[Desenvolvimento] Renderização de base física? Dagor Engine 4.0 no War Thunder

Nós demos sempre uma atenção especial aos aspectos visuais do War Thunder. Mesmo agora você consegue ver que todos os modelos de veículos e itens em sua volta consistem em vários materiais, parecendo de formas distintas. Aqui está o P-51D-5. A sua bela cobertura de alumínio brilha lindamente ao sol. Aqui a GAZ MM com o canhão antiaéreo de 25 mm com a sua pintura verde pouco brilha ao sol. E aqui uma caixa de madeira no lado esquerdo do Pz.IVG.

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Muito em breve iremos introduzir uma nova tecnologia gráfica ao jogo. Esta tecnologia irá tornar os gráficos do War Thunder ainda mais realistas e bonitos. Conheça a Renderização de Base Física - uma renderização de imagens fisicamente correcta.

Como é que os aspectos visuais de um filme diferem de uma cena renderizada no jogo? Quanto tempo é necessário para ter uma imagem realista em condições de constante mudança de eventos não sincronizados? Estas questões serão feitas por qualquer jogador que tente imaginar um instante do War Thunder: múltiplos objetos, fontes de luz, reflexões e efeitos. Neste artigo iremos falar sobre o novo método de renderização das leis físicas, mas também acerca de luz e materiais.

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Atenção! Este é um artigo relativamente sério e nós recomendamos que leia apenas se se interessar por tecnologia de visualização computorizada moderna.

Renderização de Base Física (PBR)

A tecnologia de renderização de base física (PBR) é baseada nos mesmos princípios e leis da física no qual a luz se move pelo mundo.

Quando falamos de materiais, significa que cada um deles têm as suas próprias características no qual afeta a difusão e reflexão da luz. Como exemplo - uma superfície lisa de papel.

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Visualmente parecer que a superfície é perfeitamente lisa, mas se olharmos ao microscópio, nós vemos um número de fibras celulósicas entrelaçadas entre si.

Quando a luz colide com uma superfície irregular, os fotões de luz refletem-se destas fibras em diferentes ângulos. A maioria da luz dispersa-se sem se agrupar em nenhum ponto específico.

No entanto, você pode imaginar quantos materiais, juntamente com a luz refletida deles, aparecem a cada segundo no seu monitor numa batalha do War Thunder.

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Os cálculos relativos à luz com um detalhe de tal forma elevado não é possível, nem mesmo com tecnologia offline de filmes, e a sua estrutura é demasiado complexa. É precisamente por esta razão que certos parâmetros estatísticos dos materiais são usados, como a rugosidade, índices de refração, metalicidade (proporção de dielétricos/condutores num pixel). Isto significa que quanto mais cedo criarmos os modelos e correspondentes materiais, então podemos trabalhar com os valores físicos destes. Podemos ter em consideração as combinações dos parâmetros requeridos sem subsequentes ajustes à posteriori.

Função de Distribuição Bidirecional de Reflexão

A função de distribuição bidirecional de reflexão (BRDF) é uma função de quatro dimensões que define como a luz se reflete de uma superfície opaca. Também permite a possibilidade de calcular a quantidade de energia refletida ou difundida em direção a um observador com uma dada emissão. É lógico que as superfícies metálicas, tecidos e madeiras afetam a luz, difusão, refração e reflexão em diferentes extensões.

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Para estes tipos de cálculos nós usamos um modelo matemático da Teoria das Microfaces, que representa a superfície como um número de microfaces orientadas em diferentes direções. Ao mesmo tempo, cada uma destas microfaces refletem luz num determinado ângulo. Para calcular a luz num ponto especificado, nós necessitamos de calcular o somatório da luz refletida pelas microfaces.

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Nota: Função de reflexão de luz de Cook-Torrance. l direção da luz. v é a direção da visão do observador. h é o vetor entre os vetores I e v. D(h) é a função de distribuição das sombras das microfaces. Todos os parâmetros desta função são relativamente simples e têm sentido físico. Mas qual é o significado físico do vector resultante? O vector resultante é necessário para a filtração destas microfaces que contribuem para a reflexão da luz para o observador. Se a normal da microface é igual à do vector resultante, isso significa que esta microface contribui para a luz quando vista da direção V.

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A mudança radical da renderização clássica é porque na PBR todas as superfícies sejam elas metálicas, dielétricas, vegetais e outras, são calculadas por um único modelo físico. O resultado disto é que a imagem torna-se como um todo e a probabilidade de erros na luz praticamente desaparece. Em geral, criar os parâmetros dos materiais é mais difícil que desenhar as texturas clássicas. Os artistas não devem criar o que os olhos veem ou o que está visível em fotografias, mas as propriedades físicas das superfícies. No caso do War Thunder, os artistas tem de alterar todas as texturas e materiais para trabalhar com o novo modelo. Mas isto significa que podemos tornar os gráficos mais realistas e coesos possíveis.

Várias funções chave desempenham um papel na renderização da imagem final. Aqui está alguma informação de algumas delas:

A distribuição das microfaces de reflexão D(h) dá os meios para dar uma percentagem de energia do qual ocorre a reflexão da luz e distribuição de energia, dependendo do quão rugosa ou lisa a superfície é. No War Thunder, o chamado Modelo GGX http://www.cs.cornell.edu/~srm/publications/EGSR07-btdf.html é usado.

A distribuição de auto-sombras das microfaces G(l,v,h) define quantas superfícies fazem sombra de si próprias (com ângulos de reflexão oblíquos. O jogo usa a função de auto-sombramento de Smith adaptada ao modelo GGX (Eric Heitz. ''Understanding the Masking-Shadowing Function in Microfacet-Based BRDFs'')

A função de Fresnel F(v,h) define a intensidade de uma onda eletromagnética refletida e refratada quando passa por uma região fronteira. Este efeito é muito notável em água. Se olhar para a superfície da água num ângulo elevado, a água reflete a maioria da luz e vemos uma reflexão. Se por outro lado olhar para a água num ângulo baixo, por exemplo do ângulo de uma ave, praticamente não vai ver reflexão - em vez disso, vai ver o que está no fundo.

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Para superfícies opacas, o processo físico é exatamente o mesmo, mas a luz não refletida irá ser difusa ou absorvida.

Graças a esta função, a reflexão da luz muda com base no ângulo de colisão para os vários materiais com vários índices de refração (a função de Fresnel é de facto complexa, e para os metais possui um componente imaginário e é diferente a diversos comprimentos de onda. É por isto que os metais possuem uma coloração de reflexão). Isto é particularmente notado em extensas áreas dos tanques onde não há praticamente nenhuma área escura - a luz tem uma estrutura variada e realista em todo o lado. "Nas sombras" também há de facto espectros de luz refletidos. Há luz refletindo-se para o céu e outras superfícies. Apenas uma fenda, buraco ou fratura é um verdadeiro "objeto negro" - quase nenhuma desta luz que lá incide é refletida. O jogo usa a aproximação de Schlick da função de Fresnel para dielétricos, no qual tem sido usada por um longo período de tempo em jogos e filmes

Difusão da luz

Além da reflexão, a luz nos dielétricos também se difunde.

Anteriormente o jogo usava o modelo de Lambert, no qual embora sendo simples, não permitia ajustar a iluminação da difusão da luz de superfícies rugosas, no qual há muitas no jogo. O problema é que para superfícies rugosas, a difusão da luz depende das posições da superfície e do observador - é precisamente esta a razão do porquê, por exemplo, da lua no céu não tem praticamente nenhuma sombra lisa no final. Devido a isto, nós mudamos para o modelo de Oren-Nayar.

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Que valor acrescenta tudo isto ao War Thunder?

A tecnologia de renderização de base física tem em conta as propriedades de cada material. Usando equações matemáticas no qual incluem as propriedades do terreno e suas superfícies, calcula e mostra o comportamento correto da luz que incide nos objetos. Isto tem permitido aos aviões e tanques parecer mais naturais e variados, particularmente a diferentes alturas do dia e condições meteorológicas. As gastas fuselagens metálicas dos aviões refletem luz e cintilam com o movimento. Em gráficos elevados, cada peça do equipamento no tanque, mesmo a mais pequena peça não está uniformemente escondida nas sombras. Em vez disso, a luz reflete-se dos objetos próximos.

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