Материал стекла в рендере либо выглядит как мутный пластик, либо считается вечность и всё равно шумит. Обе проблемы решаются пониманием того, что движок делает с прозрачными поверхностями и почему это дорого.
Ниже устройство материала, роль толщины, откуда берутся каустики и как их получить, а также приёмы, которые сокращают время расчёта в разы без потери качества.
Почему стекло сложное для рендера
Непрозрачная поверхность отражает луч и на этом всё. Прозрачная делит его на два: часть отражается, часть проходит внутрь с преломлением.
Каждое пересечение поверхности удваивает число лучей. Стакан это как минимум четыре пересечения, и число путей растёт быстро.
Отсюда все особенности: стекло требует больше отскоков, больше сэмплов и даёт больше шума, чем любой другой материал.
Показатель преломления
Единственное значение, которое нельзя брать на глаз.
Для обычного стекла это около полутора. Для воды одна целая тридцать три. Для акрила чуть меньше стекла, для алмаза заметно больше.
Ошибка в этом параметре сразу считывается как неправдоподобность, даже если зритель не может объяснить, что не так.
Отдельный момент: если в сцене есть и стекло, и жидкость внутри него, их показатели должны различаться. Одинаковые значения убирают границу между ними, и напиток сливается со стаканом. Подробнее о взаимодействии двух прозрачных сред есть в материале про капли на стекле.
Толщина решает больше, чем кажется
Самая частая причина неправдоподобного стекла.
Плоскость нулевой толщины ведёт себя не как стекло: луч проходит через неё один раз вместо двух, преломление получается неверным.
Для окна это допустимо и даже желательно: реальное оконное стекло тонкое, а нулевая толщина считается быстрее.
Для стакана, бутылки, линзы толщина обязательна. Модель должна быть замкнутым объёмом со стенками реальной толщины.
Практический признак ошибки: стекло выглядит как мыльный пузырь, слишком прозрачное и без веса.
Цветное стекло
Распространённая ошибка: задать цвет самой поверхности.
В реальности цветное стекло окрашивает свет, проходящий сквозь толщу. Чем толще участок, тем насыщеннее цвет.
Именно поэтому у бутылки дно тёмное, а стенки светлее: свет прошёл разное расстояние в материале.
Воспроизводится это через поглощение в объёме, а не через цвет поверхности. Результат заметно отличается: появляется глубина и естественная неравномерность.
Матовое стекло
Второй по частоте вопрос после прозрачного.
Матовость задаётся шероховатостью поверхности, но с важной оговоркой: она делает расчёт заметно дороже. Каждый луч, попадая на шероховатую прозрачную поверхность, рассеивается в пучок направлений.
Практический приём для экономии: там, где матовость нужна только визуально, а не физически, её иногда заменяют картой неровностей на гладкой поверхности. Выглядит похоже, считается быстрее.
Отдельно: матовое стекло почти всегда требует толщины. На плоскости нулевой толщины рассеивание работает неправильно.
Каустики: откуда они берутся
Каустика это светлое пятно, которое появляется под стеклянным предметом: свет собрался, пройдя сквозь него.
Именно каустики делают стекло убедительным. Без них предмет выглядит наклейкой, даже если сам материал настроен верно.
Проблема в том, что честный расчёт каустик дорог. Луч должен случайно попасть из источника через стекло в нужную точку, и вероятность этого мала: отсюда шум и долгий расчёт.
Поэтому многие движки по умолчанию отключают каустики от прозрачных поверхностей, и стекло выглядит подозрительно скучно.
Как получить каустики на практике
Три подхода, от дорогого к дешёвому.
Честный расчёт. Включить каустики в настройках, поднять число сэмплов. Результат правильный, время большое, шум значительный.
Специальные механизмы движка. Часть движков имеет отдельный расчёт каустик, работающий иначе и быстрее. Качество хорошее, настройки отдельные.
Подделка. Проекция заранее подготовленной текстуры каустики через источник света. Физически неверно, выглядит убедительно, считается мгновенно.
Практическое правило: для крупного плана стекла делать честно, для общего плана подделывать. Зритель не отличит, а время отличается в разы.
Отскоки лучей: главный параметр времени
Настройка, которая определяет и качество, и скорость.
Число отскоков прозрачности задаёт, сколько раз луч может пройти сквозь поверхности, прежде чем расчёт его оборвёт.
Слишком мало: стекло становится чёрным в местах, где лучу не хватило отскоков. Это частая причина чёрных стаканов.
Слишком много: время расчёта растёт, а разница уже не видна.
Практический ориентир: восемь до двенадцати отскоков хватает почти для любой сцены со стеклом. Для сложных случаев вроде стакана с жидкостью и льдом может потребоваться больше.
Приёмы ускорения
Меры, которые сокращают время без потери качества.
Разделить пороги для разных типов лучей. Отражения и преломления можно ограничивать по-разному, и на стекле это даёт выигрыш.
Убрать стекло из отражений там, где оно не нужно. Мелкие стеклянные детали в отражениях почти не видны, а считаются честно.
Использовать упрощённое стекло для дальнего плана. Полупрозрачный материал без преломления считается в разы быстрее и на расстоянии неотличим.
Шумоподавление. Стекло даёт характерный шум, и современные алгоритмы справляются с ним хорошо.
Свет через портал. В интерьерах с окнами это принципиально меняет скорость сходимости.
Освещение для стекла
Материал важен, но без правильного света стекло не читается.
Стекло видно не само по себе, а по тому, что оно делает со светом: по бликам, по преломлённому изображению фона, по каустикам.
Отсюда требования. Нужен яркий источник, дающий чёткий блик. Нужен фон с деталями: сквозь стекло должно быть что-то видно. Нужен контраст, иначе преломление не читается.
Классическая ошибка: снять стекло на ровном сером фоне в мягком свете. Технически всё верно, визуально пусто.
Принципы постановки света для реалистичного кадра разобраны в материале про реалистичный рендер в Blender.
Стекло в реальном времени
В игровом движке честного преломления обычно нет.
Вместо него используется смещение экранного изображения: то, что находится за поверхностью, сдвигается по определённому правилу. Выглядит похоже при движении, разваливается на неподвижном крупном плане.
Каустики в реальном времени почти всегда подделываются проекцией текстуры.
Практический вывод: приёмы из офлайн-рендера не переносятся напрямую, и стекло для игры проектируется иначе с самого начала.
Лёд и другие прозрачные материалы
Родственные задачи, где работают те же принципы с поправками.
Лёд. Показатель преломления близок к воде, но добавляются два отличия: неоднородность внутри и матовая корка снаружи. Идеально прозрачный лёд выглядит как стекло, а не как лёд. Неоднородность делается объёмным рассеиванием с неравномерной плотностью.
Драгоценные камни. Высокий показатель преломления и дисперсия: разные длины волн преломляются по-разному, отсюда цветные вспышки. Без дисперсии камень выглядит как обычное стекло.
Пластик. Показатель ниже стекла, поглощение обычно сильнее, поверхность чаще с лёгкой шероховатостью. Самая частая ошибка тут обратная: пластику задают параметры стекла, и он выглядит слишком дорогим.
Жидкость в стакане. Отдельная сложность в том, что поверхностей три: внешняя стенка, внутренняя стенка и поверхность жидкости. Все три должны быть смоделированы, иначе преломление будет неверным.
Где спотыкаются почти все
Карточки
Частые вопросы
Почему стекло чёрное в рендере?
Почти всегда не хватает отскоков прозрачности. Увеличьте лимит в настройках рендера, начиная с восьми.
Нужна ли стеклу толщина?
Для объёмных предметов обязательно. Для окон и витрин нулевая толщина допустима и считается быстрее.
Как сделать стекло матовым без потери скорости?
Заменить шероховатость картой неровностей там, где матовость нужна только визуально. Честное рассеивание оставить для крупных планов.
Обязательно ли включать каустики?
Для крупного плана стекла да, без них предмет выглядит плоским. Для общего плана можно подделать проекцией текстуры: разница в кадре почти не читается, а время расчёта отличается в разы.
Как быстро проверить, правильно ли настроено стекло?
Поставить за стеклом что-то с чёткой структурой: клетчатую ткань, текст, полосатый фон. Через правильно настроенное стекло этот узор будет виден искажённым и смещённым, а через неправильное либо не изменится вовсе, либо пропадёт. Это занимает минуту и показывает больше, чем разглядывание бликов.
Почему стекло шумит сильнее остальных материалов?
Потому что каждое пересечение прозрачной поверхности порождает новые пути луча, и вероятность того, что конкретный путь приведёт к источнику света, падает. Отсюда разброс значений между сэмплами, который и виден как шум. Помогают шумоподавление, больше сэмплов и упрощение стекла там, где оно не в фокусе.
Почему жидкость в стакане выглядит неправильно?
Чаще всего из-за того, что поверхности стекла и жидкости совпадают. В реальности жидкость касается стекла изнутри, и между ними нет воздушного зазора. Моделировать надо так же, слегка вдавливая жидкость в стенку.
Начните со света, а не с материала. Стекло без правильного освещения выглядит мутным пластиком при любых настройках преломления.