3.3 Освітлення і світло. Проста модель освітлення. Дифузійне відбиття

Освітлення і світло

Візуальне сприйняття об'єктів навколишньої дійсності являє собою складний процес.

У попередніх розділах розглядалися особливості сприйняття світла і кольору оком людини. Додамо деякі моменти.

Око людини адаптується до середньої яскравості сцени, тому при зміні фону змінюється сприйняття. Наприклад, однорідно зафарбована область на більш темному тлі буде здаватися більш яскравою і більшою за величиною, ніж на світлому.

Ще одна особливість полягає в тому, що межа рівномірно освітленої області здається більш яскравою, ніж усередині. Це явище називається ефектом смуг Маха. Всі ці особливості враховуються при створенні реалістичних зображень сцен (рис. 3.12).

Проста модель освітлення

Світлова енергія, що падає на поверхню, може бути поглинена, відбита або пропущена. Об'єкт можна побачити, тільки якщо світло випромінюється поверхнею предмета, відбивається від поверхні, або поверхня предмета пропускає світло. Якщо ж об'єкт поглинає все падаюче світло, то він є невидимим і називається абсолютно чорним тілом. Якщо об'єкт відображає все падаюче світло, то він називається ідеальною поверхнею, що відбиває (дзеркалом). Кількість поглиненої, відбитої або пропущеної енергії залежить від довжини хвилі світла.

При висвітленні білим світлом, якщо поглинається майже все світло, то об'єкт здається чорним, а якщо тільки невелика його частина – білим. Якщо поглинаються лише певні довжини хвиль, то у світла, що виходить від об'єкта, змінюється розподіл енергії, і об'єкт виглядає кольоровим. Колір об'єкта визначається довжинами хвиль, що поглинаються.

Властивості відбитого світла залежать від будови, напряму і форми джерела світла, від орієнтації і властивостей освітлюваної поверхні. Відбите від об'єкта світло може бути дифузним або дзеркальним.

Перший тип виникає в ситуаціях, коли світло як би проникає під поверхню об'єкта і поглинається, а потім рівномірно випромінюється у всіх напрямках. Поверхня в цьому випадку розглядається як ідеальний розсіювач.

При цьому виникає ефект матового світла і видима освітленість тієї чи іншої області поверхні не залежить від позиції спостерігача.

Дзеркальне відображення, навпаки, походить від зовнішньої поверхні, інтенсивність його неоднорідна, тому видимий максимум освітленості залежить від положення очей спостерігача (рис. 3.13)

Дифузне відбиття

Дифузне відбиття світла відбувається, коли світло як би проникає під поверхню об'єкта, поглинається, а потім знову випромінюється. При цьому положення спостерігача не має значення, так як дифузне відбите світло розсіюється рівномірно по всіх напрямках.

Світло точкового джерела відбивається від ідеального розсіювача за законом косинусів Ламберта (Генріх Йоган Ламберт): інтенсивність відбитого світла пропорційна косинусу кута між напрямком світла і нормаллю до поверхні, тобто

Поверхня предметів, зображених за допомогою моделі освітлення з Ламбертовим дифузним відображенням, виглядає блідою і матовою.

Передбачається, що джерело точкове, тому об'єкти, на які не падає пряме світло, здаються чорними. Однак на об'єкти реальних сцен падає ще й розсіяне світло, відбите від навколишнього оточення, наприклад, від стін кімнати.

Розсіяному світлу відповідає розподілене джерело. Оскільки для розрахунку таких джерел потрібні великі обчислювальні витрати, в машинній графіці вони замінюються на коефіцієнт розсіювання – константу, яка входить у формулу в лінійній комбінації з членом Ламберта:

Нехай дано два об'єкти, однаково орієнтовані щодо джерела, але розташовані на різній відстані від нього. Якщо знайти їх інтенсивність по даній формулі, то вона виявиться однаковою. Це призводить до того, що, в разі перекриття предметів, їх неможливо розрізнити.

Інтенсивність світла обернено пропорційна квадрату відстані від джерела, отже, об'єкт, що лежить далі від нього, повинен бути темнішим.

У разі перспективного перетворення сцени в якості коефіцієнта пропорційності можна взяти відстань від центру проекції до об'єкта. Якщо відстань до джерела світла d досить велика, то зображення буде досить адекватним.

Але якщо центр проекції лежить близько до об'єкта, то значення 1/d2 змінюється дуже швидко, тобто у об'єктів, що лежать приблизно на однаковій відстані від джерела, різниця інтенсивності надмірно велика.

У цьому випадку більшої реалістичності можна домогтися при використанні лінійного загасання. У цьому випадку модель освітлення виглядає так: 

Якщо передбачається, що точка спостереження знаходиться в нескінченності, тобто при паралельному проектуванні, то значення d визначається як відстань до об'єкта, найбільш близького до спостерігача. Це означає, що найближчі об'єкти висвітлюються з повною інтенсивністю джерела, а більш далекі об'єкти – із зменшеною. Для кольорових поверхонь модель освітлення застосовується до кожного з трьох основних кольорів.