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物理ベース レンダリング( PBR )は、現実世界の光学的要素を持つ光と表面をモデル化して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、「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」と呼ばれることもあります。多くの PBR パイプラインは、フォトリアリズムを実現することを目的としています。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で迅速な近似は、この分野で数学的に重要です。写真測量は、材料の正確な光学特性を発見してエンコードするために使用できます。PBR の原理は、シェーダーを使用するリアルタイム 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するオフライン アプリケーションに実装できます。
歴史
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礎を確立することに取り組みました。この研究の多くは、コーネル大学のコンピュータ グラフィックス プログラムで行われました。この研究室の 1997 年の論文[1]には、その時点でコーネル大学でこの分野で行われた研究が説明されています。
「物理ベース シェーディング」は、 SIGGRAPH 2010 の映画およびゲーム制作における物理ベース シェーディング モデル講座で、五反田 義治氏によって紹介されました。その後、2012 年から 2020 年にかけて、Stephen Hill 氏と Stephen McAuley 氏が主催した「理論と実践における物理ベース シェーディング」講座が続きました。
「物理ベースレンダリング」というフレーズは、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年に同名の著書を出版したことで広く知られるようになりました。この本は現代のコンピュータグラフィックスにおける先駆的な著作であり、著者らは特殊効果部門でアカデミー技術功績賞を受賞しました。[2]この本は現在第4版となっています。[3]
ビデオゲームにおける物理ベースレンダリングの実装が初めて成功したが、部分的な実装は2013年のタイトル「Remember Me 」で、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）上に構築されていたにもかかわらず、この機能に対応するために適切に変更されました。[4] PBRに対する控えめなアプローチであるにもかかわらず、その精度は、同年にリリースされたRyse: Son of RomeやKillzone Shadow Fallなどの後続のタイトルでさらに洗練され、2020年代の現在のPBRの進歩の状態になりました。[5] [6]
プロセス
PBR は、ジョー・ウィルソンが言うように、「厳格なルールの集合というよりも概念である」[4]が、この概念にはいくつかの注目すべき特徴がある。その 1 つは、反射しない表面と反射する表面を区別しようとした以前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。[7]現実世界では、コンクリート などの「平らな」または「マットな」表面でさえ、わずかな量の光を反射し、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、写真測量法(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調査して再現し、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す。最後に、PBR はマイクロファセットに非常に重点を置き、従来の鏡面反射マップや反射率マップに加えて、滑らかさや粗さから生じる小規模な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。
表面
PBR では、多くの場合、双方向散乱分布関数を利用して、表面上の特定のポイントで反射される可視光を計算します。一般的な手法では、近似モデルと簡略化されたモデルを使用して、より時間のかかる他の方法や実験室測定 (ゴニオ反射計など) からのより正確なデータに近似モデルを当てはめようとします。
マーモセットの研究者ジェフ・ラッセルが述べているように、表面に焦点を当てた物理ベースレンダリングパイプラインは、以下の研究分野にも焦点を当てる可能性がある。[6]
ボリューム
PBR はボリューム レンダリングに拡張されることも多く、次のような研究分野があります。
応用
現代のハードウェアの高性能と低コストのおかげで[8]、 PBRは産業用だけでなく、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娯楽目的にも使用できるようになりました。[2]今日の中級から高級のハードウェアはPBRコンテンツの作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の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。
- ブリクル
- 3dsマックス
- O3DE
- 鬼
- マヤ
- ライトウェーブ
- バビロン
- 群れ
- ブレンダー
- シネマ4D
- クライエンジン
- エンスケープ
- ビュー
- Godot (ゲームエンジン)
- Houdini (サイドFX)
- jME
- マイクロステーション
- Minecraft GLSL シェーダー
- ライノセロス3D
- ロブロックススタジオ
- セカンドライフ
- スケッチファブ
- ストライド
- 3.js の
- ユニジン
- ソース2
- 団結
- アンリアルエンジン
- ウェボット
典型的なアプリケーションは直感的なグラフィカルユーザーインターフェイスを提供し、アーティストは任意のプロパティを持つマテリアルを定義およびレイヤー化し、それを特定の2Dまたは3Dオブジェクトに割り当てて、合成または有機的なマテリアルの外観を再現できます。環境は、手続き型シェーダーまたはテクスチャ、および手続き型ジオメトリ、メッシュ、ポイントクラウドを使用して定義できます。[5]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、経験豊富なユーザーが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作成できますが、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に代わって、ライトの位置、反射と放出のレベル、金属性などの重要な概念や、その他のさまざまな数学関数と光学関数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ーがますます増えています。
参照
参考文献
- ^ Greenberg, Donald P. (1999年8月1日). 「リアルな画像合成のためのフレームワーク」(PDF) . Communications of the ACM . 42 (8): 44–53. doi :10.1145/310930.310970. 2018年9月24日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2017年11月27日閲覧。
- ^ ab Pharr, Matt; Humphreys, Greg; Hanrahan, Pat (2004).物理ベースレンダリング: 理論から実装まで(第 1 版). Morgan Kaufmann. ISBN 9780080538969。
- ^ Pharr, Matt; Jakob, Wenzel; Humphreys, Greg (2023).物理ベースレンダリング: 理論から実装まで(第4版). The MIT Press. ISBN 9780262048026。
- ^ ab Wilson, Joe. 「物理ベースレンダリング - あなたもできます！」 2017年1月12日閲覧。
- ^ ab 「ポイントクラウド」。Sketchfabヘルプセンター。 2018年5月29日閲覧。
- ^ ab Russell, Jeff、「PBR理論」。2019年8月20日閲覧。
- ^ ジョン・ヘイブル「Everything Is Shiny」2016年12月5日アーカイブ、Wayback Machineにて。2016年11月14日閲覧。
- ^ カム、ケン。「ムーアの法則は今やインテルよりもNvidiaに有利に働く」。Forbes 。 2018年5月29日閲覧。