Введение
Все краски мира, доступные нашему зрению, обязаны своим существованием фотонам света. Не вдаваясь в детали дуальности света и корпускулярно-волновой теории (об этом ниже), заметим, что сам по себе свет представляет в некотором роде и цвет, а будучи отраженным от различных тел, он явно указывает на цвет их поверхности и на ее фактуру.
Можно с уверенностью сказать, что в мире нет двух людей абсолютно одинаково воспринимающих один и тот же цвет, субъективное зрение имеет начало не в головном мозге, и даже не в зрительном центре, а непосредственно в сетчатке глаза, радужке и стекловидном теле.
Яркость в итоге представляется как количество фотонов регистрируемых за единицу времени. Яркость - параметр источника света, однако, при этом любой объект отражающий свет имеет параметр "яркость" лишь косвенно, так как не излучает.
Уровень насыщенности вызывает дополнительную сложность определения цвета. Казалось бы, свет как электромагнитная волна должен иметь частоту, определяющую его спектр, и амплитуду, определяющую размах колебаний, но в науке о лучах и излучениях нет такого показателя как амплитуда (по известной причине квантования), а есть энергия, которая рассчитывается из частоты и скорости света в вакууме.
Для определения цвета можно использовать названия, абстрактные единицы, длину волны, цветовую температуру. Последнее наиболее распространено в виде шкалы лорда Кельвина, которая имеет диапазон от 0К до 10.000К. Излучение "абсолютно черного тела" нагретого до определенной температуры в Цельсиях определяет его цвет. Например лампы накаливания имеют цветовую температуру от 2.800К до 3.500К; дневного света, от 3.500К до 7.ОООК; свет дневного Солнца примерно 5.600К.
Различные направления в изобразительном искусстве рождались не только в поисках новых творческих решений, но и по причинам поиска методов цветопередачи. На этом поприще появлялись целые школы, пропагандирующие определенные методы смешивания красок и отстаивающие свои философские принципы природы света. Дальше всех ушел Винсент Ван Гог, вообще прекративший смешивать краски и таким образом избавившись от любого философствования на эту тему; он приобрел удивительный способ передавать ощущение света, излучаемого с холста. И пока нет еще достойных способов копирования и воспроизведения картин великих импрессионистов по причине несовершенства современной технологии печати и отображения на экранах, но есть не менее выразительные приемы, связанные, опять же, с технологией формирования компьютерных изображений.
При этом пользование цветом в компьютере может оказаться запутанным процессом. В большинстве компьютерных программ выбираются не краски, как в любом специализированном художественном магазине. Имеется лишь возможность определять искомый цвет в глубине каждой палитры, где к тому же нельзя будет найти привычных для художника названий типа «хром-кобальт сине-зеленый» или «лимонный кадмий». Еще более вероятно; что придется иметь дело с диалоговым окном, где необходимо задать цвета, полагаясь на процентное соотношение красного, зеленого и синего или циана, пурпурного, желтого и черного.
Свет
Из курса физики известно, что свет представляет собой электромагнитное излучение, то есть, имеет волновую природу. Правда, есть и другая, корпускулярная теория, в которой свет рассматривается как поток частиц-фотонов. Таким образом, фотон, с одной стороны, это частица, с другой стороны - волна. Это означает, что свет имеет свойства, присущие как волнам, так и частицам. Каждая из этих теорий позволяет объяснить часть свойств света, но именно часть, а не все. Хитроумные физики сплавили обе теории в одну, назвав ее корпускулярно-волновой. и любят использовать ту ее часть, которая удачнее вписывается в ход их рассуждений.
1.1 Физическая модель света
В этом разделе, следуя вышеупомянутой традиции, будем рассматривать свет с точки зрения потока частиц. Свет состоит из мельчайших сгустков энергии (частиц), называемых фотонами, которые излучаются источником энергии и прямолинейно распространяются в пространстве, пока не произойдет столкновение с внешним объектом в пространстве.
При столкновении фотона с внешними объектами может произойти:
| • | отражение (reflectioп) - | фотон отражается от поверхности |
| • | поглощение (absorption) - | фотон поглощается и отдает свою энергию объекту |
| • | преломление (Yefraction) -_-- - | фотон проходит сквозь объект и меняет направление |
движения в зависимости от свойств объекта и окружения
· отклонение (diffi ac(ion) - фотон может отклониться и изменить направление в
случае, когда он проходит на очень близком расстоянии от поверхности объекта.
В действительности же источник излучает множество единичных фотонов. Исходя из этого, можно пренебречь фактом, что свет состоит из единичных фотонов, и рассмотреть свет как непрерывный поток энергии. В этом случае к свету можно применить статистические законы, и полученные результаты будут достаточно точны.
Взаимодействие светового потока с окружающими предметами (объектами) позволяет
видеть их. Свет исходит из источника световой энергии. Большое количество фотонов вырываются и с огромной скоростью уносятся от источника, взаимодействуя с предметами, воздействуя на каждую мельчайшую деталь окружающей обстановки. Небольшое количество из них попадает в маленькое темное пятно в середине нашего глаза. Это зрачок. По очень веской причине, суть которой будет объяснена ниже, -зрачок черный. Глаз устроен таким образом, что он несколько подправляет направление движения фотона перед тем, как он достигнет задней части глаза. Здесь фотон поглощается светочувствительными рецепторами. Эти рецепторы дают соответствующие сигналы мозгу. Мозг интерпретирует поступившую последовательность сигналов и снабжает нас подробной информацией об окружении. Но, изображение, которое мы видим на самом деле, не является соответствующим ему набором физических объектов.
Все, что мы получаем, на самом деле лишь его энергетический отпечаток, который прошел огромное количество сложнейших преобразований в нашем мозге. Синий объект - не есть в действительности синий. Мы считаем цвет объекта синим лишь потому, что интерпретируем свет, пришедший от него, как синий.
Через опыт человеческий мозг учится определять и распознавать множество образов и отпечатков, которые создает свет об окружающей нас действительности.
Младенец берет предмет, глядит на него мгновение, затем тащит в рот. Его язык - это прекрасный датчик, и может определять форму и вид поверхности предмета практически так же, как и глаз, а иногда и лучше. Ребенок учится ассоциировать то, что он видит с той формой, которую ему описал язык. Со временем ребенок узнает, что один и тот же предмет может выглядеть по- разному в зависимости от того, как его держать, хотя он по-прежнему является тем же самым предметом. Это очевидно - подумаете вы, но было обнаружено, что слепым с рождения людям, которым медицина вернула зрение, понять вышеизложенное очень сложно. Им также сложно усвоить смысл тени и отражения, суть которых зрячие люди познали еще от рождения. И сам факт того, что можно видеть, еще не означает, что можно понять увиденное.
Именно в этом и заключается разница между данными (Data) и Информацией (Information).
Данные - это световой образ, формирующийся на сетчатке глаза. Информация - это интерпретация этого образа нашим мозгом.
Создавая изображение любого вида, художник пытается сформировать световой образ на сетчатке глаза таким образом, чтобы он интерпретировался мозгом как предмет, который отображает это изображение. Тренированный мозг может извлечь огромное количество информации из изображения. Благодаря этому, человек может получить полное трехмерное представление сцены, изображенной на двухмерной картинке. При этом мозг анализирует порядок взаимодействия света со сценой (набором объектов изображенных на картинке) и на основе такого анализа данных выдает конечное трехмерное представление сцены.
Разнообразие моделей освещения, применяемых в процессе формирования изображений компьютером, - это лишь попытка увеличить количество информации, которую мозг сможет
извлечь.
Информационные ресурсы света
Человеческий мозг может извлечь и интерпретировать 4 информационных ресурса из потока видимых данных.
Форма. Это внешний вид объекта (предмета) в сцене, его видимые границы и края. Глаз
человека обладает способностью улучшать четкость воспринимаемого изображения, что
позволяет увереннее распознавать края предметов; (к месту сказать, что многие компьютерные программы для обработки изображений используют алгоритмы, позволяющие получать улучшения четкости, подобные тем, какие производит глаз человека.)
Оттенки. Блики и тени, тон и структура поверхностей объекта.
Цвет. Цвет объекта, о котором мы поговорим позже.
Движение. Мозг человека особенно восприимчив к движению объектов. Прекрасно "камуфлированное" животное мгновенно будет обнаружено, если оно пошевелится. Очень часто, если Вы потеряли курсор на экране монитора, лучший способ найти его - двинуть мышкой.
Специальные отделы головного мозга отвечают за обработку этих четырех
информационных ресурсов. Это было неоднократно доказано в случаях анализа черепно-мозговых травм, получаемых человеком.
Как только человек получает травму и лишается отдела головного мозга, отвечающего за любой из вышеперечисленных ресурсов, то он сразу утрачивает способность к восприятию этой информации. Например, в одном случае женщина потеряла способность ощущать движение. Она могла видеть так же, как все, за исключением способности чутко определять движение объектов. Например, она могла видеть автомобили на дороге, но никогда не могла сказать с первого взгляда - движутся они или нет.
Способность к восприятию принимается человеком, как само собой разумеющееся. Принято считать, если Вы можете видеть, то, значит, вы в состоянии определить форму, оттенки и цвет и движение. Но это не всегда так.
Не менее важной является информация, которую мозг добавляет или удаляет во -время
анализа. Когда мы созерцаем, мы имеем дело с гигантскими объемами информации. Было бы просто невозможным проанализировать и запомнить все сведения до мельчайших деталей. Да это и не нужно. Большая часть сведений (данных), поступающих нам через зрение, не обладают какой-либо ценностью. Мозг автоматически производит фильтрацию этого "мусора", позволяя нам сконцентрироваться на более значимой информации. Что еще более важно, мозг также добавляет недостающую информацию. Человеческое зрение имеет "мертвые зоны", но, тем не менее, мы этого не замечаем, потому что пробелы будут всегда заполнены подходящей информацией.
Для художника это означает то, что ему совсем не нужно прорисовывать изображение с точностью до мельчайших деталей. Большинство из этих деталей будет просто проигнорировано и "заполнено" чем - то другим. Ваша картина может быть значительно упрощена. Вот, например. в фильме "Возвращение Джедая" из знаменитых "Звездньх Войн" один из космических кораблей в пространстве - это обыкновенный ботинок. Но никто этого не заметил, потому что ожидали видеть космический корабль, и в том месте действительно был объект, напоминающий его своей формой, поэтому все и видели именно космический корабль.
Можно еще более упростить конечное изображение, если сцена находится в движении.
Нажмите паузу на видеомагнитофоне и посмотрите на неподвижное изображение, оно выглядит никуда негодным, но мы этого не замечаем, когда оно в движении.
Цель художника-аниматора, отвечающего за вывод анимационной графики, - обеспечить такие процедуры аппроксимации в визуализирующик фрагментах кода, которые улучшают реализм и точно передают атмосферу, дух создаваемого вами мира. Остальное пусть доделает мозг. Цель художника фотореалистичной графики - попытаться смоделировать взаимодействие света с объектами сцены настолько аккуратно, чтобы оно могло выдержать скрупулезную проверку человеческим мозгом.
Свойства света
В этой части мы обсудим некоторые из основополагающих принципов, которые можно применить при выводе графики на экран.
1.3.1 Закон обратной пропорциональности квадрату расстояния (яркость)
Как определить яркость света? Представим, что у нас есть идеальный источник света. Такой источник не имеет объема и размеров, а существует в виде точки в пространстве. Его можно включить и выключить, и это переключение происходит мгновенно, без потерь времени на переходные процессы. Это как раз тот источник света, с которым возможно работать внутри виртуального мира компьютера. В реальном мире такие источники невозможны. Заметим, что и реальные источники, в свою очередь, очень сложно создать в виртуальном мире.
Включим идеальный источник на очень короткое время, короткое настолько, насколько можно себе представить. В этот момент свет начинает распространяться в разные стороны от источника, образуя сферу. Рассмотрим небольшой фрагмент этой сферы.
По мере того, как лучи света все больше и больше удаляются от источника, размер сферы растет, соответственно, растет и размер исследуемого нами фрагмента. Яркость этого фрагмента прямо пропорциональна плотности содержащихся в нем фотонов.
Разумеется, если размер фрагмента растет, а количество фотонов остается неизменным, то плотность фотонов в нем уменьшается.
Площадь поверхности сферы прямо пропорциональна квадрату ее радиуса. Таким образом, яркость маленького фрагмента будет обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света. Brightness = К
r^2
где:
• Brightness - величина, определяющая яркость (интенсивность) света в точке отстоящей от источника света на расстоянии r;
• К - некоторая константа, определяющая яркость (интенсивность) самого источника
света.
Это и есть закон обратной пропорциональности квадрату расстояния. Этот закон применим ко всем источникам света, кроме лазеров.
1.3.2 Закон косинуса (освещенность)
Какова освещенность поверхности? После того, как свет покинул источник, он может взаимодействовать с окружающими предметами. Рассмотрим взаимодействие света с поверхностью непрозрачного предмета. Здесь очень важно знать, как много света будет в любой точке на поверхности этого объекта.
Когда поверхность целиком обращена к свету - максимальное количество света достигает ее. Вся поверхность освещена.
Когда поверхность расположена под некоторым углом к падающему на нее свету, площадь сечения, обращенного к свету, становится меньше. Что выражается в меньшем количестве световой энергии, воздействующей на поверхность.
Когда вектор нормали к плоскости поверхности находится под прямым углом к падающему свету, то свет просто-напросто проходит мимо поверхности, и она совсем не освещается. Таким образом, количество световой энергии, воздействующей на поверхность, есть функция от ориентации поверхности по отношению к воздействующим лучам света.
Illumination = cos(а) *Brightness;
где:
· Illumiпation - освещенность поверхности;
· а - угол между нормалью к поверхности и направлением света;
· Brightness - яркость (интенсивность) света.
В зависимости от формы, структуры и материала объекта, свет может быть поглощен его поверхностью, отражен или пропущен сквозь объект.
Поглощение. Некоторое количество света может быть поглоцХёно поверхностью. В этом случае происходит обычный нагрев поверхности. Поскольку разговор идет о компьютерных изображениях, то чаще всего это явление можно игнорировать (учитывая, конечно, ослабление отраженного светового потока).
Отражение. Большая часть света будет отражена от поверхности. Направление отраженного света в значительной степени зависит от фактуры поверхности.
Если поверхность совершенно гладкая (абсолютно блестящая), свет отразится от поверхности под точно таким же углом к нормали, под каким углом он к ней пришел. При этом нормаль будет биссектрисой угла между направлением прихода луча и направлением его отражения. Это явление можно наблюдать на зеркальных или полированных металлических поверхностях. Можно заметить яркое отражение от поверхности, только смотря на нее под определенным углом.
Если поверхность матовая (абсолютно рассеивающая), то отраженный свет будет
распространяться во многих направлениях. При этом ни в коем случае не утверждается, что в
природе существуют абсолютно рассеивающие поверхности. Грубо обработанное дерево прекрасно рассеивает свет, как и матовая краска, но оба материала все же имеют некоторый (ненулевой) блеск (shininess). Наиболее яркое отражение от этих поверхностей будет заметно под разными углами зрения.
Большинство природных и искусственных материалов находятся где-то посередине между этими двумя крайностями. Они одновременно обладают свойствами блеска (shininess) и рассеивания (diffuse). Чтобы заметить рассеянный свет от поверхности, положение глаз не имеет значения, для того, чтобы заметить отблеск, угол зрения должен быть строго определенным.
Преломление. Когда свет проходит сквозь поверхность, он проходит из одной среды в другую. В момент прохода через границу сред возникающие квантовые эффекты заставляют свет изменить свое направление. Такое изменение направления движения света называется преломлением (refraction). Точное значение величины угла изменения направления зависит от взаиморасположения поверхностей сред и свойства среды под названием коэффициент преломления. Пустота (вакуум) имеет коэффициент, равный единице. У воздуха этот коэффициент чуть ниже. Более твердые материалы и среды имеют более низкие коэффициенты преломления.
Преломление - очень сложное явление, требует больших вычислительных мощностей при его моделировании.
После взаимодействия с поверхностью, если, конечно, он не был поглощен, свет продолжает свой путь и продолжает взаимодействовать с другими предметами. Единичный фотон будет продолжать отражаться от многих и многих поверхностей, пока окончательно не растратит свою энергию. Эти многочисленные итерации сложно моделировать, да и займут они колоссальное время на визуализацию.
Цвет
До настоящего момента мы говорили об однородном световом потоке. Фактически, он и есть однородный, но может проявлять себя в бесконечном множестве различных вариаций. Настало время рассмотреть свет со стороны другой теории- волновой.
Так как свет является еще и волной, то, разумеется, он имеет длину волны. Длин волн бесконечное множество, но наш глаз в состоянии регистрировать только их небольшой диапазон, известный под названием видимой части спектра или светового спектра.