Тема 14 Освітлення Види джерел світла. Моделі освітлення і затінення

 

1.      Моделі освітлення

Моделювання освітлення відіграє важливу роль в імітації реального навколишнього оточення з високим ступенем реалізму. На кожен об'єкт тривимірної сцени падає світло від сонця або іншого джерела освітлення. Цей процес і є деякою моделлю освітлення. Програмна реалізація всіх фізичних принципів освітлення досить складна, тому на практиці використовується безліч моделей освітлення, що дають реалістичний результат при малих розрахунках.

Найпростішою моделлю освітлення є рівномірне освітлення. Рівномірне освітлення забезпечує постійне початкове освітлення для всієї сцени. При цьому всі вершини об'єктів освітлені однаково, незалежно ні від яких інших факторів освітлення. Це напростіша і швидка у реалізації модель, яка дає, однак, найменш реалістичний результат.

Математично модель рівномірного освітлення описується формулою

де ka - інтенсивність освітлення; Ia - вихідний колір об'єкта.

Для підвищення реалістичності моделі освітлення необхідно обчислити бліковий і дифузний компоненти світла. Для цього визначають три вектори (рис. 14.1):

- Нормаль N до поверхні об'єкта;

- Видовий V - вектор, який спрямований на спостерігача;

- Позицію джерела світла L.

 

Рис. 14.1 Визначення бліковго і дифузного компонентів світла

 

У дифузійній моделі освітлення об'єкту залежить від положення джерела освітлення і від нормалі до поверхні об'єкту. Оскільки випромінювання світла однакове у всіх напрямках, видовий вектор не має значення, тобто V = 0. Обчислення проводяться для кожної вершини об'єкта, внаслідок чого дана модель забезпечує певне затінення об'єктів і надає їм об'єм. Світло падаючи, заповнює однаковим кольором не весь об'єкт (як у випадку з рівномірним освітленням), а створюється враження, що висвітлена та чи інша поверхня об'єкта.

Для розрахунку дифузійної моделі освітлення використовується формула

де kd - інтенсивність освітлення, Іd - вихідний колір об'єкта.

Інтенсивність освітлення залежить від кута а (рис. 14.2).

Рис. 14.2 Визначення інтенсивності освітлення в дифузійній моделі освітлення

 

Блікова модель освітлення Фонга характеризується наявністю відблисків, що істотно збільшують реалістичність зображення. Модель можна реалізувати, направивши джерело світла на гладку (відполіровану) поверхню об'єкта і подивившись на неї під певним кутом, що не перпендикулярним до поверхні. Виникаючі в результаті відблиски є відображенням джерела світла від поверхні. У бліковій моделі оисвітлення, крім векторів позиції джерела освітлення і нормалі (як у випадку з дифузною моделлю освітлення), використовуються ще два вектори: видовий вектор V і вектор відображення R (рис. 14.3).

Рис. 14.3. Визначення інтенсивності освітлення в бліковій моделі освітлення

Чим більший кут β між видовим вектором V і вектором відображення R, тим яскравіше блікове освітлення.

Блікова модель висвітлення обчислюється за такою формулою:

де  - інтенсивність освітлення;  - вихідний колір об'єкта, ; n - коефіцієнт яскравості світіння.

З ростом параметра n відображення стає все більш блікове і все більш концентрується уздовж напрямку вектора відображення R.

Комбінування компонентів освітлення. Тепер ми можемо скласти три моделі освітлення (постійне, дифузне і бликовое), щоб обчислити сумарну кількість світла, одержуваного оком:

Реалістичне освітлення на основі моделі Кука - Торренса. У найбільш наближених до реальних моделях освітлення основна увага приділяється розподілу енергії падаючого світла. Одна її частина поглинається матеріалом і перетворюється в тепло, інша частина розсіюється у вигляді дифузного світла, третя частина задає поверхні блікову освітленість. Відповідно для різних матеріалів поділ падаюного світла на три складових відбувається по-різному і залежить від наступних факторів:

- Функції розподілу нормалей;

- Затінення та екранування;

- Коефіцієнта Френеля.

Функція розподілу нормалей описує можливе відхилення нормалі до поверхні від ідеальної нормалі N. Чим ця функція більш полога, тим більші відхилення допустимі і тим більшої величини пляма відбитого відблиску. Необхідні нормалі розташовані вздовж вектора , видимі в напрямку V і знаходяться під кутом  до глядача.

У моделі Кука - Торренса враховуються і такі ефекти, як затінення і екранування, які визначають інтенсивність блікової складової (рис. 14.4).

Рис. 14.4 Ефекти затінення (зліва) та екранування (справа)

 

Коефіцієнт Френеля визначає частку відбитого світла

Формула Торренса і Сперроу об'єднує три складових реалістичної моделі освітлення для підрахунку кількості блікового світла:

Знаменник введений для регулювання інтенсивності світла. Загальна формула для розрахунку кількості світла в моделі Кука - Торренса:

2.     Джерела освітлення

У додатках комп'ютерної графіки реального часу, наприклад в комп'ютерних іграх, виділяють три основних види джерел світла:

·         Точкові джерела світла

·         Нескінченно видалені (спрямовані) джерела світла

·         Прожектори

Вони лише наближено описують свої аналоги у фізичному світі, тим не менш у поєднанні з якісними моделями затінення, наприклад затінюванням по Фонгу вони дозволяють створювати цілком реалістичні зображення.

Міжнародна комісія з освітлення в різний час стандартизувала джерела освітлення A, B, C, D і F. Ці джерела характеризуються колірною температурою і графіками розподілу енергії по спектру. Колірна температура, яка вимірюється в градусах Кельвіна, - це температура абсолютно чорного тіла, при якій воно випромінює світло з необхідними спектральними характеристиками. У сучасних системах тривимірного моделювання, як правило, емулюються наступні стандартні джерела випромінювання: A, C, D50, D55, D65, D75, F2, F7, F11 і F12.

Джерело освітлення A (рис. 14.5) було стандартизоване в 1931 році і моделює штучні джерела освітлення з колірною температурою 2856 K, до яких відносяться, наприклад, лампи розжарювання.

Рис. 14.5 Спектральна характеристика стандартного джерела A

 

Джерела освітлення B і С також були стандартизовані в 1931 році і моделюють денне світло. Стандартне джерело B з корелятивною колірною температурою близько 4870 K моделює денне освітлення розсіяним і прямим сонячним світлом. Джерело С (рис. 14.6) з колірною температурою 6770 K моделює усереднене денне освітлення. Істотним недоліком стандартних джерел освітлення B і С є значна розбіжність їх спектральних характеристик з реальним спектром денного освітлення в УФ зоні. Через це стандартні джерела B і С неможливо використовувати для оцінки флуоресцентних барвників. В даний час замість них застосовують стандартні джерела D.

Рис. 15.6 Спектральна характеристика стандартного джерела C

 

Джерела освітлення D були стандартизовані в 1964 році з метою більш точного моделювання сонячного освітлення, ніж це дозволяли зробити джерела C і B. У результаті усереднення вимірювань природного освітлення в різний час доби в різних погодних умовах і в різних широтах була визначена спектральна характеристика джерела освітлення D65, що має колірну температуру 6500 K. На основі цієї характеристики також були розраховані спектральні характеристики для стандартних джерел D з іншими колірними температурами. Крім D65, знайшли застосування стандартні джерела D50 (рис. 14.7), D55 і D75 з колірними температурами 5000, 5500 і 7500 К відповідно. Перші два мають в порівнянні з D65 жовтуватий відтінок, D75 - блакитнуватий.

Рис. 14.7 Спектральна характеристика стандартного джерела D50

Стандартні джерела випромінювання F застосовуються для моделювання люмінесцентних ламп c різними спектральними характеристиками. Емулюються стандартні джерела, що моделюють холодне біле світло (F2 - рис. 14.8), лампи денного світла з широким діапазоном (F7 - рис. 14.9) і лампи з вузьким діапазоном (F11 - рис. 14.10).

 

Рис. 14.8 Спектральна характеристика стандартного джерела F2

Рис. 14.9 Спектральна характеристика стандартного джерела F7

Рис. 14.10 Спектральна характеристика стандартного джерела F11

 

При виборі джерела освітлення не можна забувати про явище метамеризма - візуальної тотожності різних за своїм спектральним характеристикам фарбувальних речовин. Метамеризма може спостерігатися у випадках, коли джерело випромінює в одному або декількох діапазонах спектру менше світлової енергії, ніж її можуть відобразити освітлювані об'єкти. Два зразки виглядають однаково за кольором під одним джерелом освітлення і по-різному під іншим. Наприклад, об'єкти, які в білому світі мають чисті синій і зелений кольори, у червоному світлі будуть виглядати однаково сірими. Цей феномен є одним з окремих випадків метамеризма, явища, що показує зв'язок фізичних характеристик джерела освітлення і психофізіологічних властивостей людського зору.

Метамерні колірні стимули (metameric color stimuli) - це колірні стимули з однаковими колірними координатами, але з різними спектральними складами. Відповідна властивість називається метамеризма, а два метамерних колірних стимули метамерну парою. Поняття «метамерні колірні стимули» відноситься до психофізичних колірних термінів, які використовуються для точного визначення кольору і пояснення ряду колірних проблем. Колірної стимул також входить до числа цих термінів.

Для повного розуміння питання наведемо його визначення: колірний стимул-це промениста енергія з певними фізичними характеристиками, що проникає в око і викликає відчуття кольору. Метамерні стимули діляться на три групи:

1) створені різними випромінюваннями (самосветящиеся стимули), наприклад, денне світло і штучне джерело освітлення, його імітує;

2) створені різними об'єктами, освітленими одним випромінюванням (несамосветящіеся стимули), тобто два зразки з різним спектральним складом під одним джерелом виглядають однаково;

3) створені різними об'єктами і випромінюваннями (несамосветящіеся об'єкти), тобто два зразки з різним спектральним складом під різними джерелами освітлення виглядають однаково.

Ступінь метамерності показує, наскільки сильно будуть відрізнятися метамерні зразки при зміні джерела освітлення. Кількісним виразом є індекс метамеризма відстань між колірними координатами метамерну пари при заміні джерела освітлення. Таким чином, метамеризма показує зміну ступеня відповідності один одному двох і більше зразків при зміні джерела освітлення