В этой части мы обсудим некоторые из основополагающих принципов, которые можно применить при выводе графики на экран.
1.3.1 Закон обратной пропорциональности квадрату расстояния (яркость)
Как определить яркость света? Представим, что у нас есть идеальный источник света. Такой источник не имеет объема и размеров, а существует в виде точки в пространстве. Его можно включить и выключить, и это переключение происходит мгновенно, без потерь времени на переходные процессы. Это как раз тот источник света, с которым возможно работать внутри виртуального мира компьютера. В реальном мире такие источники невозможны. Заметим, что и реальные источники, в свою очередь, очень сложно создать в виртуальном мире.
Включим идеальный источник на очень короткое время, короткое настолько, насколько можно себе представить. В этот момент свет начинает распространяться в разные стороны от источника, образуя сферу. Рассмотрим небольшой фрагмент этой сферы.
По мере того, как лучи света все больше и больше удаляются от источника, размер сферы растет, соответственно, растет и размер исследуемого нами фрагмента. Яркость этого фрагмента прямо пропорциональна плотности содержащихся в нем фотонов.
Разумеется, если размер фрагмента растет, а количество фотонов остается неизменным, то плотность фотонов в нем уменьшается.
Площадь поверхности сферы прямо пропорциональна квадрату ее радиуса. Таким образом, яркость маленького фрагмента будет обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света. Brightness = К
r^2
где:
• Brightness - величина, определяющая яркость (интенсивность) света в точке отстоящей от источника света на расстоянии r;
• К - некоторая константа, определяющая яркость (интенсивность) самого источника
света.
Это и есть закон обратной пропорциональности квадрату расстояния. Этот закон применим ко всем источникам света, кроме лазеров.
1.3.2 Закон косинуса (освещенность)
Какова освещенность поверхности? После того, как свет покинул источник, он может взаимодействовать с окружающими предметами. Рассмотрим взаимодействие света с поверхностью непрозрачного предмета. Здесь очень важно знать, как много света будет в любой точке на поверхности этого объекта.
Когда поверхность целиком обращена к свету - максимальное количество света достигает ее. Вся поверхность освещена.
Когда поверхность расположена под некоторым углом к падающему на нее свету, площадь сечения, обращенного к свету, становится меньше. Что выражается в меньшем количестве световой энергии, воздействующей на поверхность.
Когда вектор нормали к плоскости поверхности находится под прямым углом к падающему свету, то свет просто-напросто проходит мимо поверхности, и она совсем не освещается. Таким образом, количество световой энергии, воздействующей на поверхность, есть функция от ориентации поверхности по отношению к воздействующим лучам света.
Illumination =cos(а) *Brightness ;
где:
· Illumiпation - освещенность поверхности;
· а - угол между нормалью к поверхности и направлением света;
· Brightness - яркость (интенсивность) света.
В зависимости от формы, структуры и материала объекта, свет может быть поглощен его поверхностью, отражен или пропущен сквозь объект.
Поглощение. Некоторое количество света может быть поглоцХёно поверхностью. В этом случае происходит обычный нагрев поверхности. Поскольку разговор идет о компьютерных изображениях, то чаще всего это явление можно игнорировать (учитывая, конечно, ослабление отраженного светового потока).
Отражение. Большая часть света будет отражена от поверхности. Направление отраженного света в значительной степени зависит от фактуры поверхности.
Если поверхность совершенно гладкая (абсолютно блестящая), свет отразится от поверхности под точно таким же углом к нормали, под каким углом он к ней пришел. При этом нормаль будет биссектрисой угла между направлением прихода луча и направлением его отражения. Это явление можно наблюдать на зеркальных или полированных металлических поверхностях. Можно заметить яркое отражение от поверхности, только смотря на нее под определенным углом.
Если поверхность матовая (абсолютно рассеивающая), то отраженный свет будет
распространяться во многих направлениях. При этом ни в коем случае не утверждается, что в
природе существуют абсолютно рассеивающие поверхности. Грубо обработанное дерево прекрасно рассеивает свет, как и матовая краска, но оба материала все же имеют некоторый (ненулевой) блеск (shininess). Наиболее яркое отражение от этих поверхностей будет заметно под разными углами зрения.
Большинство природных и искусственных материалов находятся где-то посередине между этими двумя крайностями. Они одновременно обладают свойствами блеска (shininess) и рассеивания (diffuse). Чтобы заметить рассеянный свет от поверхности, положение глаз не имеет значения, для того, чтобы заметить отблеск, угол зрения должен быть строго определенным.
Преломление. Когда свет проходит сквозь поверхность, он проходит из одной среды в другую. В момент прохода через границу сред возникающие квантовые эффекты заставляют свет изменить свое направление. Такое изменение направления движения света называется преломлением (refraction). Точное значение величины угла изменения направления зависит от взаиморасположения поверхностей сред и свойства среды под названием коэффициент преломления. Пустота (вакуум) имеет коэффициент, равный единице. У воздуха этот коэффициент чуть ниже. Более твердые материалы и среды имеют более низкие коэффициенты преломления.
Преломление - очень сложное явление, требует больших вычислительных мощностей при его моделировании.
После взаимодействия с поверхностью, если, конечно, он не был поглощен, свет продолжает свой путь и продолжает взаимодействовать с другими предметами. Единичный фотон будет продолжать отражаться от многих и многих поверхностей, пока окончательно не растратит свою энергию. Эти многочисленные итерации сложно моделировать, да и займут они колоссальное время на визуализацию.
