Общие сведения. Закрашивание. Световые эффекты

Закрашивание. Световые эффекты

Световая энергия, падающая на поверхность от источника света, может быть поглощена, отражена или пропущена. Количество поглощенной, отраженной или пропущенной энергии зависит от длины световой волны. Цвет поверхности объекта определяется длинами поглощаемых волн. При закрашивании учитывается изменение интенсивности окраски в зависимости от источников света. На интенсивность и тон окраски влияют:

· форма и направление источника света;

· ориентация освещаемой поверхности;

· свойства (материал) поверхности;

· рассеянный (отраженный) от других объектов свет.

Свет от объекта может отражаться зеркально (от внешней поверхности) и диффузно (т.е. рассеиваться равномерно по всем направлениям).

Свет точечного источника отражается от идеального рассеивателя по закону косинусов Ламберта:

(1)

где I - интенсивность отраженного света;

- интенсивность точечного источника;

- коэффициент диффузного отражения (константа, );

- угол между направлением источника света и внешней нормалью к поверхности.

Точечный расчет рассеянного освещения требует значительных вычислительных затрат. Поэтому в компьютерной графике при вычислении интенсивности пользуются формулой:

, (2)

где - интенсивность рассеянного света;

- коэффициент диффузного отражения рассеянного света (константа, ).

Имеется также не очень сложная формула для учета расстояния между объектом и источником света:

(3),

где d - расстояние;

К - произвольная постоянная, ее определение в литературе не описано.

Интенсивность зеркально отраженного света зависит от угла падения, длины волны и свойств вещества. Физика того процесса довольно сложна, поэтому в простых моделях освещения пользуются эмпирической формулой (моделью Фонга): n

(4) s

где - экспериментальная постоянная; I r

- угол между отраженным лучом и вектором наблюдения;

p - степень, аппроксимирующая пространственное распределение света.

Объединяя две последние формулы, можно получить модель освещения

(функцию закраски) для расчета интенсивности (тона) точек поверхности объекта (пикселов):

(5)

Для нескольких точечных источников эта формула примет вид:

(6)

Чтобы получить цветное изображение, необходимо найти функцию закраски для каждого из основных цветов: красного, зеленого, синего, т.е. найти эмпирические и другие константы.

Для гладких и многогранных фигур используются разные приемы построения векторов и отыскания углов. А как рассчитать освещенность в вершине многогранника? Здесь при отыскании углов возникает проблема выбора нормали. Часто в качестве нормали используется нормированная сумма нормалей прилегающих граней:

,

где - произвольные весовые коэффициенты.

Для ребра используется сумма нормалей двух прилегающих граней.

Как применить формулы на практике? Известно, что . Следовательно, непосредственно под точечным источником располагается светлое пятно. В пределе оно белое, добавляется поправка на влияние других источников. При увеличении угла косинус уменьшается, окраска становится более интенсивной. Возникает проблема дискретизации по углу и сопоставления каждому значению угла определенного количества пикселов.

Простейший способ закрашивания многогранных фигур заключается в расчете освещенности для одной точки грани и распространении закраски на всю грань. Но при этом изображение получается неестественным, все грани очерчены очень резко (художники-кубисты, Матисс). На самом деле освещенность - непрерывная величина. Особенно это заметно, если источник света расположен не под прямым углом к плоскости. Таким образом, кусочную аппроксимацию надо использовать очень осторожно. Существуют специальные методы, позволяющие создавать иллюзию гладкости. Рассмотрим два из них.

Дата добавления: 2014-01-11