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La representación gráfica basada en la física – el motor Dagor 4.0 en War Thunder
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Siempre hemos prestado una atención especial al aspecto visual  de War Thunder. Incluso ahora puedes ver que todos los modelos de vehículos y los objetos de los alrededores constan de materiales diversos y se ven de forma completamente distinta. Aquí está el P-51D-5. Su bonita cubierta de aluminio sin pintar brilla intensamente a la luz del sol. Aquí está el GAZ MM con cañón antiaéreo de 25 mm, con su pintura verde reluciendo débilmente a la luz. Y aquí está la caja de madera sujeta al lado izquierdo del Pz.IVG.




Muy pronto introduciremos una nueva tecnología gráfica en el juego. Esta tecnología hará los gráficos de War Thunder todavía más realistas y bonitos. Os presentamos la representación gráfica basada en la física – la representación gráfica de la imagen físicamente correcta.

¿En qué se diferencian los efectos visuales  de una película de la representación gráfica de una escena en el juego?. ¿Cuánto tiempo se necesita para obtener una imagen realista en las condiciones constantemente cambiantes de los eventos asíncronos?. Cualquier jugador que intente imaginar un instante de una batalla en War Thunder se hará estas preguntas: una multitud de objetos, fuentes de luz, reflejos y efectos. En este artículo os hablaremos de un nuevo método de representación gráfica basado en las leyes de la física y también de la iluminación y los materiales. 


ANTIGUA

REPRESENTACIÓN GRÁFICA

REPRESENTACIÓN GRÁFICA

BASADA EN LA FÍSICA

ANTIGUA

REPRESENTACIÓN GRÁFICA

REPRESENTACIÓN GRÁFICA

BASADA EN LA FÍSICA


¡Atención!, este es un artículo relativamente serio y os recomendamos  que sigáis leyendo solo si estáis interesados en la tecnología de la visualización moderna por ordenador.

La representación gráfica basada en la física.

La tecnología de la representación gráfica basada en la física (PBR por sus siglas en inglés) se basa en los mismos principios y leyes de la física por los que se rige la luz en nuestro mundo. Al hablar de materiales queremos decir que cada uno de ellos tiene sus propias características que afectan a la difusión y reflexión de la luz sobre ellos. Como ejemplo – una hoja de papel lisa, visualmente parece como si esta superficie fuese perfectamente llana pero si la miramos a través del microscopio vemos un número de fibras de madera entrecruzándose unas con otras. Al colisionar con semejante superficie irregular los fotones de la luz se reflejan en las diversas fibras de madera en ángulos diferentes y la mayor parte de la luz se dispersa sin agruparse en un solo punto. 
Sin embargo, puedes imaginar cuantos materiales con la luz reflejada sobre ellos aparecen cada segundo en tu monitor en una batalla de War Thunder.




Calcular la iluminación con semejante nivel de detalle no es posible ni con la tecnología de representación gráfica de las películas y su estructura es demasiado compleja. Precisamente por eso se utilizan determinados parámetros estadísticos necesarios, como la aspereza, el índice de refracción, la metalicidad (la proporción dieléctrico/conductor de un pixel). Esto significa que ya en la fase de creación de los modelos, y sus correspondientes materiales, podemos trabajar con los valores físicos de esos materiales. Podemos tener en cuenta las combinaciones de los parámetros necesarios sin el subsiguiente ajuste después de que la escena esté lista.

La función de la distribución de la reflexión bidireccional.

La función de la distribución de la reflexión bidireccional (BRDF por sus siglas en inglés) es una función cuatridimensional que define cuánta luz refleja una superficie opaca. Además proporciona los medios para calcular la cantidad de energía reflejada o difundida hacia un observador con una cantidad dada de emisión entrante. es lógico que las superficies metálicas, de tela o madera en el juego afecten a la iluminación, difusión, refrección y reflexión en grados diferentes.



Para esta clase de cálculo utilizamos el modelo matemático de la teoría de microfacetas que representa la superficie como un número de microfacetas orientadas en direcciones diferentes. Al mismo tiempo, cada una de estas microfacetas  refleja la luz en un ángulo igual. Para calcular la iluminación en un punto concreto debemos calcular la suma de la luz reflejada por las microfacetas. 



Nota: la función de la reflexión de la luz de Cook–Torrance. l es la dirección de la luz. v es la dirección de la visión del observador. n es la normal de la superficie. h es el vector entre los vectores l y v (medio vector). D(h) es la función de la distribución de las microfacetas. F(v,h) es la función de Fresnel. G(l, v, h) es la función de sombreado de las microfacetas. Todos los parámetros de esta función son bastante sencillos y tienen un sentido físico. ¿Pero qué sentido físico tiene el medio vector?, el medio  vector es necesario para filtrar aquellas microfacetas que contribuyen a reflejar la luz para el observador. Si la normal de la microfaceta es igual al medio vector significa que esa microfaceta contribuye a la iluminación cuando la dirección de la vista es V.




La desviación radical de la representación gráfica clásica es que en la PBR, todas las superficies – sean metales, dieléctricos, vegetación y demás – se calculan según un solo modelo físico. Como resultado la imagen se convierte en un todo y la probabilidad de errores de iluminación prácticamente desaparece. En general es más difícil crear los parámetros del material que dibujar texturas clásicas. Los artistas no deben crear lo que el ojo ve o lo que está visible en las fotografías sino las propiedades físicas de la superficie. En el caso de War Thunder los artistas tienen que modificar todas las texturas y los materiales para trabajar con el nuevo modelo. Pero esto significa que podemos hacer nuestros gráficos tan realistas y cohesionados como sea posible.

Varias funciones clave juegan un papel en la representación gráfica de la imagen final.  Aquí hay algo de información sobre unas pocas de ellas:

La distribución de la reflexión de las microfacetas D(h) proporciona los medios para dar un porcentaje de la energía en la que se da la reflexión de la luz y la distribución de la energía en función de lo lisa o rugosa que sea la superficie. En War Thunder, se utiliza el así llamado modelo GGX.


La distribución del auto-sombreado de las microfacetas G(l,v,h) define cuanto (con ángulos de reflexión inclinados) se sombrea la superficie a sí misma. El juego utiliza la función de auto-sombreado de Smith adaptada al modelo GGX (Eric Heitz. “Understanding the Masking-Shadowing Function in Microfacet-Based BRDFs”.)

La función de Fresnel F(v,h) define la intensidad de una onda electromagnética reflejada o refractada cuando pasa a través de la frontera de dos ambientes. Este efecto es muy apreciable en el agua. Si miras la superficie del agua en un ángulo agudo el agua refleja la mayoría de la luz y vemos un reflejo. Si por otro lado, miras el agua a vista de pájaro no vemos reflejo prácticamente, en su lugar vemos lo que está en el fondo. 


Para superficies opacas el proceso físico es exactamente el mismo pero la luz no reflejada se difundirá o se absorberá.
Gracias a esta función la reflexión de la luz cambia en base al ángulo de colisión en los diferentes materiales con diversos índices de refracción (la función de Fresnel de hecho es compleja y para los metales tiene además un componente imaginario y es distinta para longitudes de onda diferentes. Por eso los metales tienen reflejos coloreados). Esto es particularmente apreciable en los mapas de carros amplios en donde no hay prácticamente zonas oscuras – la luz tiene una estructura realista y variada en todas partes. “A la sombra” también hay de hecho pequeños puntos que reflejan la luz del cielo y de otras superficies. Solo una hendidura, agujero o grieta es verdaderamente un “objeto oscuro” – casi nada de la luz que llega ahí se refleja.  El juego utiliza la aproximación de Schlick de la función de Fresnel para los dieléctricos, que se ha utilizado durante mucho tiempo en juegos y películas. 


La difusión de la luz


Además de reflejarse, la luz también se difunde sobre los dieléctricos.
Anteriormente el juego utilizaba el modelo de Lambert model, que aunque sencillo, no permite ajustar la iluminación de la difusión de la luz sobre superficies rugosas, de las que hay muchas en el juego. El problema  es que en las superficies rugosas la difusión de la luz depende de las posiciones de la superficie y del observador – precisamente esta es la razón por la que, por ejemplo, la luna en el cielo no tiene una sombra tenue en el terminador. Desde entonces hemos pasado al modelo de Oren–Nayar.



¿Que valor proporciona esto a War Thunder?

La tecnología de la representación gráfica basada en la física tiene en cuenta las características de cada material, al utilizar fórmulas matemáticas que incluyen las propiedades del terreno y sus superficies, calcula y muestra el comportamiento correcto de la luz que alcanza al objeto. Esto ha permitido a los carros y a los aviones tener una apariencia más natural y variada, particularmente en momentos del día diferentes y con distintas meteorologías. Los fuselajes de metal desgastado de los aviones reflejan la luz y relucen a medida que maniobran. En gráficos altos cada pieza de equipamiento desmontable de un carro, incluso la más pequeña, no queda oculta en la sombra de manera uniforme. En su lugar refleja la luz de los objetos cercanos. 


ANTIGUA

REPRESENTACIÓN GRÁFICA

REPRESENTACIÓN GRÁFICA

BASADA EN LA FÍSICA


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REPRESENTACIÓN GRÁFICA

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OLD RENDER PHYSICALLY BASED RENDERING

El equipo de War Thunder

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