Лекция 11 Осветление и светлина
Светлинната енергия, падаща върху повърхността, може да бъде погълната, отразена или предадена. Той се абсорбира частично и се превръща в топлина, а частично се отразява или предава. Обект може да се види само ако отразява или пропуска светлина; ако обектът абсорбира цялата падаща светлина, тогава той е невидим и се нарича абсолютно черно тяло. Количеството погълната, отразена или предадена енергия зависи от дължината на вълната на светлината. Когато се осветява с бяла светлина, при която интензивността на всички дължини на вълните е намалена приблизително еднакво, обектът изглежда сив. Ако почти цялата светлина се абсорбира, тогава обектът изглежда черен и ако само малка част от него е бяла. Ако се абсорбират само определени дължини на вълните, тогава енергийното разпределение на светлината, излъчвана от обекта, се променя и обектът изглежда оцветен. Цветът на обекта се определя от погълнатите дължини на вълната.
Свойствата на отразената светлина зависят от структурата, посоката и формата на светлинния източник, от ориентацията и свойствата на повърхността. Светлината, отразена от обект, също може да бъде дифузна или огледална. Дифузно отражение на светлината възниква, когато светлината изглежда прониква под повърхността на обект, поглъща се и след това се излъчва отново. В този случай положението на наблюдателя няма значение, тъй като дифузно отразената светлина се разпръсква равномерно във всички посоки. Огледално отражение възниква от външната повърхност на обекта.
Светлината на точковия източник се отразява от идеален дифузьор съгласно косинусовия закон на Ламбер: интензивността на отразената светлина е пропорционална на косинуса на ъгъла между посоката на светлината и нормалата към повърхността, т.е.
Където Аз - отразена интензивност на светлината, То - интензивност на точков източник, kd - дифузно отражение (), - ъгълът между посоката на светлината и нормалата към повърхността (фиг. 11.4). Ако , тогава светлинният източник се намира зад обекта. Дифузно отражение kd зависи от материала и дължината на вълната на светлината, но в простите модели на осветление обикновено се счита за постоянна.
Фигура: 11.4. Дифузно отражение.
Повърхността на обектите, изобразени с обикновен модел на дифузно отразяващо осветление на Ламбърт, изглежда избледняла и скучна. Предполага се, че източникът е точков източник, така че обектите, които не са засегнати от пряка светлина, изглеждат черни. Обектите в реални сцени обаче също са обект на дифузна светлина, отразена от околната среда, например от стените на помещението. Дифузната светлина съответства на разпределен източник. Тъй като изчисляването на такива източници изисква големи изчислителни разходи, в компютърната графика те се заменят с коефициент на разсейване - константа, която се появява във формулата в линейна комбинация с термина Ламбер:
(11.1)
Където Иа - разсеяна интензивност на светлината, ка - дифузно отражение на разсеяната светлина ().
Нека бъдат дадени два обекта, еднакво ориентирани спрямо източника, но разположени на различно разстояние от него. Ако намерите интензивността им според тази формула, тогава тя ще бъде същата. Това означава, че когато обектите се припокриват, те не могат да бъдат разграничени, въпреки че интензивността на светлината е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието от източника, а обектът, който лежи по-далеч от него, трябва да е по-тъмен. Ако приемем, че светлинният източник е в безкрайност, тогава дифузният срок на модела на осветление ще изчезне. В случай на перспективна трансформация на сцената, разстоянието може да се приеме като коефициент на пропорционалност за дифузния член д от центъра на проекцията към обекта. Но ако центърът на проекцията лежи близо до обекта, тогава 1/d 2 се променя много бързо, т.е. за обекти, разположени приблизително на еднакво разстояние от източника, разликата в интензивността е прекалено голяма. Опитът показва, че повече реализъм може да се постигне с линейно затихване. В този случай моделът на осветление изглежда така:
(11.2)
Където К - произволна константа.
Ако се приеме, че точката на наблюдение е в безкрайност, тогава д се определя от позицията на обекта най-близо до точката на наблюдение. Това означава, че най-близкият обект се осветява с пълната интензивност на източника, а по-отдалечените - с намален. За цветни повърхности моделът на осветление се прилага към всеки от трите основни цвята.