physically-based rendering for physically-based rendering 3.1introduzione il physically-based...

Physically-based Rendering for OpenGL

Studente/i

Brian Dalle Pezze

Relatore

Achille Peternier

Correlatore

—

Committente

SUPSI

Corso di laurea

Ingegneria Informatica

Modulo

C09910

Anno

2017/18

Data

31 Agosto 2018

i

Indice

Abstract 1

1 Contesto del Progetto 3

1.1 Descrizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 Compiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Obbiettivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4 Tecnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.5 Milestones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Teorie fondamentali 5

2.1 Riflessione e rifrazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 Microfacet Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3 Physically-based Rendering 9

3.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.1.1 BRDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.1.2 Equazione di rendering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.2 Cook-Torrance BRDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.2.1 Normal Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.2.2 Fresnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.2.3 Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4 Implementazione 17

4.1 Primi passi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.1.1 Risultati intermedi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.2 Passaggio a Overvision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.2.1 Decisioni finali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.2.2 Modifiche alla classe Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.2.3 Modifiche al Plugin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.2.3.1 Over3DS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2.3.2 OVOreader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Physically-based Rendering for OpenGL

ii INDICE

4.2.3.3 Conversione materiali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.3 Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5 Conclusione 43

5.1 Risultati ottenuti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.2 Miglioramenti futuri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.2.1 Subsurface Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.2.2 Image-based Lighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Allegati 53

Bibliografia 55

Physically-based Rendering for OpenGL

iii

Elenco delle figure

1 Incidenza della luce luce su una superficie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Dimostrazione grafica della Microfacet Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3 Normal Distribution in funzione della roughness, valore crescente da sinistra

verso destra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4 Diverse intensità di Fresnel su sfere viste in controluce . . . . . . . . . . . . . 13

5 Effetto della Geometry Function con roughness crescente: si può notare

come l’ombra si faccia più marcata e la distinzione meno nitida mentre la

superficie si scurisce leggermente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

6 Serie di sfere per testare le caratteristiche: sull’asse x c’è un valore crescente

di roughness, mentre sull’asse y un valore crescente di metalness . . . . . . . 18

7 Vista ravvicinata delle sfere metalliche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

8 Vista ravvicinata delle sfere dielettriche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

9 Sfere viste in controluce: notare Fresnel ben visibile su quelle centrali . . . . . 21

10 La sfera a sinistra è mappata come ferro arrugginito, quella a destra come

marmo liscio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

11 Snippet delle API di IGameMaterial, si possono notare i getter dei tipici para-

metri per Phong . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

12 Sfere renderizzate con il modello di Phong (demoBullet) . . . . . . . . . . . . 31

13 Sfere renderizzate con PBR (demoBullet) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

14 Dettaglio di un punto caldo di riflessione con Phong (demoBullet) . . . . . . . 32

15 Dettaglio di un punto caldo di riflessione con PBR (demoBullet) . . . . . . . . 32

16 Dettaglio testa di leone con Phong (demo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

17 Dettaglio testa di leone con PBR (demo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

18 Dettaglio statua di marmo con Phong (demo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

19 Dettaglio statua di marmo con PBR (demo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

20 Scena generale della demo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

21 Dettaglio statua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

22 Dettaglio pistola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Physically-based Rendering for OpenGL

iv ELENCO DELLE FIGURE

23 Dettaglio sfere di vari materiali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

24 Dettaglio spada. Notare il riflesso del metallo tipico del PBR. . . . . . . . . . . 48

25 Dettaglio teiere di materiale metallico (sopra) e dielettrico (sotto) con rough-

ness crescente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

26 Esempi di Subsurface Scattering a diverse profondità . . . . . . . . . . . . . . 50

27 L’IBL consente di avere un riflesso della scena circostante, rendendo la per-

cezione dei materiali più realistica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Physically-based Rendering for OpenGL

v

Elenco delle tabelle

1 F0 per vari materiali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Physically-based Rendering for OpenGL

vi ELENCO DELLE TABELLE

Physically-based Rendering for OpenGL

1

Abstract

Il Physically-based rendering (o PBR) è un modello di illuminazione che cerca di simulare in

modo simile alla fisica il funzionamento della luce nel mondo reale, allo scopo di aumentare

il fotorealismo delle scene o rendere più naturali e piacevoli all’occhio i materiali renderizzati.

I PBR sono caratterizzati dall’utilizzo di BRDF (Bidirectional Reflective Distribution Function),

che simulano la riflessione della luce, la conservazione dell’energia (distinzione mutualmen-

te esclusiva tra luce riflessa e rifratta) e l’applicazione della Microfacet Theory, che simula il

comportamento generalizzato di ogni superficie dipendentemente dalla sua rugosità.

Physically-based rendering (PBR) is a lighting model that tries to mimic in a physical-like

manner how light works in the real world in order to improve photorealism and to make ma-

terials appear more natural and pleasant to the human eye.

PBRs are characterized by the implementation of a BRDF (Bidirectional Reflective Distri-

bution Function), that emulates light reflection, an energy conservation principle (mutual di-

stinction between refracted and reflected light) and the applicaton of the Microfacet Theory,

that simulates the general behaviour of a surface based on its roughness.

Physically-based Rendering for OpenGL

2 ELENCO DELLE TABELLE

Physically-based Rendering for OpenGL

3

Capitolo 1

Contesto del Progetto

1.1 Descrizione

Lo scopo di questo progetto è quello di riuscire a implementare un modello di illuminazione

physically-based nel motore grafico fornito dal docente e utilizzato al DTI per vari progetti.

Vanno vagliate le opzioni disponibili per quanto riguarda i metodi di rendering physically-

based in utilizzo al momento e la loro compatibilità con le pipeline già presenti nel motore.

1.2 Compiti

• Investigare l’ultima generazione di PBR sviluppata, dalla teoria alla sua implementa- zione

• Discutere con il docente le diverse varianti di PBR da implementare con attenzione al miglior rapporto tra potenza computazionale richiesta, complessità algoritmica e

compatibilità con il software di rendering esistente

• Definire il tipo di informazioni che un modello 3D necessita per funzionare con il PBR, inclusa la ricerca di campioni da usare per sviluppo, testing e validazione

• Integrare il PBR nel software di rendering 3D basato su OpenGL fornito dal docente

1.3 Obbiettivi

• Implementare il PBR 3D in real-time al m