Da PBR für Neueinsteiger in die Computergrafik ein durchaus diffuser Begriff ist und das Kürzel eine ganz eigene Terminologie mit sich bringt, ist es vonnöten, hinter die Kulissen zu blicken, um eine korrekte Anwendung durchführen zu können. Sehr vereinfacht gesprochen stehen hinter PBR Render-Techniken, die die Interaktion zwischen Licht und Materie beschreiben, und das in Anlehnung an physikalische Prinzipien, wie sie aus der realen Welt bekannt sind.
Wann ist PBR PBR?
Da die direkte Imitation des realen Verhaltens von Licht mit Materie in der Computergrafik sehr rechenintensiv ist, wird mit statistischen Annäherungen gearbeitet. Daher ist von physikalisch plausibel – physically based – die Rede. Ein PBR-Beleuchtungsmodell eines Renderers darf das hippe Kürzel tragen, wenn folgende Eigenschaften gegeben sind:
Das Beleuchtungsmodell nutzt eine physikalisch plausibel arbeitende Funktion zur Definition der Reflexionseigenschaften basierend auf einer Mikrofacetten-Theorie.
Das Beleuchtungsmodell arbeitet energiekonservierend.
Die zugrunde liegenden Lichtberechnungen finden im linearen Farbraum statt.
Wobei es sich bei den Eigenschaften mehr um eine Art Regelwerk handelt, das erweitert werden kann, anstelle einer fest vorgeschriebenen Spezifikation. Daher gibt es unterschiedliche Implementationen in modernen Renderern, die Artists zwei grundlegende Arbeitsweisen anbieten: einerseits Metallic Roughness mit den Kern-Inputs Base Color, Metalness sowie Roughness und andererseits Specular Glossiness mit Diffuse Color, Specular, Glossiness. Ersteres Prinzip findet eine breite Anwendung bei professionellen Renderern. Autodesks Arnold arbeitet nach dem Prinzip, ebenso Disneys Principled Shader, und Pixars Renderman ab Version 21 erlaubt die Auswahl zwischen einem der beiden. Da PBR nicht ausschließlich auf Offline-Rendering (Ray- und Path Tracing) begrenzt ist, gibt es weitere Simplifizierungen für den Echtzeitsektor (Rasterisierung).
Unter den Echtzeit-Framework-Keyplayern bietet Unity 5 ebenfalls eine Auswahl zwischen beiden Arbeitsweisen. Epics Unreal Engine arbeitet hingegen mit Metallic Roughness.
Ganz gleich welcher Workflow von beiden genutzt wird, Artists können die visuelle Darstellung von Objekten durch deren Materialien bei PBR mit Parametern anpassen, die auf physikalischen Prinzipien beruhen und teilweise userfreundlich im Benutzerinterface dargestellt sind. Ein großer Vorteil von PBR ist, dass das visuelle Ergebnis in sämtlichen Beleuchtungsszenarien erhalten bleibt – ohne Tricks, Kniffe und Hacks, wie es bei Standard-Beleuchtungsmodellen wie zum Beispiel beim Phong-Lighting-Modell der Fall ist. Denn beim klassischen Phong-Modell wird das Reflexionsverhalten ermittelt, indem das Licht in drei Faktoren zerteilt wird: Ambient, Diffuse, Specular – als Grundlage dient nicht die Physik beziehungsweise Optik.
Artists mussten zudem bei dem klassischen Beleuchtungsmodell mit scharfer Beobachtungsgabe optische Eigenschaften quasi von Hand auf eine Textur übertragen. Die projektübergreifende visuelle Konsistenz aller Objekte musste daraufhin manuell durch Anpassungen der Texturen gewährleistet werden, was nicht selten in einem Satz unterschiedlicher Texturen für die jeweiligen Beleuchtungsbereiche geendet hat.
Das Spiel zwischen Licht und Materie
Ein moderner und produktionserfahrener Renderer, der PBR unterstützt, besitzt in der Regel ein PBR-Ökosystem. Beispielhaft kann der Renderer Arnold von Autodesk herangezogen werden, dessen PBR-Ökosystem aus spezifischen Materialien nebst Textur-Nodes besteht inklusive Lichtquellen und Einstellungen seitens des Renderings gefolgt von diversen weiteren Renderer-spezifischen Features.
Ein PBR-Über-Material wie die Standard-Surface von Arnold erlaubt Artists, Objekte größtenteils basierend auf physikalischen Parametern in Szene zu setzen. Je nach Arnold-Plug-in werden für Artists bis zu 40 Einstellungsmöglichkeiten bereitgestellt. Das zeigt sich ebenfalls in der Größe der Material-Nodes die im ausgeklappten Zustand mit normaler Skalierung einen Notebook-Bildschirm mit Full-HD-Auflösung als Zwerg dastehen lassen. Ein Material kann als Shader-Programm gesehen werden, das mit einer Vielzahl von Shadern befüllt ist. Simplifiziert: Das Shader-Programm ist eine Kommode, während die gefüllten Schubladen Shader darstellen. Die Shader besitzen bestimmte Shading Models (Beleuchtungsmodelle), auf die später genauer eingegangen wird.
Um für PBR-Neueinsteiger Licht ins Dunkel zu bringen, muss ein Blick auf die zuvor erwähnten grundlegenden physikalischen Prinzipien gelegt werden. Im Bereich der Optik wird Licht als elektromagnetische Welle definiert, die durch Frequenz und Wellenlänge charakterisiert wird.
Physik mischt sich ein…
Innerhalb eines Vakuums würde sich die elektromagnetische Welle kontinuierlich fortbewegen – der einfachste Fall. Spannend für PBR ist, was passiert, wenn die elek-
tromagnetische Welle auf Materie trifft und mit ihr interagiert. Trifft also die elektromagnetische Welle auf Atome beziehungsweise Moleküle, so werden diese polarisiert. Die negativen und positiven Teilchen bilden Dipole und werden quasi auseinandergezogen. Der Vorgang absorbiert in erster Linie Energie von den elektromagnetischen Wellen oder sie werden je nach Medium wird durch das Zurückschnappen der Teilchen in unterschiedliche Richtungen abgelenkt, wobei nur ein Teil der Energie absorbiert und in Hitzeenergie umgewandelt wird.
Da die Interaktion der Dipole und der unterschiedlichen elektromagnetischen Wellen in unterschiedlichen Medien durchaus komplexe Berechnungen nach sich zieht – momentan zu komplex für Berechnungen seitens des Renderings – wird auf die Wellenoptik zurückgegriffen, die Abstraktionen und Simplifizierungen für die komplexen Vorgänge bietet. Eine Abstraktion ist zum Beispiel das Konzept des homogenen Mediums mit gleichmäßiger Dichte, in der sich der Lichtstrahl fortbewegt. In einem homogenen Medium wird das Licht nicht abgelenkt und bewegt sich als Lichtstrahl weiter.
Die optischen Eigenschaften des homogenen Mediums werden durch den Brechungsindex (IOR) beschrieben, der eine komplexe Zahl bestehend aus zwei Werten ist – Brechungsindex sowie einem Imaginärteil, dem Brechungskoeffizienten. Vereinfacht gesprochen sagen die beiden Zahlen aus, wie schnell sich das Licht durch das Medium fortbewegt und wie viel Energie währenddessen vom Medium absorbiert wird.
IOR oder Complex IOR?
Im Arnold-Standard-Material wird in der Regel für den IOR nur ein Wert herangezogen, den Artists anpassen dürfen. Es gibt jedoch ein Arnold-Texturobjekt namens Complex IOR, das einerseits die manuelle Eingabe der beiden Werte erlaubt und andererseits zusätzlich einen Artist-freundlichen Modus anbietet, bei dem die beiden Werte durch reine Farbwerte dargestellt und angepasst werden können.
Korrekte Werte für Brechungsindex und Brechungskoeffizient zur realistischen Darstellung von unterschiedlichen Materialien können auf Internetseiten wie zum Beispiel Refractive Index Info entnommen und in den Complex IOR Node eingesetzt werden, wenn der Modus auf Custom eingestellt wurde.
Eine weitere Abstraktion in der Wellenoptik ist das Konzept von Partikeln, die für IOR-Diskontinuität innerhalb eines Mediums sorgen. Ein Partikel steht für eine ganze Reihe an Molekülen und lenkt Lichtstrahlen gemäß der optischen Eigenschaften des Mediums ab oder absorbiert Energie.
Mit dem IOR im Hinterkopf lässt sich vereinfacht gesprochen feststellen, dass die physikalischen Eigenschaften eines Mediums beziehungsweise PBR-Materials in der Computergrafik sehr eng mit den optischen Eigenschaften eines Materials verknüpft sind.
PBR-Kategorien
Daher werden PBR Materialien Artist-freundlich in zwei grundlegende Kategorien unterteilt: einerseits in die Leiter oder auch Metalle (Conductors) und andererseits in die Nichtleiter (Dielectrics). Da in Anwendungen der Unterhaltungsindustrie wenig bis kaum Halbleiter zu sehen sind, wurde auf die dritte Kategorie der Semi Conductors verzichtet. In der Arnold-Standard-Surface ist für die Darstellung von metallischen Oberflächen ein eigener Parameter namens Metalness im Feld für die Specular Reflection verfügbar.
Wird der Parameter auf den Wert 1 gestellt, dann greift das Prinzip des komplexen IOR. Die Darstellung eines Materials wird einerseits durch die Base Color und die Specular Color gesteuert. Erstere stellt die Reflexion direkt zum Betrachter dar, die die Grundfärbung des jeweiligen Metalls bekommt und von der Rauigkeit abhängt, während letztere die Reflexionsfarbe bestimmt unter Berücksichtigung der Schlick-Fresnel-Gleichung.
Metalle absorbieren augenblicklich Lichtstrahlen, die gebrochen werden, und reflektieren die restlichen Lichtstrahlen. Des Weiteren haben Metalle die Möglichkeit, die Farbgebung der Reflexion zu beeinflussen – bestimmte Wellenlängen werden absorbiert und nicht reflektiert, daher kann die Reflexionsfarbe variieren. Mit den Metallen wurde schon anfänglich die Interaktion mit fester Materie beziehungsweise Oberflächen angerissen, die von großer Wichtigkeit für PBR sind.
Ein Medium kann zum Beispiel Luft sein, die einen ganz eigenen IOR besitzt. Um die Interaktion von Lichtstrahlen und Oberflächen besser verstehen zu können, wird ein weiteres Konzept namens Nanogeometrie eingeführt – Unregelmäßigkeiten, die so groß wie oder kleiner als die Wellenlänge des Lichtstrahls sind. In der Realität gibt es keine perfekten, hundertprozentig glatten Oberflächen. Auch bei glatt erscheinenden Oberflächen sind auf der Ebene der Atome Unregelmäßigkeiten vorhanden, selbst wenn Edelmetalle ultrapoliert sind.
Da aber selbst die Abstraktionsstufe der Nanogeometrie den Rahmen der notwendigen Berechnungen in der Computergrafik für Anwendungen der Unterhaltungsindustrie derzeit noch sprengen würde – gerade im Bereich der Strahlenbeugung nach dem Huygens-Fresnel-Prinzip –, wird direkt die Grundlage der Renderer herangezogen – die Strahlenoptik (Ray Optics).
Grundlage moderner Renderer und Bausteine des PBR-Materials
Bei der Strahlenoptik gibt es weitere Abstraktionen und Simplifizierungen wie zum Beispiel, dass geometrische Unebenheiten, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, nicht existieren – das Konzept der Nanogeometrie existiert quasi nicht und es wird von einer hundertprozentig glatten Oberfläche ausgegangen.
Trifft nun ein einfallender Lichtstrahl – Incident Ray im Fachjargon – auf die Oberfläche eines Objekts, dann gibt es zwei grundlegende Verhaltensweisen, die sich beobachten lassen. Einerseits wird der Lichtstrahl von der Objektoberfläche gemäß des Reflexionsgesetzes – bei perfekten (planaren) Oberflächen ist der Reflexionswinkel gleich dem Lichteinfallswinkel – in eine andere Richtung reflektiert, andererseits tritt der Lichtstrahl von einem Medium in ein weiteres Medium ein und wird gebrochen. Lichtstrahlen werden somit in zwei Richtungen abgelenkt: einmal durch Reflexion (Light Reflection) und Brechung (Light Refraction).
Mikrogeometrie
Im Rahmen der Reflexion wird eine weitere Abstraktion für die Nanogeometrie eingebunden namens Mikrogeometrie. Dahinter verbergen sich Unregelmäßigkeiten, die deutlich größer sind als die Wellenlänge des Lichtstrahls. Eine Unregelmäßigkeit wird im Fachjargon auch Microfacet genannt. Hinter einer Microfacet verbirgt sich ein kleiner, perfekt ausgerichteter Spiegel, dessen Flächennormale rechtwinklig zur Oberfläche des Spiegels steht. Basierend auf dem Reflexionsgesetz ist bekannt, dass der Lichteinfallswinkel dem Reflexionswinkel entspricht – gemessen an der Oberflächennormalen. Wird also eine raue Oberfläche dargestellt, dann werden die mikroskopisch kleinen Spiegel unterschiedlich ausgerichtet, damit die Streuung der Reflexionsstrahlen breiter ausfällt und eine dumpfe Oberfläche sichtbar wird, während bei kristallklaren Reflexionen die Spiegel perfekt ausgerichtet sind. Raue Objektoberflächen haben in der Regel breitere, matt wirkende Glanzpunkte. Glatte Oberflächen haben einen scharfgezeichneten Glanzpunkt. Die Glanzpunkte glatter Objektoberflächen erscheinen zudem klarer und erzeugen beim Betrachter den Eindruck von mehr Intensität, obwohl die Intensität bei einer rauen und glatten Oberfläche denselben Wert besitzt. In der Arnold-Standard-Surface ist die Rauigkeit (Roughness) als Parameter für Specular und Coat Reflection verfügbar. Letzteres ist eine weitere Reflexionsebene oberhalb der eigentlichen Specular Reflection. Sämtliche Roughness-Parameter können ebenfalls über Datentexturen gesteuert werden. Artists zeichnen quasi Texturen, deren Informationen den Wertebereich zwischen 0 und 1 nicht über- beziehungsweise unterschreiten dürfen. Die Verarbeitung der Texturen muss im linearen Farbbereich durchgeführt werden zur Vermeidung von Artefakten.
The scattering is upon us!
Neben Reflexion und Brechung gibt es noch weitere Beobachtungen. Bewegen sich Lichtstrahlen durch ein inhomogenes Medium, so werden die Lichtstrahlen entweder in dem jeweiligen Medium verteilt (Light Scattering) oder absorbiert (Light Absorption). Werden Lichtstrahlen innerhalb eines Mediums absorbiert, dann wirkt die Materialoberfläche automatisch dunkler.
Werden Lichtstrahlen innerhalb eines inhomogenen Mediums verteilt, dann verändert sich die Richtung der Lichtstrahlen im Zufallsmodus. Die Stärke der Abweichung der unterschiedlichen Lichtstrahlen basiert auf den optischen Eigenschaften des Mediums. Ein klassisches Beispiel für die Anwendung beider Konzepte ist die Darstellung von gläsernen Oberflächen – ein leeres Glas ist passend. Dahinter verbirgt sich keine Strahlenverteilung und geringe Absorption der Energie, die Lichtstrahlen passieren das Medium.
Wird das Beispiel erweitert, indem das Glas mit Wasser und etwas Milch befüllt wird, dann herrscht ein bestimmtes Maß an Strahlenverteilung, und die Durchsicht leidet. Daher spielt es eine große Rolle, wie dick das jeweilige Medium ist – Thickness im Transmission-Bereich und Radius innerhalb des Subsurface Scatterings der Arnold-Standard-Surface – und wie sich dementsprechend Absorbierung und Verteilung verhalten. Sollen Materialien dargestellt werden, die eine hohe Strahlenverteilung und eine geringe Absorption beinhalten, dann wird im Fachjargon von transluzenten Materialien gesprochen (Translucency / Transmission).
Diffuse Reflexion
Des Weiteren gibt es noch die diffuse Reflexion – Base Color im Arnold-Kontext, quasi Lichtstrahlen, die gebrochen wurden und in ein bestimmtes Material eindringen. Daraufhin werden die Lichtstrahlen mehrmals innerhalb des Materials unterhalb der Oberfläche verteilt. Im Idealfall treten die Lichtstrahlen nach mehrmaliger Verteilung wieder aus dem Material in das Anfangsmedium heraus, und das am selben Punkt, an dem die Lichtstrahlen in das Objekt eingedrungen sind. Für diesen Fall hat Arnold ein diffuses Schattierungsmodell implementiert, das die Einstellung der Rauigkeit auf Basis der Base Color erlaubt.
Physikalisch gesehen sind diffuse Objektoberflächen in der Regel absorbierend. Das heißt, wenn Lichtstrahlen sich zu lange innerhalb eines Objekts unterhalb der Objektoberfläche bewegen, dann werden sie gegebenenfalls komplett absorbiert. Sollten die Lichtstrahlen dennoch aus dem Objekt heraustreten, dann haben sie unweit vom Lichtstrahleintrittspunkt einen Ausgang gehabt. In diesem vereinfachten Fall ist die Entfernung vom Lichteintrittspunkt und Lichtaustrittspunkt von geringer Wichtigkeit und wird vernachlässigt. Wird als Beispiel die Darstellung von menschlicher Haut herangezogen, dann muss mithilfe eines weiteren Modells namens Subsurface Scattering der Effekt berechnet werden. In so einem Fall ist die Entfernung von Lichteintritt und Lichtaustritt von großer Wichtigkeit. Innerhalb des Standard-Materials befinden sich zwei Felder, die die beiden zuvor erwähnten Prozesse für den Artist steuerbar gestalten.
Reflexionseigenschaften von Oberflächen
Des Öfteren werden PBR-Neueinsteiger mit Begriffen wie BSDF (Bidirectional Scattering Distribution Function), BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function), BTDF (Bidirectional Transmittance Distribution Function) und BSSRDF (Bidirectional Subsurface Reflectance Distribution Function) konfrontiert – Suffixe bei bestimmten Shadern. Die zuvor erwähnten physikalischen Prinzipien müssen aus dem physikalischen Raum in den mathematischen Raum übertragen werden. Die mathematischen Modelle werden als Grundlage für Shading-Modelle (Cook-Torance, Ward, …) genutzt.
BRDF
Stark vereinfacht gesprochen beschreibt BRDF die Reflexionseigenschaften einer Oberfläche basierend auf unterschiedlichen Koeffizienten. Einer der Koeffizienten ist das Ergebnis der Microfacet Distribution Function – eine weitgenutzte Funktion ist GGX, die bekannt ist für Glanzpunkt mit einer kürzeren Spitze (kompakter und schärferer Glanzpunkt) und einem größeren Verlauf nach außen hin. Die Unebenheiten (Microfacets) werden für die Definition der Rauheit genutzt und in Shadern mit Parametern namens Roughness, Smoothness, Glossiness oder Microsurface dem Artist zugänglich gemacht.
Ein weiterer Koeffizient ist der Fresnel-Faktor, der beim Arnold Renderer als eigenständiges Texturobjekt nutzbar, aber auch fest in der Standard-Surface verankert ist. Der Fresnel-Effekt spielt eine wichtige Rolle und kann für die Erklärung der zuvor erwähnten Base Color nebst Edge Tint bei der Darstellung von Metallen genutzt werden.
Hier kommt Fresnel
Dahinter verbirgt sich der vom Physiker Augustin-Jean Fresnel beobachtete Effekt, dass die Menge des sichtbaren reflektierten Lichts vom Betrachtungswinkel abhängt. Wird eine reflektierende Fläche wie zum Beispiel eine Hochglanz-Tischplatte aus der Draufsicht betrachtet – auch F0 Reflectance genannt, Reflexion bei 0 Grad –, so wird eine minimale Reflexion von 2% bis 4% sichtbar. Wird der Betrachtungswinkel verkleinert bis hin zu einer fast parallelen Blickrichtung – der Betrachtungswinkel liegt an der Oberfläche an –, so nimmt die Reflexion zu, und bei einem 90-Grad-Lichteinfallswinkel werden die Oberflächen zu einem hundertprozentigen Reflektor.
Es gibt, wie eingangs erwähnt, wichtige Eigenschaften, die BRDFs haben müssen, um das Kürzel PBR zu tragen. Als Erstes muss die Helmholtz-Reziprozität eingehalten werden, was besagt, dass sich das Ergebnis der BRDF nicht ändern darf, wenn Lichteinfallswinkel und Reflexionswinkel vertauscht werden. Dazu muss das Ergebnis einer BRDF stets positiv sein.
Die nächste wichtige Eigenschaft ist die Energieeinhaltung oder auch Energiekonservierung. Trifft eine Einheit an Licht auf eine Oberfläche, dann darf nicht mehr als eine Einheit an Licht in unterschiedliche Richtungen reflektiert werden. Die gute Nachricht ist, dass Artists sich in der Regel nicht um die Einhaltung der Energiekonservierung aktiv kümmern müssen, da sie automatisch durchgeführt wird.
Es gibt Renderer, die mit Materialien ausgestattet sind, die es erlauben, den Effekt auszuschalten, um bestimmte Effekte zu erzeugen. Nicht zu vergessen ist das Linear Space Rendering.
Alle notwendigen Berechnungen müssen im linearen Farbraum durchgeführt werden, da in dem Raum korrekte Werte vorhanden sind. Im linearen Farbraum ist der Gamma-Wert stets 1,0.
Damit die Augen das visuelle Ergebnis auf dem Computermonitor als natürlich empfinden, muss ein angepasster Farbraum genutzt werden und der Gamma-Wert von 1,0 auf 2,2 verschoben werden wie zum Beispiel bei sRGB. Daher sollte beim Import der jeweiligen Texturen und bei der Berechnung von Werten darauf geachtet werden, dass der lineare Farbraum genutzt wird. Nun kann die BRDF mit weiteren Funktionen verknüpft werden.
Und BTDF?
Im Gegensatz zur BRDF beschreibt BTDF die Durchlässigkeitseigenschaften und bildet in Verbindung mit BRDF ein übergreifendes Konzept für BSDF. BSSRDF beschreibt die Verteilungseigenschaften von Lichtstrahlen, wobei es sich hier um eine sehr stark vereinfachte Darstellung handelt.
Digitale Bühnenshows zum Kennenlernen von PBR
Um PBR besser kennen zu lernen, empfiehlt sich die Realisierung einer Bühnenshow auf Basis von Autodesks 3ds Max mit dem zuvor öfter aufgeführten Renderer Arnold. Arnold ist als Plug-in-Version für eine Vielzahl weiterer DCCs vorhanden, wie zum Beispiel Maxons Cinema 4D, Foundrys Katana, SideFX Houdini und natürlich Autodesks Maya gefolgt von einer Standalone-Variante.
Das PBR-Ökosystem in 3ds Max wird initialisiert, indem in den Rendereinstellungen als Renderer Arnold ausgewählt wird – für den Active-Shade- sowie Production-Rendering-Modus. Daraufhin werden im Create Panel und Material-Editor neue Auswahlmöglichkeiten angezeigt, die speziell für den Arnold Renderer konzipiert wurden. Darunter befinden sich hoch spezialisierte Werkzeuge für den Einsatz in professionellen Medienproduktionen.
Setup
Aus der Einführung geht hervor, dass die tragenden Elemente der PBR-Bühnenshow die Lichtquellen sind, da die Reflexion basierend auf den optischen Eigenschaften für das Aussehen entscheidend ist. Die einfachste Möglichkeit, die Bühne imposant zu beleuchten, ist mittels Image Based Lighting, kurz IBL. Hierzu muss ein Umgebungslicht – Environment Light – erstellt werden.
Im Create Panel im Feld für die Leuchtquellen wird zunächst auf das Dropdown-Menü „Arnold“ gewechselt. Darin werden die Arnold-Lichtquellen aufgezeigt, wobei bei Arnold eine Art Light Builder verfügbar ist; quasi ein Über-Licht, das unterschiedliche Lichttypen imitieren kann. Also muss ein Light-Builder in der 3D-Szene erstellt und in den Einstellungen innerhalb des Modify Panels der Typ auf „Skydome“ geändert werden. Je nach Implementierung ist es wichtig, nochmals die Werte bei der Intensität und Exposure zu prüfen und Normalwerte einzutragen, damit keine Überbelichtung stattfindet.
In der Regel werden für Produktpräsentationen im Rahmen eines Produkt-Konfigurators Videos oder Bilder aufgenommen und für den Einsatz in einem Konfigurator genutzt. Dafür muss zunächst mühsam ein Film- beziehungsweise Fotostudio eingerichtet werden.
Beim Offline-Rendering mittels Raytracing beziehungsweise Path Tracing wie in diesem Beispiel mit 3Dds Max in Verbindung mit Arnold zählt ganz allein die Qualität des Renderings, gerade wenn es um hochpreisige Produkte geht, deren akkurate Farben und Formen ausschlaggebend für den Verkauf sind.
Das Studio einrichten
Um nun das Film- bzw. Fotostudio nicht von Hand aufbauen zu müssen, gibt es die Möglichkeit, über den zuvor eingestellten Lichttyp Skydome ein HDR-Foto für die globale Szenenbeleuchtung auszuwählen. Ein HDR-Foto ist vereinfacht gesagt ein 360-Grad-Panorama, das deutlich mehr Information beinhaltet als ein herkömmliches Foto – in der Regel 32 Bit Informationen pro Bildpunkt pro Farbkanal. Kurz: Aufnahmen mit einem großen Dynamikumfang, die deutlich mehr Realismus beim Rendering erzeugen. Auch an der Stelle ist es wichtig, die HDR-Textur im linearen Farbraum zu belassen.
HDR-Texturen
Qualitativ hochwertige, hochauflösende und kostenfreie HDR-Texturen – teilweise sogar mit Hintergrund (Backplate) – gibt es bei dem Portal HDRi Haven. Der Modus Skydome des Arnold-Lichts stellt vereinfacht gesprochen eine Kugel um die Bühne dar, die die HDR-Fotografie zur Beleuchtung der Szene verwendet. Zu sehen ist die Kugel nicht, sie ist aber vorhanden. Damit das HDR-Foto genutzt werden kann, muss lediglich in den Farb- und Intensitätseinstellungen des Lichts das Feld „Textur“ aktiviert und ein Textur Bitmap Sampler als Input gewählt werden. Dieser wiederum wird in den Material-Editor (öffnen durch die Taste M) per Drag-and-drop instanziiert, damit in den Node-Einstellungen das Environment Mapping im Bereich der Koordinaten angepasst werden kann. Auf diese Weise wird das HDR-Foto korrekt in der 3D Szene ausgerichtet. In den Einstellungen des Bitmap Sampler Nodes befinden sich innerhalb des Koordinaten-Bereichs ebenfalls Einstellungsmöglichkeiten, um die Textur zu verschieben sowie zu rotieren, um das geeignete Umfeld für das zu importierende Objekt zu finden.
Import
Der nächste Schritt ist der Import des gewünschten Objekts und die zentrale Positionierung im 3D-Raum. Damit der Raum um das Objekt nicht leer bleibt, kann das HDR-Foto ebenfalls als Hintergrundbild genutzt werden – für den Fall, dass keine Backplate vorhanden ist. Hierzu muss lediglich in den Lichteinstellungen die Option „Light Shape Visible“ mit einem Haken versehen werden.
Über die zuvor genannten Anpassungsmöglichkeiten (U, V, Angle) kann eine passende Position des HDR-Fotos als Backplate ermittelt werden. Alternativ kann im Material-Editor ein weiterer Textur Bitmap Sampler erzeugt und mit einem gewünschten Hintergrundfoto (Backplate) ausgestattet werden. Das Hintergrundfoto kann eine bereits vorhandene Bühne oder eine Szene nach Wahl sein. Damit das Objekt möglichst realitätsnah mit der Backplate verbunden werden kann, muss zunächst ein Shadow-Catcher-Objekt erzeugt werden – im Arnold-Kontext ein Shadow-Matte-Objekt. Dahinter verbirgt sich eine Geometrie, die in der 3D-Szene strategisch platziert wird, in diesem Fall unter dem Objekt, und Schatten ausgehend von den unterschiedlichen Beleuchtungsquellen aufnimmt. Dafür muss eine neue Geometrie in Form einer Fläche (Grid) unter dem Objekt platziert werden. Daraufhin wird im Material-Editor ein Shadow Matte Node erzeugt, zu finden im Node-Menü unter Maps > Arnold > Surface. Der Shadow Matte Node wird daraufhin mit einem Map to Material Node verbunden. Letzterer ist zu finden unter Materials > Arnold > Utilities. Der Shadow Matte Node wird als Textur interpretiert, die nicht direkt als Material angewandt werden kann und dementsprechend erst zu einem Material konvertiert werden muss. Der Map to Material Node wird mit der polygonalen Fläche verbunden und nimmt nun die Schatten des Umgebungslichts auf Basis eines HDR-Fotos auf.
Kamera
Nun kann eine perspektivische Kamera erzeugt werden, die den Vorteil hat, physikalische Kameraeinstellungen anzupassen, um das visuelle Ergebnis zu verfeinern. Der Einfachheit halber kann eine passende Position im Viewport eingenommen und die Tastenkombination Strg+C gedrückt werden. Das leitet die automatische Erstellung einer Perspective Advanced Camera ein, die zudem direkt an den Viewport gebunden wird. Sollte das Umgebungslicht auf Basis des HDR-Fotos für bestimmte Beleuchtungseffekte nicht ausreichen, dann müssen abermals Arnold-Light-Objekte in der 3D-Szene erstellt und wohlwollend zur Unterstützung des visuellen Effekts positioniert werden, diesmal jedoch von einem anderen Typ wie zum Beispiel „Quad“ (wird Software-übergreifend auch Area Light genannt). Die unterschiedlichen Lichttypen bieten Artists genügend Werkzeuge, um digitale Zwillinge gekonnt in Szene zu setzen.
Effizient und ökonomisch
Der zuvor genannte Bühnenaufbau ist der ökonomischste Aufbau. Die Umgebungsbeleuchtung stammt von einem HDR-Foto – ebenfalls wichtig für die Reflexionen, die dadurch mehr Detail erhalten. Die eigentliche Bühne basiert auf einem Hintergrundfoto, in das ein Objekt eingebettet wird. Der Szenenaufbau könnte nun noch weiter ausgebreitet werden. Das HDR-Foto ist schlussendlich ein Foto, das aus einer Bibliothek stammt. In Agenturen könnten neue Arbeitsplätze geschaffen werden, die sich rein der Erstellung von virtuellen Studios nebst Bühnen beschäftigt.
Einfach gesagt: Artists erstellen 3D-Szenen, die als Hintergrund und Beleuchtungsquelle dienen sollen, und erzeugen daraus eine HDR-Textur. Die Perspective Advanced Camera muss in den Szenen lediglich gegen eine Arnold Spherical Camera ausgetauscht werden – zu finden im Create Panel unter dem Reiter „Cameras“ und der Auswahl Arnold-spezifischer Kameras. Die Artists müssten ihre Bühnen rendern und dem Bitmap Textur Sampler im Hauptprojekt eine Aktualisierung geben. Die neue Bühne erscheint um das Objekt – gegebenenfalls können die Bühnen-Artists zugleich eine Backplate rendern – und der Bühnenaustausch ist vollbracht. Im kleineren Maßstab können einzelne Artists eine Bühne auf prozeduralem Weg im eigenen Material-Editor erschaffen. Hierzu können sämtliche Arnold Nodes zweckentfremdet werden.
Um dem Objekt das finale Aussehen zu geben, muss die eingangs erwähnte Standard-Surface eingebunden werden – zu finden unter Materials > Arnold > Surface. Die zu Beginn erwähnten physikalischen Prozesse sind sinngemäß übereinandergelegt.
Die jeweiligen PBR-Texturen müssen lediglich dem physikalischen Verhalten zugeordnet werden. Die Albedo Map beinhaltet die diffuse Reflexion oder besser gesagt die reinen Farbinformationen des digitalen Zwillings ohne Licht- und Schatteninformationen in der Textur. Daneben gibt es noch die Möglichkeit, eine Normal Map anzuwenden. Die Normal Map beinhaltet kleine sowie mittelgroße Details, die zwar auf dem Original vorhanden sind, auf dem digitalen Zwilling nicht als geometrisches Detail vorhanden sind, um seitens der Performance die Anzahl der Polygone in einem möglichst ökonomischen Rahmen zu halten.
Die Original-Geometrie wird in Form von Normalen auf eine Textur übertragen, die die Schattierungen auf dem Objekt entsprechend der feinen Details anpasst. Die Normal Map wird in der Regel über ein Bitmap-Textur-Sampler-Objekt importiert, das zunächst mit einem Arnold Normal Map Node verbunden werden muss, bevor der Normal Map Node mit dem Normal Input des Über-Materials verknüpft wird.
Alle relevanten Einstellungsmöglichkeiten einer Normal Map werden in der Zwischenstufe greifbar gemacht, wie zum Beispiel die Invertierung des grünen Farbkanals, um die Ausrichtung der Details zu invertieren, oder es lässt sich der visuelle Effekt über einen Multiplikator verringern sowie verstärken. Die Albedo-Textur wird mit dem Base Color Input des Über-Materials verbunden.
Im Feld der Specular Reflection ist der Parameter Roughness hinterlegt für die gleichnamige Textur. In demselben Parameterfeld findet sich ebenfalls der Metalness-Parameter, der gegebenenfalls mit der Metallic-Textur verbunden wird. Alle Texturen müssen nicht einfach nur auf konventionelle Weise genutzt werden, vielmehr empfiehlt es sich, das optische Auftreten der Objekte mit einer Komposition aus unterschiedlichen Nodes zu verfeinern. Das Über-Material kann daraufhin als Blaupause abgespeichert und für weitere digitale Zwillinge abgerufen werden.
