Physically Based Rendering (PBR)

Physically Based Rendering (PBR) ist ein Materialien- und Beleuchtungsstandard, der physikalische Gesetze der Lichtinteraktion modelliert, sodass Materialien unter beliebigen Beleuchtungsbedingungen konsistent und realistisch erscheinen.

Rubrik: Software & Tools Deep-Dive · Unterrubrik: Render-Engines · Niveau: Fortgeschritten Synonyme / Auch bekannt als: PBR-Workflow, Physically Based Shading (PBS), Physikalisch Basiertes Rendering

Was ist Physically Based Rendering?

PBR ist kein einzelner Algorithmus, sondern eine Designphilosophie für Materialien und Beleuchtung: Shading-Modelle sollen physikalischen Gesetzen gehorchen – Energieerhaltung, Reziprozität, und korrekte Behandlung von metallischen vs. dielektrischen Oberflächen.

Das Konzept entstand in der Forschung (Cook & Torrance, 1982) und wurde von der Spieleindustrie (Disney 2012, Unreal 2013) zu einem breiten Industriestandard ausgebaut. Heute ist PBR der Standard in Spielen, Film, Architekturvisualisierung und allen modernen Render-Engines.

Erklärung

Physikalische Grundlagen

#### Energieerhaltung Ein fundamentales Prinzip: Ein Material kann nicht mehr Licht reflektieren als es empfängt. Ältere Shading-Modelle (Phong, Blinn-Phong) verletzten dieses Prinzip – bei hoher Glossiness konnten Oberflächen mehr Energie reflektieren als eingestrahlt wurde. PBR-Materialien halten dieses Prinzip immer ein.

#### BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) Die BRDF beschreibt mathematisch, wie ein Material Licht reflektiert: Für jede Kombination aus eingehender und ausgehender Lichtrichtung gibt sie an, wie viel Energie reflektiert wird. PBR-Materialien verwenden physikalisch korrekte BRDFs:

• Lambertian BRDF: Perfekt diffuse Streuung (mattes Material).
• Cook-Torrance Microfacet BRDF: Für spiegelnde Reflexionen auf rauhen Oberflächen.

#### Microfacet-Theorie Physikalisch besteht jede reale Oberfläche aus mikroskopisch kleinen Flächen (Microfacets). Die statistische Verteilung dieser Microfacets bestimmt das makroskopische Reflexionsverhalten:

• Glatte Oberfläche: Microfacets weitgehend ausgerichtet → scharfe Reflexion.
• Rauhe Oberfläche: Microfacets zufällig orientiert → diffuse, breite Reflexion.

Dieses Prinzip wird durch die GGX- (Walter et al., 2007) oder Beckmann-Verteilung modelliert.

#### Fresnel-Effekt Bei streifendem Lichteinfall (flachem Winkel) reflektiert jede Oberfläche mehr Licht. PBR-Materialien berücksichtigen den Fresnel-Effekt nach Schlick (1994):

• Metalle: Hohe Basis-Reflexion, Fresnel-Effekt weniger ausgeprägt.
• Dielektrika (Plastik, Holz, Stein): Niedrige Basis-Reflexion (~4%), starker Fresnel-Effekt.

PBR-Workflows: Metallic/Roughness vs. Specular/Glossiness

#### Metallic/Roughness-Workflow (Standard)

• Base Color / Albedo: Grundfarbe des Materials (ohne Licht/Schatten-Information).
• Metallic: 0 = dielektrisch (Plastik, Holz), 1 = Metall. Keine Zwischenwerte außer bei Mischflächen.
• Roughness: 0 = spiegelglatt, 1 = vollständig matt.
• Normal Map: Simuliert Oberflächendetail ohne Geometrie.
• AO Map: Ambient Occlusion – vorberechnete Kontaktschatten.

Standardisiert in: glTF, Unreal Engine, Unity, Blender (Principled BSDF), NVIDIA MDL.

#### Specular/Glossiness-Workflow (älterer Standard)

• Diffuse: Basisfarbe.
• Specular: Reflexionsfarbe (ermöglicht farbige Reflexionen bei Metallen).
• Glossiness: Umgekehrte Roughness (0 = matt, 1 = spiegelglatt).

Verwendet in: ältere V-Ray/Arnold-Setups, Allegorithmic Substance Painter (optional).

Schlüsselgesetze für Künstler

1. Metalle haben keine Diffuse-Farbe: Bei Metallic = 1 kommt die gesamte Farbe aus der Reflexion (Base Color bestimmt Reflexionsfarbe). Ein metallisches Material sollte sehr dunklen oder schwarzen Diffuse-Anteil haben.
2. Dielektrika haben weiße Reflexionen: Nicht-metallische Materialien reflektieren Licht weiß, egal welche Farbe sie haben. Bunter Specular bei Nicht-Metallen ist physikalisch falsch.
3. IOR-Werte sind messbar: Jedes Material hat einen Brechungsindex (IOR). Glas: ~1.5, Wasser: ~1.33, Diamant: ~2.4. PBR-Materialien nutzen reale IOR-Werte für korrekte Reflexion.

Beispiele

• Metal mit Kratzer: Metallic = 1 auf der Grundfläche, Metallic = 0 im Kratzer (freiliegendes Metall-Oxid oder Farbschicht). Roughness im Kratzer erhöht.
• Holz: Albedo = braune Holztextur, Metallic = 0, Roughness = 0.7–0.9, Normal Map für Maserung.
• Glas: Transmission = 1, Roughness = 0.0–0.05, IOR = 1.5.

In der Praxis

Texture-Maps und Auflösung

Professionelle PBR-Textur-Sets bestehen aus 4–6 Maps:

1. Albedo/Base Color (RGB)
2. Normal Map (RGB, tangent space)
3. Roughness (Graustufen)
4. Metallic (Graustufen)
5. AO (Graustufen, optional; wird oft mit Albedo/Roughness gemultipliziert)
6. Height/Displacement (Graustufen, für echte Geometrieverformung) → Displacement Mapping vs. Normal Mapping

Tools wie Substance Painter und Substance Designer (Adobe) sind die Industriestandards für PBR-Textur-Erstellung. Sie exportieren direkt in Metallic/Roughness- oder Specular/Glossiness-Preset-Formate.

PBR in Echtzeit vs. Offline

PBR funktioniert in Echtzeit-Engines (Unreal, Unity, Eevee) und Offline-Engines gleichermaßen, weil die Materialien hardware-unabhängig definiert sind. Ein in Substance Painter erstelltes PBR-Material kann ohne Konvertierung in Unreal Engine und in Cycles verwendet werden – mit dem Unterschied, dass die Beleuchtungsberechnungen unterschiedlich korrekt sind.

Vergleich & Abgrenzung

PBR ist nicht dasselbe wie Path Tracing: PBR beschreibt das Material-Modell, Path Tracing beschreibt den Rendering-Algorithmus. Man kann PBR-Materialien auch in einem Rasterizer (Eevee, Spielengines) verwenden.

Häufige Fragen (FAQ)

Was ist der Unterschied zwischen PBR und Raytracing? PBR ist ein Material/Shading-Standard; Raytracing ist ein Rendering-Algorithmus. Beides kann unabhängig kombiniert werden.

Warum sehen PBR-Materialien in Eevee anders aus als in Cycles? Weil Eevee Beleuchtungseffekte approximiert (Screen Space Reflections etc.) während Cycles sie physikalisch korrekt berechnet. Die Materialien selbst sind identisch – der Unterschied liegt im Renderer.

Kann PBR stilisierte Looks erzeugen? Ja – PBR definiert physikalische Grenzen, aber Künstler können diese bewusst überschreiten (Metallic zwischen 0 und 1, unphysikalische Farben). Die meisten Cel-Shading-Ansätze nutzen einen PBR-Basis-Shader mit modifizierten Lighting-Berechnungen.

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Weiterführend

• Cook, R. L. & Torrance, K. E. (1982): „A Reflectance Model for Computer Graphics". ACM Transactions on Graphics, 1(1), S. 7–24.
• Burley, B. (2012): „Physically-Based Shading at Disney". SIGGRAPH Course: Practical Physically-Based Shading.
• Walter, B. et al. (2007): „Microfacet Models for Refraction through Rough Surfaces". EGSR 2007, S. 195–206.
• Lagarde, S. & de Rousiers, C. (2014): „Moving Frostbite to Physically Based Rendering 3.0". SIGGRAPH Course 2014.