А тепер представимо, що ми включили джерело на дуже короткий час, коротке настільки, наскільки можна собі представити. У цей момент світло починає поширюватися в різні сторони від джерела, утворити сферу. Представимо, що ми розглядаємо невеликий фрагмент цієї сфери.
Умірутого, якпроменісвітлаусебільшеібільшевіддаляютьсявідджерела, розмірсфериросте, відповідно, ростеірозмірдосліджуваногонамифрагмента. Яскравість цього фрагмента прямо пропорційна щільності фотонів, що містяться в ньому.
Зрозуміло, якщо розмір фрагмента росте, а кількість фотонів залишається незмінним, то щільність фотонів у ньому зменшується.
де:
Це і є закон зворотної пропорційності квадрату відстані. Цей закон застосуємо до всіх джерел світла, крім лазерів.
Яка освітленість поверхні?
Тепер, після того, як світло залишило джерело, воно може взаємодіяти і навколишніми предметами. Зараз ми обговоримо теорію взаємодії світла з поверхнею непрозорого предмета. Тут дуже важливо знати, як багато світла
Коли поверхня цілком звернена до світла - максимальна кількість світла досягає її. Уся поверхня освітлена.
Коли поверхня розташована під деяким кутом до падаючого на неї світла,
Коли вектор нормалі до площини поверхні знаходиться під прямим кутом до падаючого світлу, то світло просто-напросто проходить повз поверхню, і вона зовсім не висвітлюється.
Таким чином, кількість світлової енергії, що впливає на поверхню, є функція від орієнтації поверхні стосовно променів світла, що впливають.
Illumination= cos(a) * brightness ;
де:
Світло може бути поглинений поверхнею, відбитий чи пропущений крізь неї.
Поглинання
Деяка кількість світла може бути поглинено поверхнею. У цьому випадку відбувається звичайне нагрівання поверхні. Остільки, оскільки ми говоримо тільки про комп'ютерні зображення, те найчастіше ми можемо просто ігнорувати це явище.
Відображення
Велика частина світла "відскочить" від поверхні. Напрямок відбитого світла до деякої міри залежить від самої поверхні.
Якщо поверхня зовсім гладка (абсолютно блискуча), світло відіб'ється від поверхні під точно таким же кутом до нормалі, під яким кутом він до неї прийшов. При цьому нормаль буде бісектрисою кута між напрямком приходу лучачи і напрямком його відображення. Це явище можна спостерігати на дзеркальній чи полірованій металевій поверхнях. Ми зможемо помітити яскраве відображення від поверхні, тільки дивлячись на неї під визначеним кутом[3].
Якщо поверхня шорстка (абсолютно розсіює), то відбите світло буде поширюватися в багатьох напрямках. Тут ні в якому разі не затверджується, що в природі існують абсолютно розсіюють поверхні. Грубо оброблене дерево прекрасне розсіює світло, як і матова фарба, але обидва матеріали все-таки мають якийсь (ненульовий) блиск (shininess). Найбільш яскраве відображення від цих поверхонь буде помітно під різними кутами зору.
Більшість природних і штучних матеріалів знаходяться десь посередньо між цими двома крайностями. Вони одночасно мають властивості блиску (shininess) і розсіювання (diffuse). Щоб помітити розсіяної світло від поверхні, положення ваших очей не має значення, для того, щоб помітити відблиск, кут зору повинний бути строго визначеним.
Переломлення
Коли світло проходить крізь поверхню, він проходить з одного середовища в іншу. У момент проходу через границю середовищ виникаючі квантові ефекти змушують світло змінити свій напрямок. Така зміна напряму руху світла називається переломленням (refraction). Точне значення величини кута зміни напрямку залежить від взаєморозташування поверхонь середовищ і властивості середовища за назвою коефіцієнт переломлення. Порожнеча (вакуум) має коефіцієнт, дорівнює одиниці. У повітря цей коефіцієнт трохи нижче. Більш тверді матеріали і середовища мають більш низькі коефіцієнти переломлення [4].
Переломлення - дуже складне явище, вимагає великих обчислювальних потужностей при його моделюванні. Для виводу на екран у реальному часі більш придатним є застосування технології ray tracing. Ми не будемо тут поглиблюватися в подробиці, усьому свій час :)
Після взаємодії з поверхнею, якщо, звичайно, він не був поглинений, світло продовжує свій шлях і продовжує взаємодіяти з іншими предметами. Одиничний фотон буде продовжувати відбиватися від багатьох і багатьох поверхонь, поки остаточно не розтратить свою енергію. Ці численні ітерації складно моделювати, та й займуть вони колосальний час на візуалізацію. Роблячи рендеринг графіки в реальному часі, думають, що світло взаємодіє з поверхнею один раз.
До дійсного моменту ми говорили про однорідний світловий потік. Фактично, він і є однорідний, але може виявляти себе в нескінченній безлічі різних варіацій.
Світловий спектр
Тому що світло є ще і хвилею, то, зрозуміло, він має довжину хвилі. Довжин хвиль нескінченна безліч, але наше око в стані реєструвати тільки їхній невеликий діапазон, відомий за назвою видимої частини спектра. Узагалі ж, довжини хвиль можуть бути від надкоротких (мільйонні частки міліметра) до наддовгих (кілометри).
Триколірна модель (RGB Model)
Людське око в стані реєструвати три основних колірних смуги в діапазоні хвиль від 400 нм (нанометрів) до 680 нм. Ми звикли ототожнювати їх з назвами наступних квітів: червоний (R), зелений(G) і синій(B). (Забудьте, якщо ви чули від художників, що існує три основних кольори, - червоний, жовтий, синій. Такий підхід актуальний тільки для барвників). Причина в наявності тільки трьох основних квітів криється не тільки в "підступ" фізиків, але й у хімічному складі органічної матерії сітківки ока, здатному реагувати тільки на визначені довжини хвиль, що відповідають цим квітам. Весь не основний кольори, такі, як жовтий чи рожевий - це просто комбінації основних квітів.[4]
Саме ці кольори використовуються в телебаченні і виводу зображень на екран монітора. Ці три кольори дають можливість відтворити більшість квітів, що ви можете бачити. Ще раз повторимося - більшість, але не усі. Кольору, вироблені монітором, не є абсолютно чистими, тому і усі вироблені ними відтінки не можуть бути відтворені з точністю.
Більш того, яркісний діапазон моніторів сильно обмежений. Людське око в стані розрізняти набагато більше градацій яскравості. Максимальна яскравість монітора навряд чи відповідає і половині максимальної яскравості, що наше око здатне розрізнити. Це часто може привести до складностей при відображенні сцен з реального світу, що містять широкі варіації яскравості. Наприклад, фотографія пейзажу з фрагментом неба і ділянками землі,щознаходяться в повній тіні.
При моделюванні світла на комп'ютері всі три кольори обробляються окремо, за винятком яких-небудь нестандартних ситуацій, коли кольору не впливають один на одного. Іноді повнокольорові зображення одержують шляхом послідовного прорахунку червоного, зеленого і синього зображень і їх подальшим комбінуванням.
Звичайно комп'ютери оперують зі світлом у виді величин, що визначають кількість складових в ньому червоного, зеленого і синього кольорів. Наприклад, білий - це рівна кількість усіх трьох, Жовтий - рівна кількість червоного і зеленого і повна відсутність синього. Усі колірні відтінки можна візуально представити у виді куба, де по осях координат будуть відкладені відповідні величини трьох вихідних квітів. Це і є триколірна світлова модель (RGB Model).
Однак є ще цілий ряд колірних моделей світла, що можуть бути навіть більш зрозумілі для деяких людей. От, наприклад, модель HSV (від англійських: -Hue - відтінок, Saturation - насиченість, Value - кількість). Снову ми бачимо три значення, виходить, усі можливі колірні відтінки можна знову укласти усередину куба.
Ця модель також іноді відома як HSL, де L - luminance, слово інше, а суть та ж.
Hue: Колір, колірний відтінок
Saturation: Колірнанасиченість. Еквівалент відповідного органу керування на багатьох телевізорах і моніторах.
Value: Інтенсивність. Нуль - значить чорний, більш високі значення характеризують більш яскраві значення.
Використання світла на практиці
Допущення і спрощення
Як було сказано раніше, конкретний варіант моделювання світла залежить від вимог до додатка, що ви створюєте. Існує цілий ряд допущень, які можна застосувати для того, щоб збільшити швидкість прорахунку і виводу на екран.
Крапкові джерела світла
Для спрощення математичних розрахунків джерела світла звичайно розглядають у виді крапки в просторі. У переважній більшості випадків це буде не занадто далеко від реальності. Лампочки і ліхтарі на вулицях дуже малі в порівнянні з об'єктами, що вони висвітлюють. Проблема виникає тоді, коли ви хочете зобразити сцену з джерелом світла у виді довгої люмінесцентної чи лампи сцену, рівномірно освітлювану природним небесним висвітленням. У цьому випадку вам доведеться застосувати групу у виді декількох, більш слабких джерел - для того, щоб вони могли імітувати один великий.