方向散乱分布関数がよく利用されます。一般的な手法では、近似モデルや簡略化されたモデルを使用し、より時間のかかる他の方法や実験室での測定（ゴニオ反射計による測定など）から得られたより正確なデータに近似モデルを適合させようとします。
Marmosetの研究者ジェフ・ラッセルが説明したように、表面に焦点を当てた物理ベースのレンダリングパイプラインは、次の研究分野にも焦点を当てる可能性があります。[ 7 ]
PBRはボリュームレンダリングにも拡張されることが多く、研究分野としては以下のようなものがある。
現代のハードウェアの高性能と低コストのおかげで[ 9 ]、 PBRは産業用途だけでなく、ビデオゲームや映画制作など、フォトリアリスティックな画像が求められるあらゆるエンターテイメント用途にも利用できるようになりました。[ 3 ]今日の中級から高級ハードウェアはPBRコンテンツの生成とレンダリングが可能であり、あらゆる経験レベルのデザイナーが物理ベースレンダリング手法を活用できる使いやすいソフトウェアの市場が存在します。
一般的なアプリケーションでは、アーティストが任意の特性を持つマテリアルを定義してレイヤー化し、それを特定の 2D または 3D オブジェクトに割り当てて、合成または有機マテリアルの外観を再現できる直感的なグラフィカル ユーザー インターフェイスが提供されます。環境は、プロシージャル シェーダーやテクスチャ、プロシージャル ジオメトリ、メッシュ、またはポイント クラウドを使用して定義できます。[ 6 ]可能であれば、すべての変更がリアルタイムで表示されるため、迅速な反復が可能になります。高度なアプリケーションでは、熟練したユーザーがHLSLやGLSLなどのシェーディング 言語でカスタム シェーダーを記述できますが、最も複雑なアプリケーションを除いて、手書きのシェーダーは、ライトの位置、反射と放射のレベル、金属質などの重要な概念をネイティブにサポートするグラフ ベースのワークフローを可能にするノード ベースのマテリアル エディタに置き換えられつつあります。