3 Типы источников света

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

2. 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

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

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

3. сигнальные (для передачи информации).

4. акцентные (для акцентного освещения различных объектов)

Виды прожеторов

По типу ламп:

• Светодиодный

• Металлогалогенный

• Ксеноновый

• Ртутный

• Плазменный

По применению

• Театральный

• Промышленный

3. 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:

1. мощностью источника света

2. отражающими и пропускающими свойствами объекта

Взаимодействие света и поверхности

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

1. диффузное отражение;

2. зеркальное отражение;

3. 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 - интенсивность источника света, - угол между вектором внешней нормали к поверхности и направлением к источнику света, то интенсивность отраженного света определяется формулой

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 , и интенсивность отраженного света определяется выражением

 

где - коэффициент диффузного отражения рассеянного света, - коэффициент диффузного отражения падающего света,

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

 

где - расстояние до центра проекции, а - 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 (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.