Exit

Уроки онлайн

Уровень

Простая модель освещения.

Световая энергия, падающая на поверхность, может быть поглощена, отражена или пропущена. Частично она поглощается и превращается в тепло, а частично отражается или пропускается. Объект можно увидеть, только если он отражает или пропускает свет; если же объект поглощает весь падающий свет, то он невидим и называется абсолютно черным телом. Количество поглощенной, отраженной или пропущенной энергии зависит от длины волны света. При освещении белым светом, в котором интенсивность всех длин волн снижена примерно одинаково, объект выглядит серым. Если поглощается почти весь свет, то объект кажется черным, а если только небольшая его часть - белым. Если поглощаются лишь определенные длины волн, то у света, исходящего от объекта, изменяется распределение энергии и объект выглядит цветным. Цвет объекта определяется поглощаемыми длинами волн.

Свойства отраженного света зависят от строения, направления и формы источника света, от ориентации и свойств поверхности. Отраженный от объекта свет может также быть диффузным или зеркальным. Диффузное отражение света происходит, когда свет как бы проникает под поверхность объекта, поглощается, а затем вновь испускается. При этом положение наблюдателя не имеет значения, так как диффузно отраженный свет рассеивается равномерно по всем направлениям. Зеркальное отражение происходит от внешней поверхности объекта.

Свет точечного источника отражается от идеального рассеивателя по закону косинусов Ламберта: интенсивность отраженного света пропорциональна косинусу угла между направлением света и нормалью к поверхности, т. е.

 

где I - интенсивность отраженного света, I- интенсивность точечного источника, kкоэффициент диффузного отражения (),  - угол между направлением света и нормалью к поверхности (рис. 11.4). Если  то источник света расположен за объектом. Коэффициент диффузного отражения kd зависит от материала и длины волны света, но в простых моделях освещения обычно считается постоянным.

Рис. 11.4. Диффузное отражение.

Поверхность предметов, изображенных при помощи простой модели освещения с ламбертовым диффузным отражением, выглядит блеклой и матовой. Предполагается, что источник точечный, поэтому объекты, на которые не падает прямой свет, кажутся черными. Однако на объекты реальных сцен падает еще и рассеянный свет, отраженный от окружающей обстановки, например от стен комнаты. Рассеянному свету соответствует распределенный источник. Поскольку для расчета таких источников требуются большие вычислительные затраты, в машинной графике они заменяются на коэффициент рассеяния - константу, которая входит в формулу в линейной комбинации с членом Ламберта:

(11.1)

где Ia - интенсивность рассеянного света, ka коэффициент диффузного отражения рассеянного света ().

Пусть даны два объекта, одинаково ориентированные относительно источника, но расположенные на разном расстоянии от него. Если найти их интенсивность по данной формуле, то она окажется одинаковой. Это значит, что, когда предметы перекрываются, их невозможно различить, хотя интенсивность света обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника, и объект, лежащий дальше от него, должен быть темнее. Если предположить, что источник света находится в бесконечности, то диффузный член модели освещения обратится в нуль. В случае перспективного преобразования сцены в качестве коэффициента пропорциональности для диффузного члена можно взять расстояние от центра проекции до объекта. Но если центр проекции лежит близко к объекту, то 1/d2 изменяется очень быстро, т. е. у объектов, лежащих примерно на одинаковом расстоянии от источника, разница интенсивностей чрезмерно велика. Как показывает опыт, большей реалистичности можно добиться при линейном затухании. В этом случае модель освещения выглядит так:

 (11.2)

где K - произвольная постоянная.

Если предполагается, что точка наблюдения находится в бесконечности, то d определяется положением объекта, ближайшего к точке наблюдения. Это означает, что ближайший объект освещается с полной интенсивностью источника, а более далекие - с уменьшенной. Для цветных поверхностей модель освещения применяется к каждому из трех основных цветов.

Рис. 11.5. Зеркальное отражение.

Интенсивность зеркально отраженного света зависит от угла падения, длины волны падающего света и свойств вещества. Основное уравнение Френеля приводится в любой книге по геометрической оптике. Зеркальное отражение света является направленным. Угол отражения от идеальной отражающей поверхности (зеркала) равен углу падения, в любом другом положении наблюдатель не видит зеркально отраженный свет. Это означает, что вектор наблюдения S (рис. 11.5) совпадает с вектором отражения R, и угол  равен нулю. Если поверхность не идеальна, то количество света, достигающее наблюдателя, зависит от пространственного распределения зеркального отраженного света. У гладких поверхностей распределение узкое или сфокусированное, у шероховатых - более широкое.

Благодаря зеркальному отражению на блестящих предметах появляются световые блики. Из-за того, что зеркально отраженный свет сфокусирован вдоль вектора отражения, блики при движении наблюдателя тоже перемещаются. Более того, так как свет отражается от внешней поверхности (за исключением металлов и некоторых твердых красителей), то отраженный луч сохраняет свойства падающего. Например, при освещении блестящей синей поверхности белым светом, возникают белые, а не синие блики.

Рис. 11.6. Приближенные функции пространственного распределения для зеркального отражения.

В простых моделях освещения обычно пользуются эмпирической моделью Буи-Туонга Фонга, так как физические свойства зеркального отражения очень сложны. Модель Фонга имеет вид:

 (11.3)

где  - кривая отражения, представляющая отношение зеркально отраженного света к падающему как функцию угла падения i и длины волны n - степень, аппроксимирующая пространственное распределение зеркально отраженного света. На рис. 11.6 показана функция cosna при  для различных n: большие значения n дают сфокусированные пространственные распределения характеристик металлов и других блестящих поверхностей, а малые - более широкие распределения для неметаллических поверхностей, например бумаги.

       

 

      a                                                              b

 

Рис. 11.7. Кривые отражения

Коэффициент зеркального отражения зависит от угла падения, однако, даже при перпендикулярном падении зеркально отражается только часть света, а остальное либо поглощается, либо отражается диффузно. Эти соотношения определяются свойствами вещества и длиной волны. Коэффициент отражения для некоторых неметаллов может быть всего 4%, в то время как для металлических материалов - более 80%. На рис. 11.7, а коэффициенты отражения для типичных веществ, при нормальном падении света показаны как функции длины волны, а на рис. 11.7, b - как функции угла падения. Обратите внимание, что при падении под скользящим углом () отражается весь падающий свет (коэффициент отражения 100%).

Объединяя эти результаты с формулой рассеянного света и диффузного отражения , получим модель освещения:

(11.4)

Функция  довольно сложна, поэтому ее обычно заменяют константой kS, которая либо выбирается из эстетических соображений, либо определяется экспериментально. Таким образом,

(11.5)

В машинной графике эта модель часто называется функцией закраски и применяется для расчета интенсивности или тона точек объекта или пикселов изображения. Чтобы получить цветное изображение, нужно найти функции закраски для каждого из трех основных цветов. Константа kS обычно одинакова для всех трех основных цветов, поскольку цвет зеркально отраженного света определяется цветом падающего.

Если имеется несколько источников света, то их эффекты суммируются. В этом случае модель освещения определяется как

(11.6)

где m - количество источников.

Применяя формулу скалярного произведения двух векторов, запишем

где  и  - единичные векторы соответственно нормали к поверхности и направления к источнику.

Точно так же

где  и  - единичные векторы, определяющие направления отраженного луча и наблюдения. Следовательно, модель освещения для одного источника определяется как

 <align="right">(11.7)

Рассмотрим эту простую модель на примере.

Пример 11.1. Простая модель освещения

Предположим, что на рис. 11.5 в точке Q поверхности векторы нормали, падающего света и наблюдения следующие:

Тогда вектор отражения R есть

Пусть на сцене находится только один объект, d=0K=1 и интенсивность источника будет в 10 раз больше, чем интенсивность рассеянного света, т. е. Ia=1, а It=10. Объект имеет блестящую металлическую поверхность, поэтому в основном свет будет отражаться зеркально. Пусть kS=0.8,ka=kS =0.15 и n=5. Заметим, что kS+kd =0.95, т. е. 5% энергии источника поглощается. Определяя элементы модели освещения, получаем

или

и

или

Окончательно

Вектор наблюдения почти совпадает с вектором отражения, поэтому в точке Q наблюдатель видит яркий блик. Однако при изменении положения наблюдателя, например, если

S = i + 1.5j - 0.5k

то

и

В этом случае

и яркость блика в точке Q значительно ослабевает.