Exit

Уроки онлайн

Уровень

Освещение и свет

Построение реалистических изображений включает как физические, так и психологические процессы. Свет, т. е. электромагнитная энергия, после взаимодействия с окружающей средой попадает в глаз, где в результате физических и химических реакций вырабатываются электроимпульсы, воспринимаемые мозгом. Восприятие - это приобретаемое свойство.

Человеческий глаз - очень сложная система. Он имеет почти сферическую форму с диаметром около 20 мм. Воспринимаемый свет с помощью гибкого хрусталика фокусируется на сетчатке глаза, в которой есть два типа рецепторов: колбочки и палочки. В центре задней полусферы глаза собрано 6-7 млн. колбочек, чувствительных только к сравнительно высоким уровням освещенности, причем каждая из них присоединена к отдельному нерву. Колбочки позволяют различать мелкие детали. В сетчатке также находится 75-150 млн. палочек, чувствительных к очень низким уровням освещенности. К одному нерву присоединено сразу несколько палочек, поэтому они не способны различать мелкие детали. Интересно, что цвет воспринимается только колбочками, т. е. при низкой освещенности, когда колбочки теряют свою чувствительность, предметы кажутся черно-белыми.

Из опытов известно, что чувствительность глаза к яркости света изменяется по логарифмическому закону. Пределы чувствительности к яркости чрезвычайно широки, порядка 1010, однако глаз не в состоянии одновременно воспринять весь этот диапазон. Глаз реагирует на гораздо меньший диапазон значений относительно яркости, распределенный вокруг уровня адаптации к освещенности. Чувствительность к относительной яркости имеет порядок 100-150 (2.2 логарифмической единицы). Скорость адаптации к яркости неодинакова для различных частей сетчатки, но тем не менее очень высока. Экстремумы диапазона относительной яркости воспринимаются соответственно как черный и белый.

       

                 a                                         b

Рис. 11.1. Одновременный контраст.

Глаз приспосабливается к "средней" яркости обозреваемой сцены; поэтому область с постоянной яркостью (интенсивностью) на темном фоне кажется ярче или светлее, чем на светлом фоне. Это явление называется одновременным контрастом (рис. 11.1). Яркость центрального квадрата на шкале от 0 до 1 равна 0.5, а охватывающего - 0.2 (рис. 11.1, а). На рис. 11.1, b яркость центрального квадрата такая же, а охватывающего - 0.8. То же самое происходит при наблюдении уличного фонаря днем и ночью: если смотреть на фонарь днем (рис. 11.1, а), то средняя освещенность сцены выше, чем ночью (рис. 11.1, Ь). Поэтому уровень контраста ниже, и кажется, что интенсивность (яркость) фонаря или центрального квадрата на рис. 11.1, а меньше. Похожее на одновременный контраст явление существует и для цветов.

Еще одним свойством глаза, имеющим значение для машинной графики, является то, что границы областей постоянной интенсивности кажутся более яркими, в результате чего области с постоянной интенсивностью воспринимаются, как имеющие переменную интенсивность. Это явление называется эффектом полос Маха по имени открывшего его австрийского физика Эрнста Маха. Эффект полос Маха наблюдается, когда резко изменяется наклон кривой интенсивности. Если кривая интенсивности вогнута, то в этом месте поверхность кажется светлее, если выпукла - темнее (рис. 11.2).

       

 

        a                                                     b

 

Рис. 11.2. Эффект полос Маха: (а) кусочно-линейная функция интенсивности, (b) функция интенсивности с непрерывной первой производной.

Эффект полос Маха особенно хорошо заметен на полутоновых поверхностях, заданных многоугольниками. Если интенсивность многоугольников определяется с учетом направления вектора нормали, то на ребрах этих многоугольников интенсивность будет резко меняться. Эффект полос Маха, мешающий глазу создавать сглаженное изображение сцены, виден на рис. 11.3, а. Увеличивая количество полигональных граней, его можно ослабить, но полностью уничтожить нельзя (рис. 11.3, b).

       

 

      a                                          b

 

Рис. 11.3. Эффект полос Маха на поверхностях, образованных плоскими полигональными гранями: (а) модель с 8 гранями, (б) модель с 32 гранями.