Свет и материя

Для того чтобы понять, как программно реализовать закрашивание объектов сцены, необходимо разобраться в физике реального процесса распространения световой энергии в материальной среде.

С точки зрения физики поверхность материального тела может либо излучать световую энергию, либо отражать свет, падающий на нее от внешнего источника. Излучение может исходить от условно точечного источника (далекая звезда) или протяженного (лампа дневного света). Распространение излучения может происходить вдоль достаточно узкого луча (сфокусированный луч лазера), конусом (прожектор), равномерно во всех направлениях (Солнце) либо еще как-нибудь.

Излучение можно охарактеризовать интенсивностью, направленностью, спектром.

Отражение и поглощение можно описать характеристиками

диффузного рассеивания и зеркального отражения.

Прозрачность – ослаблением интенсивности и преломлением.

Некоторые тела одновременно и отражают свет, и излучают его вследствие внутренних физических процессов, происходящих в материале.

Излучение и отражение света

Когда мы смотрим на некоторую точку реального объекта, то ее цвет определяется множеством элементарных взаимодействий со светом, падающим на объект как непосредственно от источников света, так и от других отражающих поверхностей.

Последовательность этих элементарных взаимодействий можно представить в виде рекурсивного процесса. Такое рекурсивное отражение света от поверхностей приводит к определенным цветовым эффектам, в частности появлению на поверхностях дополнительных окрашенных бликов.

Математически этот рекурсивный процесс описывается интегральными уравнениями, которые называются глобальными уравнениями заполнения.

В принципе, их можно было бы использовать для определения распределения цвета по всем поверхностям объектов сцены, но, к сожалению, такие интегральные уравнения в общем случае не поддаются решению даже с использованием численных методов.

Существует множество подходов, основанных на разных вариантах их аппроксимации(например, метод трассировки лучей (Light tracer) или метод излучательности(Radiosity)), каждый из которых позволяет найти решение уравнений для определенного типа объектов.

Суть задачи визуализации: Моделирование переноса световой энергии

Моделировать освещение очень важно, т.к. на основе освещения человек воспринимает форму объекта. Глаз воспринимает освещение и «реконструирует» форму объета.

Моделирование освещения – ключевой фактор фотореалистичности сцены.

Источник света, наблюдатель, объект

Задача – рассчитать количество энергии,

излучаемой от заданного источника и отражаемой от объекта в сторону наблюдателя

Двулучевая функция отражения (ДФО)

В заданном направлении излучается энергия E , пропорциональная освещенности L .

Освещенность пропорциональна площади распределения потока света от источника

Определение ДФО – отношение падающего и излучаемого света с учетом угла падения

Основные идеи метода излучательности(Radiosity), применяемого в КГ при моделировании и визуализации фотореалистичных закрытых пространств, заимствованы из физики теплового переноса, оперирующей такими понятиями, как поток энергии и плотность потока энергии.

Потоком энергии называют количество энергии, проходящей через некоторую площадь в единицу времени.

Плотностью потока энергии называют поток энергии, проходящий через единицу площади.

В физике теплопереноса считается, что поток энергии некоторой поверхности состоит из двух частей – собственной энергии, излучаемой самой поверхностью, и энергии, приносимой в данную поверхность от других поверхностей.

Под собственной энергией поверхности понимается диффузное рассеяние света от прямого источника, а под приносимой энергией – освещение, отраженное диффузно всеми окружающими объектами.

Сама величина излучения определяется как плотность потока энергии, испускаемой элементом поверхности.

Таким образом, количество энергии, покидающей поверхность, равно сумме энергии, излучаемой поверхностью, и энергии, которая поверхностью отражается.

При этом количество отраженной энергии зависит от получаемой поверхностью энергии и коэффициента её отражения.