シェーディングと反射モデル

シェーディングと反射モデルは、表面の素材、照明の方向、および視点の方向の関数として、光が表面からどのように反射するかを記述し、レンダリングされた画像の各点の色彩と外観を決定します。

Definition

反射モデル、またはBRDFは、表面上の点において、特定の入射方向からの入射放射照度に対する、特定の出射方向への反射放射輝度の比率を規定します。

Scope

このトピックでは、ランバート拡散反射やフォン鏡面反射などの経験的シェーディングモデル、表面反射の一般的な形式としての双方向反射率分布関数、物理ベースのマイクロファセットモデル、および反射モデルを妥当にするエネルギー保存と相反性の制約について扱います。

Core questions

• 表面の色は照明と視点によってどのように変化しますか？
• 拡散面、光沢面、鏡面のような表面を区別するものは何ですか？
• 妥当な反射モデルが満たすべき物理的制約は何ですか？
• 実際の素材の外観はどのように捉えられ、再現されますか？

Key concepts

• 拡散反射と鏡面反射
• 双方向反射率分布関数
• マイクロファセットモデル
• フレネル反射
• エネルギー保存と相反性
• 物理ベースマテリアル

Key theories

フォン反射モデル

表面の外観は、環境光、拡散光、鏡面光の項の合計としてモデル化され、鏡面ハイライトは光沢指数によって制御されます。これは、初期のリアルタイムシェーディングのデフォルトとなった効率的な経験的近似です。

マイクロファセット反射

粗い表面は微小な鏡面ファセットの分布としてモデル化され、その反射率はファセットの法線分布、幾何学的マスキング・シャドウイング、およびフレネル反射から導出され、物理的に根拠のあるエネルギー保存型マテリアルが得られます。

Clinical relevance

物理ベースのシェーディングモデルは、映画やゲームエンジンにおける現代のマテリアルシステムの基礎であり、さまざまな照明条件下で一貫性のある予測可能なマテリアルの外観を可能にし、レンダリングを写真からマテリアルを復元する逆問題に結びつけます。

History

1975年のフォンモデルは、ハイライトに対する高速な経験的レシピを提供しました。1982年のクック・トランスのマイクロファセットモデルは、光学からの物理的根拠をグラフィックスにもたらし、2010年代には物理ベースのシェーディングが業界標準となりました。

Key figures

• Bui Tuong Phong
• Robert Cook
• Kenneth Torrance

Seminal works

• phong1975
• cook1982

Frequently asked questions

BRDFとは何ですか？

双方向反射率分布関数は、ある方向から入射した光が別の方向にどれだけ反射されるかを記述し、表面がマットに見えるか、光沢があるように見えるか、あるいは鏡のように見えるかを捉えます。

シェーディングモデルにおいてエネルギー保存が重要なのはなぜですか？

表面は受け取った光よりも多くの光を反射すべきではありません。エネルギー保存を強制することで、マテリアルは物理的に妥当な状態に保たれ、レンダリングされたシーンが不自然に明るく見えるのを防ぎます。