Отражение диффузное

Отражение от объекта может быть диффузным и зеркальным. При диффузном отражении свет как бы проникает под поверхность объекта, поглощается и вновь испускается. Положение наблюдателя не имеет значения, т.к. диффузно отраженный свет рассеивается равномерно по всем направлениям. Зеркальное же отражение происходит от внешней поверхности объекта. При диффузном отражении поверхности имеют одинаковую яркость независимо от угла обзора.

Свет точечного источника отражается от поверхности по закону Ламберта:

_{, где}

- интенсивность отраженного света,

- интенсивность точечного источника,

- коэффициент диффузного отражения. ( ),

- угол между направлением света и нормалью к поверхности (рис. 13.6).

Рис. 13.6 Схема диффузного отражения

Поверхность будет освещена больше, если свет падает на нее перпендикулярно ( =0), и меньше, если свет падает под любым другим углом, поскольку в этом случае увеличивается освещаемая площадь. Диффузно рассеянный свет является главным источником визуальной информации о геометрии трехмерных объектов.

Предметы, освещенные одним точечным источником света, выглядят контрастными (предмет в темной комнате при фотовспышке). В реальной ситуации на объекты падает еще и свет, отраженный от окружающей обстановки, например, от стен комнаты, других предметов. Он называется рассеянный свет. Рассеянный свет - это окружающее объект освещение от удаленных источников, чье положение и характеристики неизвестны. Необходимость его учета обусловлена тем, что его вклад может быть достаточно велик – до 50% от общей освещенности. Рассеянный свет задает цвет (и его интенсивность) объекта в отсутствии явных источников света или в тени. Он не несет никакой информации об объекте, кроме значения простого цвета, равномерно заливающего контур объекта.

Интенсивность такого освещения постоянна и равномерно распределена во всем пространстве, расчет его отражения поверхностью выполняется по формуле:

_{, где}

- интенсивность отраженного света;

- коэффициент диффузного отражения рассеянного света .

И тогда интенсивность с учетом рассеянного света и диффузного отражения:

Зеркальное отражение

Что означает термин «идеальное зеркало»? У такого зеркала идеально ровная отполированная поверхность, поэтому одному отраженному лучу соответствует только один падающий луч. Зеркало может быть затемненным, то есть поглощать часть световой энергии, но все равно остается правило: один луч падает — один отражается. Можно рассматривать также «неидеальное зеркало». Это означает, что поверхность неровная. Один падающий луч порождает несколько отраженных лучей, образующих некоторый конус, возможно несимметричный, с осью вдоль линии падающего луча идеального зеркала. Конус соответствует некоторому закону распределения интенсивностей, простейший из которых описывается моделью Фонга — косинус угла, возведенный в некоторую степень.

Зеркальное отражение получается от любой гладкой поверхности. Если осветить ярким светом яблоко, возникнет световой блик, который получится в результате зеркального отражения, а свет, отраженный от остальной части яблока – диффузный. В месте светового блика яблоко кажется не красным, а белым, то есть окрашенным в цвет падающего света. Т.к. зеркально отраженный свет сфокусирован вдоль вектора отражения, блики при движении наблюдателя тоже смещаются.

Учитывать зеркальное отражение в модели освещения впервые предложил Фонг. Эти блики существенно увеличивают реалистичность изображения, ведь редкие реальные поверхности не отражают свет, поэтому эта составляющая очень важна. Особенно в движении, потому что по бликам сразу видно изменение положения камеры или самого объекта.

Зеркальное отражение света является направленным. Угол отражения от идеальной отражающей поверхности (зеркала) равен углу падения; в любом другом положении наблюдатель не видит зеркально отраженный свет , (рис. 13.7).

Рис. 13.7 Схема зеркального отражения

Для неидеально отражающих поверхностей (яблоко) интенсивность отраженного света резко падает с увеличением . У гладких поверхностей распределение узкое, сфокусированное, у шероховатых – более широкое.

_{, где}

- коэффициент зеркального отображения (0,1)

- угол между отраженным лучом и направлением к наблюдателю.

Большие значения n дают сфокусированные распределения характеристик металлов и других блестящих поверхностей, а малые – более широкие распределения для мало блестящих поверхностей (рис. 13.8).

Рис. 13.8 Влияние показателя n на размер блика

Коэффициент отражения n для металлов обычно больше 80%, а для неметаллов – всего 4%.