Механизм диффузного и зеркального отражения света

Модели освещения

РЕАЛИСТИЧНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СЦЕН

Где нужен реализм:
· в конструировании,
· в архитектуре,
· в биологии и медицине,
· в науке (компьютерное моделирование),
· в масс-медиа,
· в тренажерах, играх.

Основные направления:
· синтез реалистичных изображений,
· реалистическое оживление синтезированных объектов.

С точки зрения приложений в науке и промышленности наиболее важно первое направление. Ключевая проблема - реалистическое представление освещенности:
· модели освещения, прозрачность, тени, фактура, · глобальная модель освещения с трассировкой лучей, · излучательность.

Диффузное отражение света точечного источника от идеального рассеивателя определяется по закону Ламберта, согласно которому падающий свет рассеивается во все стороны с одинаковой интенсивностью. В этом случае освещенность точки пропорциональна доле ее площади, видимой от источника.

где Ir - интенсивность отраженного света, Ip - интенсивность точечного источника, 0 £ Pd £ 1 - коэффициент диффузного отражения, зависящий от материала поверхности и длины волны, 0 £ f £ p/2 - угол между направлением света и нормалью к поверхности.

В реальных сценах, кроме света от точечных источников, присутствует и рассеянный свет, который упрощенно учитывается с помощью коэффициента рассеяния:

где Ir - интенсивность рассеянного света, 0 £ Pr £ 1 - коэффициент диффузного отражения рассеянного света.

Субъективно достаточно реалистичный учет расстояния от центра проекции до объекта обеспечивается линейным затуханием:

где d - расстояние от центра проекции до объекта, а K - произвольная константа.

При параллельной проекции, когда точка наблюдения находится в бесконечности, учет расстояния обеспечивается тем, что объект, ближайший к точке наблюдения, освещается полностью, далее расположенные - с уменьшенной освещенностью и в качестве d берется расстояние от объекта ближайшего к наблюдателю.

Свет, отраженный от идеального зеркала, виден только если угол между направлениями наблюдения и отражения равен нулю. Для неидеальных отражающих поверхностей используется модель Фонга [27]:

где W(l, f) - кривая отражения, зависящая от длины волны l света источника и угла падения f, -p/1 £ a £ p/2 - угол между направлениями наблюдения и отражения, 1 £ n £ 200 - показатель степени, определяющий убывание интенсивности при изменении угла.

Часто W(l, f) заменяется константой Ks, такой чтобы полученная картина была субъективно приемлема.

Суммарная модель освещения имеет вид:

Или при использовании вместо W(l, f) константы Ks:

Если использовать нормированные вектора направлений падения L, нормали N, отражения R и наблюдения V, то модель освещения для одного источника принимает вид:

Если источник света находится бесконечности, то для данного плоского многоугольника L·N равно константе, а R·V меняется в пределах многоугольника. Для поверхностей, представленных например в виде бикубических кусков, каждое произведение меняется в пределах куска. Так как эти вычисления требуется производить для каждого пиксела строки, то вычислительные затраты могут быть очень велики. Фонг предложил алгоритм пошагового вычисления по рассмотренной модели, существенно снижающий затраты.

Кроме эмпирической модели освещенности Фонга используются модели, представляющие отражающую поверхность в виде плоских микроскопических граней. Ориентации нормалей к граням относительно нормали к средней линии поверхности задаются некоторым распределением, например, Гаусса.