Фізично обґрунтований рендеринг (PBR)

Фізично обґрунтований рендеринг (Physically Based Rendering, PBR) — це підхід до затінення, що моделює взаємодію світла з поверхнями на основі фізичних принципів. Такі властивості матеріалу, як базовий колір, металевість і шорсткість, описують поверхню незалежно від освітлення сцени.

Вбудовані матеріали glTF надають освітлення PBR. Defold також надає власним шейдерам імпортовані властивості матеріалів glTF 2.0 й дані підтримуваних розширень Khronos.

Вбудовані матеріали PBR

Призначте файл glTF або GLB властивості Scene компонента Model. Коли редактор запропонує заповнити матеріали й текстури, виберіть Auto Fill, щоб застосувати згенеровані прив’язки матеріалів сцени, замінивши наявні прив’язки. Ці матеріали використовують вбудовані шейдери glTF і можуть безпосередньо посилатися на вбудовані зображення. Виберіть Keep Current, щоб зберегти свої прив’язки й призначити матеріали та текстури вручну. Про перегляд вбудованих ресурсів і вибір окремих сіток див. процес імпорту моделей.

У /builtins/materials/ доступні такі матеріали. Виберіть варіант, що відповідає моделі та використанню інстансингу:

Усі чотири використовують локальний простір вершин і той самий фрагментний шейдер gltf.fp. Варіанти зі скінінгом виконують його на GPU. Про скінінг на GPU й інстансинг див. вимоги матеріалів моделей.

Для ручного призначення текстур вбудовані матеріали використовують такі назви семплерів:

Налаштуйте камеру і додайте компоненти світла, щоб освітити модель. Шейдер використовує спрямовані, точкові та прожекторні джерела для прямого освітлення й фонові джерела для простого внеску навколишнього освітлення. Матеріали мають тег model, який малює стандартний скрипт рендерингу. Власний скрипт рендерингу має малювати відповідний предикат.

Поведінка вбудованих шейдерів

Вбудовані шейдери реалізують затінення metallic/roughness, базовий колір і колір вершин, карти нормалей за наявності даних дотичних, оклюзію та випромінювання з урахуванням його сили. Текстури базового кольору й випромінювання декодуються з sRGB для освітлення, а кінцевий колір перетворюється назад у sRGB. Карти металевості/шорсткості, нормалей і оклюзії містять лінійні дані.

Шейдер враховує матеріали без освітлення та альфа-маску й коригує нормалі двосторонніх поверхонь. Стан рендерингу залишається важливим:

• Для двосторонніх матеріалів вимкніть відсікання граней у відповідному проході рендерингу, щоб задні грані потрапляли до шейдера.
• Для змішуваної прозорості шейдер виводить непримножений альфа-канал. Увімкніть змішування з graphics.BLEND_FACTOR_SRC_ALPHA і graphics.BLEND_FACTOR_ONE_MINUS_SRC_ALPHA та керуйте порядком малювання прозорих об’єктів і записом глибини у скрипті рендерингу. Стандартний прохід моделей не вмикає змішування автоматично.

Вбудований внесок навколишнього освітлення є наближенням без освітлення картою оточення чи тіней. Такі ефекти, як прозоре покриття, світлопропускання, полиск, іризація та процес specular/glossiness, потребують власного затінення; імпорт їхніх параметрів не вмикає ці ефекти у gltf.fp.

Огляд властивостей матеріалів

Наведені нижче властивості зчитуються з вихідних файлів glTF 2.0, призначених компоненту моделі. Список описує доступні дані матеріалів; вбудоване освітлення використовує підмножину, описану вище. Не всі властивості є стандартними. Деякі надаються через необов’язкові розширення glTF, які засіб експорту файлу glTF може включати або не включати. Нижче відповідне розширення вказано в дужках після назви властивості.

Металевість і шорсткість

Описує взаємодію світла з матеріалом. Стандартна модель PBR.

Дзеркальне відбиття й глянцевість (KHR_materials_pbrSpecularGlossiness)

Альтернатива металевості й шорсткості. Часто використовується в старіших ресурсах.

Прозоре покриття (KHR_materials_clearcoat)

Додає шар прозорого покриття з власною шорсткістю та картою нормалей.

Показник заломлення (KHR_materials_ior)

Додає показник заломлення.

Дзеркальне відбиття (KHR_materials_specular)

Додає окремий канал інтенсивності та кольору дзеркального відбиття.

Іризація (KHR_materials_iridescence)

Імітує тонкоплівкову інтерференцію для таких матеріалів, як мильні бульбашки або перли.

Полиск (KHR_materials_sheen)

Моделює відбиття на мікроповерхні, подібній до тканини.

Світлопропускання (KHR_materials_transmission)

Моделює пропускання світла для прозорих або склоподібних матеріалів.

Об’єм (KHR_materials_volume)

Підтримує об’ємні ефекти, як-от товщина та ослаблення світла.

Сила випромінювання (KHR_materials_emissive_strength)

Керує яскравістю випромінювання незалежно від базового кольору.

Карта нормалей

Карта нормалей для деталізації поверхні.

Карта оклюзії

Карта оклюзії навколишнього освітлення.

Карта випромінювання

Текстура власного випромінювання для поверхонь, що світяться.

Коефіцієнт випромінювання

Множник RGB для інтенсивності випромінювання

Поріг відсікання альфа-каналу

Поріг для прозорості за маскою.

Режим альфа-каналу

Режими прозорості Opaque, Masked або Blended.

Двосторонній рендеринг

Запитує рендеринг обох боків поверхні. Прохід рендерингу має пропускати задні грані до шейдера.

Без освітлення

Якщо значення дорівнює true, матеріал оминає обчислення освітлення.

Інтеграція з шейдерами

Наступні розділи стосуються власних шейдерів. Скопіюйте відповідний вбудований ресурс .material і gltf.fp до проєкту, а потім спрямуйте Fragment Program копії матеріалу на свій шейдер. Зберігайте відповідну вершинну програму glTF, назви семплерів і локальний простір вершин, якщо не замінюєте також ці інтерфейси.

Вбудовані допоміжні функції відокремлюють вибірку текстур від підготовки поверхні, обчислень BRDF і освітлення. gltf_sampling.glsl читає необроблений блок uniform PbrMaterial і створює значення PBRMaterial із розв’язаними лінійними вхідними даними матеріалу. gltf_lighting.glsl надає пряме й навколишнє освітлення та поєднує їхній внесок. Регістр літер відрізняє необроблений блок uniform від структури вибраного матеріалу.

Приклад шейдера

Цей фрагментний шейдер підвищує мінімальну шорсткість, зберігаючи вбудоване освітлення. Він працює з вершинними програмами всіх чотирьох варіантів матеріалів glTF:

#version 140

#include "/builtins/materials/gltf_sampling.glsl"
#include "/builtins/materials/gltf_lighting.glsl"

out vec4 out_fragColor;

void main()
{
    PBRMaterial inputs = pbr_sample_material(var_texcoord0, var_color);
    inputs.roughness = max(inputs.roughness, 0.35);

    // Sample textures, including the normal map, before discarding fragments.
    PBRSurface surface = pbr_sample_surface(inputs, var_texcoord0);
    if ((!inputs.doubleSided && !gl_FrontFacing) || pbr_should_discard_alpha(inputs))
    {
        discard;
    }

    // Derive BRDF values after editing the material inputs.
    MaterialInfo material = pbr_create_material_info(inputs);
    PBRLighting lighting = pbr_create_lighting();
    if (!inputs.unlit)
    {
        lighting.direct = pbr_evaluate_direct_lighting(material, surface, var_view);
        lighting.indirect = pbr_evaluate_ambient_lighting(material, ambient_light());
    }

    vec3 color = pbr_compose_lighting(inputs, lighting, inputs.occlusion, inputs.occlusion);
    out_fragColor = vec4(pbr_linear_to_srgb(color), pbr_get_alpha(inputs));
}

Змінюйте вибрані вхідні дані матеріалу до виклику pbr_create_material_info(). Якщо змінюєте позицію або нормалі поверхні у просторі виду, викличте pbr_finalize_surface(surface, var_view), щоб оновити похідні поля світового простору. Для власної BRDF або внеску окремих джерел світла використовуйте або замініть pbr_evaluate_brdf() і pbr_evaluate_light() із вбудованих допоміжних функцій.

Можна замінити lighting.indirect власним освітленням оточення або глобальним освітленням. Його дифузний і дзеркальний внески є лінійним вихідним світлом, тому не застосовуйте BRDF матеріалу вдруге. Застосовуйте видимість тіні до відповідного внеску прямого світла; аргументи видимості pbr_compose_lighting() впливають лише на непряме освітлення. Для конвеєра HDR записуйте лінійний колір у проміжну ціль і виконуйте перетворення sRGB у фінальному проході.

Необроблені дані матеріалу

Для повністю власного шейдера оголосіть блок uniform PbrMaterial із розпізнаваними назвами й типами полів. Defold заповнює відповідні поля з вихідного матеріалу glTF. Оголошення нижче описують доступні структури можливостей; включайте лише потрібні шейдеру. Оголошення структури надає дані, але шейдер має реалізувати їхню вибірку й поведінку освітлення.

Не оголошуйте повторно блок uniform або PbrMetallicRoughness, коли включаєте gltf_sampling.glsl, оскільки він уже їх оголошує. Наступні оголошення є альтернативою для шейдерів, які самостійно керують вхідними даними матеріалу.

struct PbrMetallicRoughness
{
    vec4 baseColorFactor;
    // R: metallic (Default=1.0), G: roughness (Default=1.0)
    vec4 metallicAndRoughnessFactor;
    // R: use baseColorTexture, G: use metallicRoughnessTexture
    vec4 metallicRoughnessTextures;
};

struct PbrSpecularGlossiness
{
    vec4 diffuseFactor;
    // RGB: specular (Default=1.0), A: glossiness (Default=1.0)
    vec4 specularAndSpecularGlossinessFactor;
    // R: use diffuseTexture, G: use specularGlossinessTexture
    vec4 specularGlossinessTextures;
};

struct PbrClearCoat
{
    // R: clearCoat (Default=0.0), G: clearCoatRoughness (Default=0.0)
    vec4 clearCoatAndClearCoatRoughnessFactor;
    // R: use clearCoatTexture, G: use clearCoatRoughnessTexture, B: use clearCoatNormalTexture
    vec4 clearCoatTextures;
};

struct PbrTransmission
{
    // R: transmission (Default=0.0)
    vec4 transmissionFactor;
    // R: use transmissionTexture
    vec4 transmissionTextures;
};

struct PbrIor
{
    // R: ior (Default=0.0)
    vec4 ior;
};

struct PbrSpecular
{
    // RGB: specularColor, A: specularFactor (Default=1.0);
    vec4 specularColorAndSpecularFactor;
    // R: use specularTexture, G: use specularColorTexture
    vec4 specularTextures;
};

struct PbrVolume
{
    // R: thicknessFactor (Default=0.0), GBA: attenuationColor
    vec4 thicknessFactorAndAttenuationColor;
    // R: attenuationDistance (Default=-1.0)
    vec4 attenuationDistance;
    // R: use thicknessTexture
    vec4 volumeTextures;
};

struct PbrSheen
{
    // RGB: sheenColor, A: sheenRoughnessFactor (Default=0.0)
    vec4 sheenColorAndRoughnessFactor;
    // R: use sheenColorTexture, G: use sheenRoughnessTexture
    vec4 sheenTextures;
};

struct PbrEmissiveStrength
{
    // R: emissiveStrength (Default=1.0)
    vec4 emissiveStrength;
};

struct PbrIridescence
{
    // R: iridescenceFactor (Default=0.0), G: iridescenceIor (Default=1.3), B: iridescenceThicknessMin (Default=100.0), A: iridescenceThicknessMax (Default=400.0)
    vec4 iridescenceFactorAndIorAndThicknessMinMax;
    // R: use iridescenceTexture, G: use iridescenceThicknessTexture
    vec4 iridescenceTextures;
};

Спільні властивості й структури можливостей є полями блоку uniform. Упаковані компоненти:

uniform PbrMaterial
{
    // X: alpha cutoff, Y: double-sided, Z: unlit,
    // W: alpha mode (0 = opaque, 1 = mask, 2 = blend)
    vec4 pbrAlphaCutoffAndDoubleSidedAndIsUnlit;
    // X: has normal texture, Y: has occlusion texture, Z: has emissive texture
    vec4 pbrCommonTextures;
    // RGB: emissive factor, W: emissive strength
    vec4 pbrEmissiveFactorAndStrength;
    // X: normal scale, Y: occlusion strength
    vec4 pbrNormalScaleAndOcclusionStrength;

    PbrMetallicRoughness pbrMetallicRoughness;
    PbrSpecularGlossiness pbrSpecularGlossiness;
    PbrClearCoat pbrClearCoat;
    PbrTransmission pbrTransmission;
    PbrIor pbrIor;
    PbrSpecular pbrSpecular;
    PbrVolume pbrVolume;
    PbrSheen pbrSheen;
    PbrEmissiveStrength pbrEmissiveStrength;
    PbrIridescence pbrIridescence;
};

Пропускайте невикористовувані поля можливостей у блоці. Якщо блок або розпізнавані поля можливості відсутні, відповідні дані не надаються. Прапорці наявності текстур описують посилання вихідного матеріалу на текстури; власний матеріал усе одно потребує відповідних оголошень семплерів і прив’язок текстур для карт, із яких він вибирає дані.

Константи

Поля можливостей мають назви на кшталт pbrMetallicRoughness.baseColorFactor, а спільні поля — на кшталт pbrEmissiveFactorAndStrength. Рушій заповнює ці константи з імпортованого матеріалу або з типового матеріалу, якщо модель не має даних матеріалу. Задання типових значень у ресурсі .material не перевизначає імпортованих значень.

Щоб налаштувати вбудоване затінення, змініть вибраний PBRMaterial перед обчисленням його значень BRDF, як у прикладі вище. Для додаткового керування під час виконання оголосіть власні константи шейдера й використовуйте API констант матеріалу моделі.

Подальші кроки

Використовуйте вбудовані матеріали для стандартного процесу glTF metallic/roughness. Розширюйте допоміжні функції шейдера або створюйте власний матеріал, коли потрібні інша BRDF, освітлення оточення, тіні чи додаткові ефекти матеріалів glTF.

Див. також:

• Посібник зі світла
• Посібник із матеріалів
• Посібник із шейдерів
• Посібник із рендерингу
• Специфікація glTF 2.0