Рендеринг

Лекция 7

Рендеринг

О природе света и цвета

Свет как физическое явление представляет собой поток электромагнитных волн различной длины и амплитуды. Глаз человека, будучи сложной оптической системой, воспринимает эти волны в диапазоне длин приблизительно от 350 до 780 нм. Свет воспринимается либо непосредственно от источника, например, от осветительных приборов, либо как отраженный от поверхностей объектов или преломленный при прохождении сквозь прозрачные и полупрозрачные объекты. Цвет - это характеристика восприятия глазом электромагнитных волн разной длины, поскольку именно длина волны определяет для глаза видимый цвет. Амплитуда, определяющая энергию волны (пропорциональную квадрату амплитуды), отвечает за яркость цвета. Таким образом, само понятие цвета является особенностью человеческого "видения" окружающей среды.

Нрис. 2.1 схематически изображен глаз человека. Фоторецепторы, расположенные на поверхности сетчатки, играют роль приемников света. Хрусталик - это своеобразная линза, формирующая изображение, а радужная оболочка исполняет роль диафрагмы, регулируя количество света, пропускаемого внутрь глаза. Чувствительные клетки глаза неодинаково реагируют на волны различной длины. Интенсивность света есть мера энергии света, воздействующего на глаз, а яркость - это мера восприятия глазом этого воздействия. 

Визуальное восприятие объектов окружающей действительности представляет собой сложный процесс, имеющий как физические, так и психологические аспекты.  К тому, что уже было сказано о спектральной чувствительности глаза, надо добавить еще несколько моментов.

Глаз адаптируется к средней яркости рассматриваемой сцены, поэтому при смене фона изменяется восприятие сцены. Например, однородно окрашенная область на более темном фоне будет казаться более яркой, чем на светлом. Кроме того, она будет восприниматься как более обширная (слайд 2)

Еще одна особенность восприятия заключается в том, что граница равномерно освещенной области кажется более яркой по сравнению с внутренними частями. Это явление было обнаружено Эрнстом Махом, поэтому оно получило название эффекта полос Маха. Такие особенности необходимо учитывать, если мы стремимся к созданию реалистических изображений сцен.

При формировании изображения сцен, содержащих зеркальные и полупрозрачные поверхности, следует использовать законы геометрической оптики, преломляющие свойства материалов, эффекты смешения цветов и т.д.

2 Цвет объектов

Пора поговорить о том, как так получается, что окружающие нас предметы принимают свой цвет, и почему он меняется при различном освещении этих предметов.Объект можно увидеть, только если он отражает или пропускает свет. Если же объект почти полностью поглощает падающий свет, то объект принимает черный цвет. А когда объект отражает почти весь падающий свет, он принимает белый цвет. Таким образом, можно сразу сделать вывод о том, что цвет объекта будет определяться количеством поглощенного и отраженного света, которым этот объект освещается. Способность отражать и поглощать свет определятся молекулярной структурой вещества, иначе говоря — физическими свойствами объекта. Цвет предмета «не заложен в нем от природы»! От природы в нем заложены физические свойства: отражать и поглощать. Цвет объекта и цвет источника излучения неразрывно связаны между собой, и эта взаимосвязь описывается тремя условиями.— Первое условие: Цвет объект может принимать только при наличии источника освещения. Если нет света, не будет и цвета! Красная краска в банке будет выглядит черной. В темной комнате мы не видим и не различаем цветов, потому что их нет. Будет черный цвет всего окружающего пространства и находящихся в нем предметов.— Второе условие: Цвет объекта зависит от цвета источника освещения. Если источник освещения красный светодиод, то все освещаемые этим светом объекты будут иметь только красные, черные и серые цвета.— И наконец, Третье условие: Цвет объекта зависит от молекулярной структуры вещества, из которого состоит объект.

3 Типы источников света

То́чечный исто́чник све́та — источник, излучающий свет по всем направлениям равномерно и размерами которого по сравнению с расстоянием, на котором оценивается его действие, можно пренебречь.

Прожектор (фр. projecteur, от латинского projectus «брошенный вперёд») — световой прибор, перераспределяющий свет лампы (ламп) внутри малых телесных углов и обеспечивающий угловую концентрацию светового потока. В прожекторе световой поток лампы концентрируется в ограниченном пространственном угле с помощью зеркальной или зеркально-линзовой оптической системы.

Прожектор состоит из источника света (лампы, дающей ненаправленный, или направленный под широким углом свет) и рефлектора и/или линзы, концентрирующих свет в нужном направлении. В качестве рефлектора обычно используется параболическое, либо гиперболическое (в случае использования совместно с линзой) зеркало. В качестве линзы обычно используется линза Френеля, что позволяет достичь меньших габаритов и массы, чем при использовании обычных линз. Прожекторы, предназначенные для освещения открытых пространств, требуют обязательной защиты от пыли и влаги.

Для освещения железнодорожных и автомобильных развязок, перронов аэровокзалов, морских портов, бассейнов, футбольных полей используются металлогалогенные прожекторы.

Различия прожекторов

дальнего действия (используются в военном деле), подающие круглые, чуть вытянутые, в форме конуса, световые пучки света, вырабатываемые стеклянными параболоидными отражателями диаметром до 3 м.

заливающего света (для освещения зданий, стадионов, сцен и пр.)

сигнальные (для передачи информации).

акцентные (для акцентного освещения различных объектов)

Виды прожеторов

По типу ламп:

Светодиодный

Металлогалогенный

Ксеноновый

Ртутный

Плазменный

По применению

Театральный

Промышленный

Бесконечно удаленные источники света

Свойства освещения

Световая энергия может:

излучаться поверхностью

отражаться от поверхности

проходить сквозь поверхность

Яркость (или интенсивность) освещения зависит от энергии светового потока, которая обуславливается:

мощностью источника света

отражающими и пропускающими свойствами объекта

Взаимодействие света и поверхности

Можно выделить три основных типа характера взаимодействия света и материала поверхности:

диффузное отражение;

зеркальное отражение;

преломление.

В классической электродинамике, свет рассматривается как электромагнитная волна, которая описывается уравнениями Максвелла. Световые волны, падающие на диэлектрик вызывают малые колебания диэлектрической поляризации в отдельных атомах, в результате чего каждая частица излучает вторичные волны во всех направлениях (как антенна-диполь). Все эти волны складываются и в соответствии с принципом Гюйгенса — Френеля дают зеркальное отражение и преломление. При попадании электромагнитной волны на проводящую поверхность возникают колебания электронов (электрический ток), электромагнитное поле которого стремится компенсировать это воздействие, что приводит к практически полному отражению света.

В зависимости от резонансной частоты колебательных контуров в молекулярной структуре вещества при отражении излучается волна определённой частоты (определённого цвета). Так предметы приобретают цвет. Хотя цвет объекта определяется не только свойствами отражённого света

Диффузное отражение — это такое отражение луча света, исходящего от источника, при которомпадающий луч отражается под несколькими углами, а не под одним, как в случае с зеркальным отражением.Диффузным отражение становится в том случае, если неровности поверхности имеют порядок длины волны(или превышают её) и расположены беспорядочно[2]. В случае смешанного отражения света часть излученияотражается зеркально, а часть — диффузно. Одна и та же поверхность может быть матовой, диффузно-отражающей для видимого или ультрафиолетового излучения, но гладкой и зеркально-отражающей дляинфракрасного излучения.

Свойства диффузно отражённого света зависят от условий освещения, оптич. свойств рассеивающего вещества и микрорельефа отражающей поверхности (см. Отражение света) . Идеально рассеивающая поверхность имеет яркость во всех направлениях одинаковую, не зависящую от условий освещения. Для оценок светорассеивающих характеристик реальных объектов вводится коэф. Д. о. , к-рый определяется как отношение светового потока, отражённого от данной поверхности, к потоку, отражённому идеальным рассеивателем. Спектральный состав, коэф. Д. о. и индикатриса яркости Д. о. света реальных объектов зависят от обеих форм рассеяния - поверхностного и объёмного.

СЛАЙД 9

Свет точечного источника отражается от поверхности рассеивателя по закону Ламберта: интенсивность отражения пропорциональна косинусу угла между внешней нормалью к поверхности и направлением к источнику света

Если IS - интенсивность источника света, φ - угол между вектором внешней нормали к поверхности и направлением к источнику света, то интенсивность отраженного света определяется формулой

I=IScosφ при 0≤φ≤π/20 в противном случае

При таком расчете интенсивности получится очень контрастная картина, т.к. участки поверхности, на которые лучи от источника не попадают напрямую, останутся абсолютно черными.

Интенсивность света I — это мощность источника света (лампочки) , отнесенная к единичной площади (размерность — Вт/м2).

СЛАЙД 10

Для повышения реалистичности необходимо учитывать рассеивание света в окружающем пространстве. Поэтому вводится фоновая освещенность, зависящая от интенсивности рассеянного света IF , и интенсивность отраженного света определяется выражением

I=IFkF+kSIScosφ при 0≤φ≤π/2IFkF в противном случае

 

где kS- коэффициент диффузного отражения рассеянного света, kF - коэффициент диффузного отражения падающего света, 0≤kS≤1, 0≤kF≤1.

В локальной модели освещенности считается, что фоновое освещение задает цвет (и его интенсивность) объекта в отсутствии явных источников света или в тени. 

Для получения перспективного изображения необходимо включить затухание интенсивности света с расстоянием.

В этом случае интенсивность отраженного света от непосредственно освещенных участков поверхности будет задаваться формулой

I=IFkF+kSIScosφd+C

 

где d - расстояние до центра проекции, а C - произвольная постоянная.

Зеркальное отражение –

направленное (или регулярное) отражение светового луча от гладкой плоской поверхности, при к-ромвыполняются осн. законы отражения света.

Свойства зеркального отражения:

Зеркальное отражение является направленным

Идеальное зеркало отражает лучи по принципу "отраженный и падающий лучи лежат в одной плоскости, причем угол падения равен углу отражения"

Если поверхность не идеально зеркальная, то лучи отражаются в различных направлениях, но с разной интенсивностью, а функция изменения интенсивности имеет четко выраженный максимум

Поскольку физические свойства зеркального отражения довольно сложны, то в компьютерной графике используется эмпирическая модель Фонга

Модель отражения Фонга является довольно популярной и широкоиспользуемой в компьютерной графике, несмотря на то, что существуют более точные физические модели. Она была предложена в статье Ву Тонг Фонга ( HYPERLINK "http://en.wikipedia.org/wiki/Bui_Tuong_Phong" Bui Tuong Phong) в 1975 году.

Пусть заданы точечный источник света, расположенный в некоторой точке, поверхность, которая будет освещаться и наблюдатель. Будем считать, что наблюдатель точечный. Каждая точка поверхности имеет свои координаты и в ней определена нормаль к поверхности. Её освещенность складывается из трех компонент: фоновое освещение (ambient), рассеянный свет (diffuse) и бликовая составляющая (specular). Свойства источника определяют мощность излучения для каждой из этих компонент, а свойства материала поверхности определяют её способность воспринимать каждый вид освещения.

+

+

=

Фоновая составляющая

 

Рассеянная составляющая

 

Зеркальная составляющая

 

Суммарное освещение

Для удобства все векторы, описанные ниже, берутся единичными. В этом случае косинус угла между ними совпадает со скалярным произведением.

1.   Фоновое освещение это постоянная в каждой точке величина надбавки к освещению. Вычисляется фоновая составляющая освещения как:

, где

 - фоновая составляющая освещенности в точке,

 – свойство материала воспринимать фоновое освещение,

 – мощность фонового освещения. 

Из формулы выше видно, что фоновая составляющая освещенности не зависит от пространственных координат освещаемой точки и источника. Поэтому при моделировании освещения, в большинстве случае, не имеет смысла брать более одного фонового источника света. Часто просто задается некое глобальное фоновое освещение всей сцены.

2.    Рассеянный свет при попадании на поверхность рассеивается равномерно во все стороны. При расчете такого освещения учитывается только ориентация поверхности (нормаль) и направление на источник света. Рассеянная составляющая рассчитывается по закону косинусов (закон Ламберта):

, где

 – рассеянная составляющая освещенности в точке,

 – свойство материала воспринимать рассеянное освещение,

 – мощность рассеянного освещения,

 – направление из точки на источник,

 - вектор нормали в точке.

3.   Зеркальный свет при попадании на поверхность подчиняется следующему закону: “Падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части”. Т.о. отраженная составляющая освещенности в точке зависит от того, насколько близки направления на наблюдателя и отраженного луча. Это можно выразить следующей формулой:

Прим. В общем случае вектора ,  и  не лежат в одной плоскости.

 , где

 – зеркальная составляющая освещенности в точке,

 – коэффициент зеркального отражения,

 – мощность зеркального освещения,

 – направление отраженного луча,

 - направление на наблюдателя,

 - коэффициент блеска, свойство материала.

Именно зеркальное отражение представляет наибольший интерес, но в то же время его расчет требует больших вычислительных затрат. При фиксированном положении поверхности относительно источников света фоновая и рассеянные составляющие освещения могут быть просчитаны единожды для всей сцены, т.к. их значение не зависит от направления взгляда. С зеркальной составляющей этот фокус не сработает и придется пересчитывать её каждый раз, когда взгляд меняет свое направление.

Во всех вычислениях выше, для рассеянной и зеркальной компонен, если скалярное произведение в правой части меньше нуля, то соответствующая компонента освещенности полагается равной нулю.

Вычисление угла между отраженным лучом и направлением на наблюдателя

Угол между отраженным лучом и направлением на наблюдателя можно рассчитать по следующей формуле:

Получается это следующим образом. Проекции векторов  и  на вектор нормали совпадают и равны , следовательно, проекция вектора  на вектор нормали равна . Т.к. вектор нормали делит угол, между падающим и отраженным лучами на две равные части, то вектор  коллинеарен вектору . Отсюда получаем формулу, написанную выше.

Скалярное произведение  рассчитывается по формуле:

Упрощенный расчет зеркальной компоненты освещенности. Модель Блинна-Фонга

Для расчета отраженной компоненты требуется выполнить довольно громоздкие вычисления. Существует модель Блинна-Фонга, представляющая собой модель Фонга с упрощенным расчетом зеркального отражения. Вычислим в каждой точке вектор полупути  (halfway vector):

который показывает ориентацию площадки, на которой будет максимальное отражение. Тогда величину  можно заменить величиной .

При этом α <> β и, в общем случае, соотношение между ними зависит от пространственной связи векторов ,  и . Вектор  называется вектором полупути, т.к. если все три вектора ,  и  лежат в одной плоскости, то угол между  и  составляет половину угла между  и .

Модель отражения Блинна-Фонга никогда в точности не совпадает с моделью Фонга, однако можно подобрать соответствующие значения α и β, для которых распределения зеркальной составляющей по поверхности для обеих моделей будут очень близкими. Вместе с тем, в ряде случаев модель Блинна-Фонга требует значительно меньше вычислений, например в случае направленного бесконечно-удаленного источника.

Учет цвета

Если используется цветовая модель RGB, то все расчеты, представленные выше проделываются для каждой компоненты R, G и B по отдельности. Если при этом освещать поверхность синим рассеянным светом (0.0, 0.0, 1.0), а она воспринимает только красный рассеянный (1.0, 0.0, 0.0), то рассеянная составляющая освещенности во всех точках этой поверхности будет равна (0.0, 0.0, 0.0).

Преломле́ние (рефра́кция) — изменение направления распространения волн (лучей) электромагнитного излучения, возникающее на границе раздела двух прозрачных для этих волн сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами, в частности – в которых скорость распространения неодинакова.

Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления γ есть величина, постоянная для двух данных сред:

Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

n = n2/n1.

Закон преломления света находит объяснение в волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ1 к скорости их распространения во второй среде υ2:

Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде:

Глобальное и локальное освещение

Алгоритмы моделирования освещения условно можно разделить на две группы: алгоритмы локального освещения и алгоритмы глобального освещения.

Алгоритмы локального освещения - самые простые способы расчета освещенности поверхностей, рассматривают отражение или пропускание света для каждой поверхности 3D сцены независимо от других поверхностей, принимая во внимание только первичные источники света (задача Lighting/Shading: интенсивность, цвет, направление распространения отражённого и преломленного света).

Более сложные модели освещенности

Пропускание света может быть диффузным (если часть энергии света рассеивается средой) или направленным:

в первом случае мы имеем дело с полупрозрачными телами, которые изменяют окраску видимых сквозь них объектов.

во втором случае тело является прозрачным, и оно визуально обнаруживается только благодаря искажениям объектов за счет преломления лучей.

При наличии в пространственной сцене прозрачных или полупрозрачных объектов надо учитывать, что изображение других объектов будет отличаться от обычной проекции на картинную плоскость

Закраска граней

Плоское закрашивание

Если предположить, что источник света находится на бесконечности, то лучи света, падающие на поверхность, параллельны между собой.

Если наблюдатель находится в бесконечно удаленной точке, то эффектом ослабления света с увеличением расстояния от источника можно пренебречь.

Векторы, направленные от разных точек поверхности к наблюдателю, также будут параллельны.

При выполнении всех этих условий, плоская грань во всех точках имеет одинаковую интенсивность освещения, поэтому она закрашивается одним цветом. Такое закрашивание называется плоским.

Метод Гуро

К недостаткам метода Гуро следует отнести то, что он хорошо работает только с диффузной моделью отражения. Форма бликов на поверхности и их расположение не могут быть адекватно воспроизведены при интерполяции на многоугольниках. Кроме того, есть проблема построения нормалей к поверхности. В алгоритме Гуро нормаль в вершине многогранника вычисляется путем усреднения нормалей к граням, примыкающим к этой вершине. Такое построение сильно зависит от характера разбиения.

Модель Фонга

Модели обычно задаются набором плоских выпуклых граней, хотя большинство реальных трёхмерных предметов имеют гладкие криволинейные поверхности. Таким образом, криволинейная поверхность рисуется как ребристая полигональная сетка; для того, чтобы эта сетка выглядела гладкой, используется тот или иной метод интерполяции освещённости вершин полигональной сетки.

Если используется затенение по Гуро, то расчёт цвета производится в каждой вершине каждой грани, а затем рассчитанный цвет интерполируется по всей грани.

При затенении по Фонгу интерполируется только вектор нормали. Для нахождения вектора нормали в произвольной точке поверхности используют нормированную взвешенную сумму векторов нормали граней, которым эта точка принадлежит:

Вычислительные затраты на затенение по Гуро или по Фонгу зависят соответственно от числа вершин и от числа фрагментов изображения. Современное графическое оборудование использует второй способ, вычисляя цвет каждого фрагмента (т.е. пикселя), а не каждой вершины.

Освещение по Фонгу включает в себя также и модель освещения Фонга, т.е. алгоритм расчёта освещения в заданной точке. Это локальная модель освещения, т.е. она учитывает только свойства заданной точки и источников освещения, игнорируя эффекты рассеивания, линзирования, отражения от соседних тел.

Затенение по Фонгу требует сравнительно мало ресурсов, но большинство оптических явлений игнорируются либо рассчитываются с грубым приближением.

Другие модели освещения могут лучше учитывать свойства материала (локальные модели Орена-Наяра, Кука-Торренса, анизотропные модели) или сложные оптические явления (глобальные модели), но ведут к росту накладных расходов

(пример с синим бубликом)

Вместо интерполяции интенсивностей производится интерполяция вектора нормали к поверхности на сканирующей строке

Нормали к поверхности в вершинах многогранника вычисляются так же, как и в методе Гуро. Затем выполняется билинейная интерполяция в сочетании с построчным сканированием. После построения вектора нормали в очередной точке вычисляется интенсивность.

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Файл

Лекция 7.docx

Лекция 7.docx
Размер: 353.4 Кб

.

Пожаловаться на материал

О природе света и цвета Цвет объектов Типы источников света Виды прожеторов Свойства освещения Взаимодействие света и поверхности Глобальное и локальное освещение Закраска граней

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

Научные методы литературоведческого исследования

Методы литературоведческого исследования. Методы, ориентированные на изучение автора, изучение формальных особенностей текста. Литературный и культурно-исторический контекст.

Гибридные автомобили. Достоинства и недостатки

Гибридный автомобиль – высокоэкономичный автомобиль, движимый системой «электродвигатель – двигатель внутреннего сгорания», питаемый как горючим, так и зарядом электрического аккумулятора. Достоинства и Недостатки автомобилей с гибридной установкой.

Заявление о нарушении работодателем трудового законодательства

В Комиссию по трудовым спорам. Заявление о нарушении работодателем трудового законодательства Трудового кодекса Российской Федерации. Образец. Пример. Форма заполнения.

Проблема мотивації молоді щодо вступу у ВНЗ

Предмет дослідження – є особливості прояву молоді, до навчання у ВНЗ та визначення щодо напрямку підготовк, як майбутнього фахівця . Мета даної роботи полягає у виявленні особливостей прояву мотивації молоді щодо навчання у ВНЗ.

Юридическая ответственность: понятие, цели, принципы, функции, виды. Проблема позитивной юридической ответственности.

Юридическая ответственность неразрывно связана с государством, нормами права, обязанностью и противоправным поведением граждан и их объединений. Государство, издавая нормы права, определяет юридическую ответственность субъектов независимо от их воли и желания, она носит государственно-принудительный характер.

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok