Fotogerçekçi 3D oluşturma bilimi (bölüm 6). Gerçekçi metaller, yalıtkanlar. Fresnel yansıması

fotogercekci-3d

İletkenler (Metaller)

Metallerin diffuse bileşeni yok, çünkü onlar yüzey altında ışık saçmıyorlar (daha doğrusu, saçıyorlar, ama bu kadar küçük miktarda foton kolayca göz ardı edilebilir). Onlarda sadece aynasal yansıma mevcut.

Metallerde yüzey yansıması sürecinde belirli bir dalga boyunun emme değerinin daha yüksek olması sayesinde yansımanı boyuyor, yalıtkanlar ise yok. Sırf bu yüzden metallerde aynasal yansımalar renkli, yalıtkanlarda ise renksizdir.

Ancak metallerde kırılma indeksi (IOR) metal olmayan malzemelerden fazla değildir. Örneğin, altının IOR değeri sadece ~0,47. Metallerde kompleks bileşenin IOR değeri yüksek ve bu yüzden Frensel eğrisinin biçimi önemli bir şekilde değişiyor.

Ama öyle denk gelmiş ki, Fresnel denklenmenin gerçek parçasının yüksek değerini (20- 1000) götürür, hem de kompleks parçasını sıfırlarsak, bu doğru Fresnel denklenmesi için olan aynı eğrinin şeklini verecektir.

Sanırım, sırf bu yüzden Maxwell render belgelerinde metaller için IOR`un böyle yüksek değerlerini kullanmağı tavsiye ediyorlar ve hatta bunu metallerin “büyük yoğunluğu” ile ilgilendirmeye çalışıyorlar.

Metaller söz konusu olduğunda ışık ya yüzey tarafından emilir ya da yansır. Yüzey altına geçip, yansıdıktan sonra geri uçan fotonların miktarı o kadar düşük ki, onu göz ardı ediyorlar.

Gerçekten de var olan materyallerin hiçbirinde ideal aynasal yansıma mevcut değil. Parlak metal, cam ve su mükemmel yansımaya çok yakın, ama yine de %100`den farklı değerleri var.

Yalıtkanlar için ışığın belli bir dalga boyunun emilme etkisi (yalıtkanın rengi gibi görüyoruz) – çoğu zaman bizzat yüzey altı etkisinin emeğidir. Metaller içinse bu esasen yüzey etkisinin emeği.

Yalıtkan ve metaller için Fresnel yansımalar

Frensel kuralı hem de metaller için geçerlidir, ama yalıtkanlar söz konusu olurken hesaplamaları hızlandırmak için kısaltılmış (basitleşmiş) hisseni değil de, tam ifadeni kullandığınıza emin olmalısınız.

O yansıyan ve emilen ışıkların arasındaki ilişkileri anlatır.

Birçok shader’ ler kompleks fresnel işlevini kullanmıyorlar.

Yalıtkanlar için genelde giriş olarak (geliş açısı renderden alınıyor) yalnız bir basitleşmiş değer– n ( bu malzeme/ shader ayarlarında IOR değeridir) kullanılıyor. Metaller için ise en az iki giriş değerin olması gerek –n ve k (dağılım), üstelik karmaşık sayılar kullanılan tam denklenmeyi de kullanmak gerek.

Basitleşmiş denklenmede sadece, k değişkenini sıfırlıyorlar (böylece, sadece bir değişken geride kalıyor ve karmaşık sayılarla kafanızı yormağa gerek yok). Ama işin güç yanı, k`nın sıfır değerinin yalnız yalıtkanlar için çalışması ve geniş dairelerde değişen k değerine sahip olan metaller için çalışmamasıdır.

Şimdiyse bunun üzenine, sadece farklı metallerin değil, hem de gelen ışığın farklı dalga boylarının(!) n ve k`nın farklı kıymetlerine getirmesinin gerçeğini ekleyin. Böylece, denklenme çok karmaşık olabilir.

Ama tüm bu ayrıntılar yalıtkanlar için önemli değil, bu yüzden sadece bir tek giriş seçeneğini kullanarak bu etkiyi başarılı şekilde simule etmeye devam edebiliriz.
Ancak bu, metaller için çok belirgin olabilir. Örneğin, bu karmaşık değerlerin hepsi bakırın yansıma renginin ışık gelişi açısına bağlı olarak değişmesine sebep oluyor (kayan açıda hafif yeşilimsi yansımalar).

Böylece, metallerin tüm görünür spektrumu için n ve k kıymetleri ile bir tablo olursa mükemmel olurdu. Metal malzemesinin yapılandırılmasına sıra gelince, tüm malzemelerde gördüğümüz n`nin (veya IOR`un) kıymetinin yararsız olmasını bununla ilgilendiriyoruz. Her şey çok basit, bize üstelik k`nın kiymeti de lazım. Çünkü en uygun seçenek – bütün görünür spektrumun her dalga boyu için n ve k`nı ayarlayabilmemizdir.

3d uzmanların çoğu kendi shader’ lerini yazamadıklarına göre, metaller için 20`den fazla olan IOR değeri kullanılıyorlar ki, buda karmaşık denklem için olan aynı Fresnel yansımasının eğrisini verir.

ior-metal

İhtimal, sırf bu yüzden bir tıklamada V-Ray`i yansımaları belli bir renge (altın, bakır ve diğer metallerdeki gibi) renklemeye mecbur etmek olmuyor.

Böyle bir parametrenin rendere eklenmesi tabii ki, iyi olurdu. Belki de gelecekte böyle olur.

Yalıtkanlar

Işık yüzey altına nüfuz ederek yansıyor. Bu aynı zamanda fotonun geliş açısına, hem de malzemenin kırılma endeksine bağlı.

Fresnel yansımaların sönümü – yüzey (aynasal) ve yüzey altı (diffuse) yansımaların nispetidir.

Tüm yalıtkanlar Fresnel yansımaya sahip, bu yüzden siz onların yansıması için Fresnel sönümünü (Fresnel Fallof) kullanmalısınız.

Fresnel kırılma endeksi kameraya doğru olan yansımaların ve kameradan ters yönde olan yansımaların nispetini kontrol ediyor. IOR`un kıymeti ne kadar büyük olursa, fark o kadar azalır.

Fresnel yansıma doğrusal bağlılık değildir ve onların tasviri için özel eğri kullanılır: başta daha düz, sonda ise çok dik.

fresnel-curves

Yüzeyaltı (diffuse) ve yüzey (aynasal) yansıma arasındaki nispet fresnel kuralı ile belirlenir. Mavi çevrede bulunan düz kırmızı plastik söz konusu olduğu zaman, Frensel kuralına göre nesne kenarlardan daha mavi (ışık gelişinin kayan açısı), kameraya düz bakan bölgeleri ise daha kırmızı oluyor (yukarıdaki resme bakınız). Bu iki değer arasındaki nispet olduğu için onun, bu değerlerin hiçbirinden büyük olamayacağı anlaşılıyor (enerji korunumu kuralı).

Bu mavi çatı ve kırmızı sokaklı şehre çok benziyor. Eğer bu şehre biraz uzaktan bakarsanız, yalnız mavi çatıları görüyor olursunuz. Şehir üzerinden uçakla uçtuğunuz zaman ise, aynı zamanda çok sayıda kırmızı sokak görürsünüz. Ama bu durumda çatı ve sokakların sayı aynıdır.

Yalıtkanların aynasal yansımaları hiçbir zaman boyanmaz.

Yalıtkanlar söz konusuysa, ışığın yarısı emilir – bu bilgisayar grafiğinin temeli gibidir

Diğer kısmı malzemenin yüzeyi altında yayılır. Bazı dalga boyları emilir, bununla kırmızı plastikle olduğu gibi, malzemeni belli bir renge boyar. Bu durum, onu Lambert işlevi ile tasvir olunmasını hak edecek derecede ideal diffuse’ a çok yakın.

Işığın üçüncü kısmı malzemenin yüzeyinden sıçrar/ yansır.

Frensel denklemesinin mikro geometri ile hiçbir ilgisi yok. Bu kuantum etkisinin sadece bir istatistiksel ortalamasıdır. Yani, Fresnel denklenmesi sayesinde malzemenin atom yapısına bağlı olduğu etkileşimler anlatılıyor.

Bu durumu yüzey biçiminden düşünmek doğru değil, çünkü ışık malzemeyle malzemenin geometrik biçimi sayesinde değil, elektromanyetik özelliği sayesinde etkinleşiyor. Sırf bu nedenle biz iletken ve yalıtkanları ayırt ediyoruz – onlar kuantum düzeyinde oldukça farklı davranıyorlar.

Böylece, hangi fotonun yansıyacağı (ve hangi dalga boylu), hangisinin emileceğine malzemelerin elektromanyetik nitelikleri kara verir (kabaca söylersek). İşte bunu Fresnel denklenmesinin yardımıyla modelliyoruz.

Diğer yandan, fotonların hangi tarafa dağılacağına bizzat yüzeyin mikroyapısı kara verir. Ve bu BRDF `in yardımı ile modelleniyor.

Fresnel işlevinin pürüzlü yüzeyler için kullanmak mümkün olmadığını anlamalısınız. Fresnel işlevi sadece ideal düz yüzeyler için geçerli.

Sonuç:

İzlenebilir bilim tabanlı shader/malzeme için şunlar olmalı:

Yüzey:
• Emme (renk)
• Pürüzlük

Fresnel`in yüzey ve yüzeyaltı efektler arasında geçişi

Yüzeyaltı:
• Geçirgenlik slider`i (renk)
• Pürüzlük
• Derinlik ( ışık malzemenin içine ne kadar derin nüfuz edilebilir)

Ayrıca gerçek kameraların ayarları, fotolarla ilişkili fiziksel efektleri, üstelik 3D yazılımda onları nasıl kullanmağı anlamalısınız.

Kameralar:
• Poz (süresi)
•Motion blur (hareket bulanıklığı)
•Alan derinliği (bokeh etkisi)
• Beyaz dengesi
•Glare (parlatma), glow (parlaklık), flare (akis), bloom (hale). Bu terimlerin doğru çevirisinden emin değelim, çünkü onların her biri aslında aynı anlama gelir.
• Renk sapmaları – kontrast nesnelerin çevresindeki renkli izler.
•Vinyet etkisi – görüntünün köşelerinde karalma.
•Lens distorsiyonu

Fotogerçekçi 3D oluşturma bilimi (bölüm 6). Gerçekçi metaller, yalıtkanlar. Fresnel yansıması için 1 cevap

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Bugün dünden daha iyiyiz!

Dersler
Anket

İşlemci seçiminiz

Sonuçları Göster

Yükleniyor ... Yükleniyor ...