Визуализация: где она точна, а где просто убедительна

Спор о визуализациях почти всегда сводится к одной фразе: «на картинке было не так». Обычно правы обе стороны. Картинка действительно была не такой — и при этом сделана честно. Дело в том, что рендер состоит из двух половин разного качества, а выглядит однородным.

Половина кадра измерена, половина назначена

Из измеренного в картинке ровно одно — геометрия. Модель строится по обмерному плану с диагоналями и высотами, и если обмер сделан как следует, стены в кадре стоят там же, где в квартире. Габариты мебели тоже проверяемы, когда модели взяты из каталогов производителей и попали в ведомость комплектации с артикулами.

Всё остальное назначено человеком в диалоговом окне: спектр и мощность источников, время суток, шероховатость каждой поверхности, угол объектива, положение камеры, экспозиция. Ни один из этих параметров не снят с вашего объекта прибором.

Сам расчёт при этом строгий. Физически корректный рендер решает уравнение переноса света — по формулировке открытого учебника Physically Based Rendering (Pharr, Jakob, Humphreys, 4-е издание, pbr-book.org, гл. 13.1), это «основное уравнение, описывающее равновесное распределение яркости в сцене»: отражённая яркость в точке выражается через собственное излучение поверхности, её функцию рассеяния и распределение падающего освещения. Уравнение честное. Вопрос всегда не в том, как посчитано, а что подано на вход.

Рендер — это точный ответ на вопрос «как выглядела бы комната, если бы свет, краска и лак были ровно такими, как я их описал». Все расхождения живут в слове «описал».

Метамерия — главное слово в разговоре о цвете

Международный светотехнический словарь CIE (стандарт CIE S 017:2020, свободный доступ к терминам — e-ILV) даёт определение, с которого стоит начинать любой разговор о выкрасах. Термин 17-23-008, метамеры: «спектрально различные цветовые стимулы, имеющие одинаковые координаты цвета в заданной колориметрической системе». Соответствующее свойство, термин 17-23-006, и называется метамерией.

Расшифровка бытовая. Цвет, который вы видите, — результат перемножения спектра источника на спектральный коэффициент отражения поверхности. Два образца с совершенно разными кривыми отражения могут после этого перемножения дать глазу одинаковый сигнал. Совпадение при этом привязано к конкретному источнику: поменяли лампу — поменяли множитель, и образцы разъехались.

У этого расхождения есть даже официальная мера. Термин 17-23-007, индекс метамерии, — «степень цветового различия, вычисляемая в форме цветового различия, вызванная заменой эталонного осветителя (наблюдателя) испытательным осветителем с иным относительным спектральным составом».

Отсюда же практический смысл требований к лампам. Цветопередача источника определена в термине 17-22-107 как «влияние осветителя на воспринимаемый цвет объектов при сознательном или подсознательном сравнении с их воспринимаемым цветом под эталонным осветителем», а общий индекс цветопередачи Ra (термин 17-22-111) — «среднее специальных индексов цветопередачи CIE 1974 для заданного набора из восьми контрольных образцов цвета». Восемь образцов — не вся палитра мира, поэтому Ra выше 90 в схеме света по слоям — это не маркетинг, а способ уменьшить размах расхождений, а не отменить их.

Теперь неприятное: метамерию рендер не моделирует вовсе. В подавляющем большинстве проектов цвет внутри рендера живёт как тройка RGB, а не как спектр. Тот же учебник PBR формулирует проблему прямо: цвета «должны быть преобразованы в спектры, если рендерер использует спектральные распределения в расчёте переноса света. К сожалению, эта задача недоопределена» (гл. 4.6). У RGB-тройки нет одного спектра — их бесконечно много, и движок выбирает какой-то один. Значит, эффект, который и разводит выкрас со стеной, физически не заложен в картинку.

Экран светится, стена отражает

Второе расхождение проще, но его чаще игнорируют. Монитор создаёт цвет смешением трёх излучений. Словарь CIE определяет цветовой охват (17-32-007) как «объём, площадь или тело в цветовом пространстве, состоящее из всех цветов, которые либо присутствуют в конкретной сцене… либо могут быть созданы конкретным устройством вывода и/или носителем». В учебнике PBR геометрия этого охвата описана буквально: основные цвета «определяют охват цветового пространства… для трёх основных цветов охват образует треугольник на диаграмме цветности».

Пространство, в котором вам присылают картинку, почти всегда sRGB — стандарт IEC 61966-2-1:1999 «Multimedia systems and equipment. Colour measurement and management. Part 2-1: Default RGB colour space — sRGB». В его описании есть важная оговорка: преобразования кодирования определены «для применения в заданных эталонных условиях». Эталонные условия — это конкретная яркость экрана и конкретное окружение. Ваш ноутбук на кухне в одиннадцать утра ими не является.

А стена вообще не светится. Её яркость — произведение падающего света на коэффициент отражения, который CIE определяет предельно сухо (17-24-064): «отношение отражённого потока излучения к падающему потоку излучения». Тёмная краска в комнате с одним окном и та же краска в комнате с двумя окнами — визуально два разных цвета, хотя банка одна.

Свет: один сценарий против пятнадцати небес

Рендер освещается той сценой, которую построили. Реальная комната освещается небом, а небо — переменная величина. CIE стандартизировала не одно состояние, а набор: «стандартное общее небо CIE» (термин 17-29-113) — это «набор из 15 распределений яркости неба, моделирующих небо от плотно затянутого облаками до безоблачного», описанный в ISO 15469 / CIE S 011. Пятнадцать вариантов — только по облачности. В кадре — один, выбранный визуализатором ради выразительной тени.

Дальше — отражения. Глобальное освещение как раз про это: в учебнике PBR приводится классический пример — «яркий свет, падающий на красный объект, может дать красноватый оттенок на соседних объектах сцены». В квартире такими «соседними объектами» работают пол, соседняя стена и кирпичный торец дома напротив, который весь день подкрашивает вашу спальню тёплым. В сцене за окном обычно нет ничего, кроме карты окружения, — этой подкраски в кадре не будет.

И третий слой: сам зритель. Хроматическая адаптация (термин 17-22-013) — «зрительный процесс, при котором осуществляется приблизительная компенсация изменений цвета стимулов, особенно при смене осветителей». Глаз подстраивается под освещение комнаты за минуты, картинка на экране — нет. Вы сравниваете адаптированное восприятие стены с неадаптированным изображением.

Оптика: комната на рендере просторнее по чистой геометрии

Виртуальная камера в рендерере — это параметр «поле зрения», который задаётся числом. Выбирают почти всегда широкий угол: иначе в кадр не влезает ни одна жилая комната. Последствия считаются школьной тригонометрией для стандартного кадра 36 × 24 мм — угол по горизонтали равен 2·arctg(18/f), а видимая ширина дальней стены равна 2·D·tg(α/2).

«Нормальным» в фотографии принято считать объектив, фокусное которого близко к диагонали кадра; для 36 × 24 мм диагональ равна 43,3 мм. Всё, что короче, растягивает перспективу: ближние предметы укрупняются, дальние отскакивают, диван у стены отъезжает от зрителя сильнее, чем отъехал бы в жизни.

Есть и вторая геометрическая причина. Перспектива на снимке читается естественно, если смотреть на изображение с расстояния, равного фокусному, умноженному на кратность увеличения кадра. Для 24 мм и картинки шириной 40 см это 27 см — а вы смотрите с шестидесяти. Отсюда ощущение простора, которого в комнате нет.

Лечится это не спором, а сверкой: у каждого ракурса должна быть развёртка стены с размерами в том же альбоме. Проходы, высоты и зазоры проверяются там, и только там.

Глянец и микрорельеф: два ползунка вместо двух физических свойств

Блеск CIE определяет через направленность (термин 17-24-080): это «вид поверхности, при котором отражённые блики объектов воспринимаются наложенными на поверхность вследствие направленно избирательных свойств этой поверхности». Измеряют его блескомером (17-25-034) при строго заданной геометрии: зеркальный блеск (17-24-138) — «отношение потока, отражённого в зеркальном направлении, к падающему потоку при заданном угле падения, заданном источнике и заданных угловых апертурах приёмника».

Ключевое слово — «заданном». В рендере эту геометрию выбрал визуализатор: где стоит источник, где камера, куда лёг блик. В комнате её задаёте вы, и она меняется с каждым шагом. Глянцевый фасад на картинке — статичный градиент, глянцевый фасад в кухне — движущееся отражение окна.

Микрорельеф расходится по той же причине. Словарь CIE разделяет два разных явления: текстура поверхности (17-24-140) — «структура, видимая на поверхности и зависящая от размера и организации малых составляющих частей материала», и подповерхностная текстура (17-24-139) — «структура, видимая через прозрачную гладкую поверхность». Шпон под лаком и полированный камень — это второе. В рендере оба чаще всего заданы одной картинкой-картой, и разница между «рисунок нанесён» и «рисунок лежит в глубине» пропадает вместе с ней.

Что из картинки можно считать утверждённым

Последняя строка — та, из-за которой чаще всего переделывают. Ни на одном ракурсе не видно, как именно коробка двери скрытого монтажа стыкуется с плинтусом, где заканчивается теневой шов и что происходит с примыканием плитки к штукатурке. Рендер эти места показывает бесшовными — просто потому, что в модели их никто не строил.

Картинку утверждают за компоновку. Цвет, свет и фактуру утверждают на объекте, и это не признак плохой визуализации, а её нормальное свойство.

Чем это заменяется на практике

1. Выкрас вместо веера. Решение по цвету принимают на самой стене — как именно, разобрано в материале про цвет из выкраса и стену. Смотреть нужно дважды: при дневном свете и при включённых проектных светильниках, иначе метамерия останется непроверенной.
2. Образец в свете помещения и в своей плоскости. Раз блеск направлен, вертикальный материал смотрят на стене, напольный — на полу. Образец, лежащий на столе у окна, отвечает на другой вопрос.
3. Макет узла. Всё, что рендер физически не показывает, утверждается по чертежу: узел, разрез, при спорной геометрии — картонная или деревянная примерка на объекте.
4. Развёртка к каждому ракурсу. Раскладка плитки с подрезкой и стартовой линией читается только с чертежа; на картинке швы выглядят одинаково красиво при любой раскладке.
5. Проверка на объекте. Расхождение ловится не на этапе картинки, а на выезде — по регламенту авторского надзора, до того как узел закрыт.

Полезнее всего договориться о статусе картинки заранее, ещё на этапе, где визуализация стоит в графике, и записать это в техзадание одной фразой: рендер утверждает компоновку и состав, а цвет, блеск и свет утверждаются образцами на объекте. Такая формулировка стоит ноль рублей и снимает почти весь будущий спор.