Закон сохранения энергии.
Закон сохранения энергии гласит: любое отраженное значение не может быть больше, чем в начале (своего пути). Поэтому отражения объектов должны быть более тусклыми, чем сами отраженные объекты. Это обусловлено обратноквадратичным затуханием.
Тем не мене, лучшее серебряное зеркало отражает 99% света. Поэтому, никогда не отражайте больше света, чем излучили.
Яркость (brightness) также не должна принимать значения 0% или 100%, поскольку также должен выполняться закон сохранения энергии. Обычно нужно выставлять значение яркости для цвета (diffuse) около 20-80% для диэлектриков, но 0% для металлов.
Значение насыщенности цвета (saturation) тоже не должно быть 100%, держите его на уровне 80%, поскольку материал не может стопроцентно отражать (или поглощать) весь свет.
Свет.
Существует прямой и непрямой свет. Прямое освещение – это случай, когда луч попадает на поверхность и… там же останавливается. В этом случае свет не отбивается от поверхности. В реальном мире такое никогда не случается.
Обратноквадратичное затухание света (Inverse-square Light Falloff) означает, что с увеличением в два раза расстояния от источника света до объекта, яркость света уменьшается в 4 раза.
Световая перспектива (Light Perspective): чем дальше источник света (ИС), тем более однородным будет освещение.
Если вы отодвинете источник света в два раза дальше и увеличите яркость источника в 4 раза, то получите ту же саму интенсивность освещения, но радиус затухания будет больше.
Именно по этой причине для солнца, которое находится так далеко и имеет такие огромные размеры, не имеет смысла использовать обратноквадратичное затухание. Поэтому мы игнорируем это затухание в КГ и не используем его для солнца, луны и света от звезд.
Поэтому так важно запомнить одну штуку: очень важен реалистичный размер сцены, поскольку реалистичное затухание света неразрывно связано с размером сцены и яркостью источника.
Обратноквадратичное затухание отраженного света.
Если вы пододвинете источник света ближе к его зеркальному (не глянцевому) отражению, то размер его отражения увеличится, но не станет ярче. Чтобы это стало понятно, рассмотрим пример. Вы пододвинули источник света в 2 раза ближе к его зеркальному отражению. Как следствие, в 4 раза увеличилась яркость отраженного источника, НО ведь и площадь отраженного источника увеличилось в 4 раза. Поэтому суммарная яркость отражения не меняется.
Также, глянцевое отражение источника света может казаться ярче, чем зеркальное отражение. Но это за счет того, что площадь блика у глянцевого отражения больше (при других равных условиях). И хотя маленькое концентрированное зеркальное отражение на самом деле ярче, но мы этого не видим из-за ограниченного динамического диапазона.
Угол падения равен углу отражения.
Этот закон можно использовать для выставления камеры относительно зеркального объекта, который вам нужно осветить. Вы можете на глаз оценить, где нужно поместить источник, чтобы он отражался и попадал в камеру.
В 3ds Max есть инструмент выравнивания блика - «Place Highlight», с помощью которого можно поместить блик на объекте в нужное место.
Рассеивание света.
В реальном мире свет постоянно рассеивается. Очень редко можно встретить четкую тень или четкое пятно света от прожектора. Но при создании прожектора (spotlight) в 3d-редакторе вы получаете источник света без затухания по краям, что неправильно. Края должны быть размыты. Сравните, к примеру, с неточечным источником (area light – можно встретить разные варианты перевода этого термина: объемный ИС, рассеивающий ИС), который представляет собой отличный пример реалистичного источника света.
Тень в компьютерной графике.
Тень может быть как четкой, так и рассеянной в зависимости от размера источника света. Если не уверены - используйте мягкую тень вместо четкой.
Если вы хотите добиться фотореалистичности, то нужно также помнить о воздушной перспективе. Этот эффект обязательно должен присутствовать на ваших экстерьерах (а часто и в интерьерах).
Проблема засветки изображения.
На очень светлых (overexposed - передержанных) участках рендера картинка может выглядеть слишком насыщенной, что, конечно же, неверно. Этот дефект должен быть исправлен при постобработке или в Photoshop’е, или в программе для композитинга (compositing).
Вы должны отметить, что на фотографиях тень может быть насыщенной, но чем больше света в кадре, тем менее насыщены цвета (хотя и не всегда, руководствуйтесь своими эстетическими соображениями).
Свойства света в 3D.
Когда фотон (photon - элементарная частица света, квант света) сталкивается с поверхностью происходит одно из трех явлений (по крайней мере, именно эти три случая имитируют в КГ):
· Отражение.
· Прохождение (прозрачность, полупрозрачность, а также подповерхностное рассеивание).
· Поглощение.
Объект также может испускать свет – это называется излучение.
Типы материалов.
В реальном мире существует два типа материала:
· Проводники (металлы).
· Диэлектрики (все остальные материалы).
В результате отражения света или его прохождения сквозь объект имеют место следующие эффекты:
· Окрашивание (color-bleeding – колор блидинг, линька, перепечатывание цвета), если свет отражаясь рассеивающей поверхностью (diffuse surface) окрашивает близлежащие поверхности.
· Отраженная каустика (reflection caustics - отраженные блики) если свет отражается зеркальной поверхностью.
· Преломленная каустика (refracted caustics - преломленные блики) если свет проходит сквозь преломляющую поверхность.
· Подповерхностное рассеивание (subsurface scattering) если свет частично поглощается поверхностью, а частично выходит с той же стороны.
Каустика – происходит из-за фокусировки света. Каустика может порождаться отражающими или преломляющими поверхностями.
Теперь о видах отражений.
В зависимости от качества поверхности, отражения делят на:
· Зеркальные отражения (Specular reflections) характерны для отполированных, очень гладких поверхностей. Это – поверхностный эффект. Specular это корень греческого слова "зеркало".
· Диффузные (рассеянные, размытые) отражения (Diffuse reflections) характерны для шершавых поверхностей. Это – подповерхностный эффект.
· Глянцевые отражения (Glossy reflections) - это что-то среднее между зеркальными и диффузными отражениями.
Есть определенные зеркальные отражения, которые характерны только для металлов – окрашенные отражения.
Проводники (металлы) не имеют подповерхностных отражений, а только поверхностные (зависящие от состояния (степени полировки) поверхности - зеркальные или матовые).
Диффузные отражения характерны для диэлектриков, именно поэтому их поверхность имеет диффузную составляющую цвета поверхности.
Не существует поверхностей, которые полностью поглощают (абсолютно черных), полностью отражают, или полностью пропускают свет. Любая поверхность одновременно отражает, пропускает и поглощает в какой-то мере.
Отражения.
Отражение – это случай, когда фотоны отскакивают от поверхности. И это не благодаря микроструктуре поверхности, это благодаря ее атомному строению.
Диэлектрики всегда отражают точно такой по цвету свет, как и тот, что на них светит. Т.е. их отражения всегда "белые", бесцветные, чистые.
Проводники же окрашивают свои отражения.
Но есть редкие исключения, к примеру, атлас.
Тот цвет, в который окрашивают проводники свои отражения, зависит как от типа проводника, так и от угла под которым свет отражается от поверхности. К примеру, свет, падающий на золотую поверхность под большИм углом (скользя по поверхности), окрашивается в желтый не так сильно, как свет, падающий на золотую поверхность перпендикулярно (в лоб).
Зеркальные отражения могут быть:
· Изотропными (isotropic).
· Анизотропными (anisotropic).
Анизотропные отражения вытянуты в направлении перпендикулярно углублению в отличие от равномерных невытянутых изотропных отражений. Вытянуты не только световые блики, но также и отражения окружающих объектов.
Основной вклад в цвет отраженного света (в диффузную часть) вносят подповерхностные эффекты. А поверхностные эффекты зависят от степени шероховатости поверхности: начиная зеркальными и заканчивая диффузными (Lambert - Ламберт) отражениями.
BRDF
Bidirectional reflectance distribution function (BRDF) - двунаправленная функция распределения отражений (поверхностных отражений) описывает, как свет отражается или поглощается поверхностью в зависимости от разных углов падения.
Существует три вида BRDF:
· Упрощенная BRDF (без учета трассировки лучей (raytracing – построение хода луча)).
· Гибридная BRDF (упрощенная + raytracing).
· Измеренная BRDF (комплексная, основанная на реальных измерениях).
На момент написания статьи, наиболее популярной была гибридная BRDF, а измеренная BRDF еще не была доступна (простому пользователю). И, несмотря на то, что разработчики рендерера VRay уже создали рабочий прототип измеренной BRDF, но библиотек измеренных данных пока не существует.
Гибридная BRDF обеспечивает более реалистичный результат, чем упрощенная, ну а измеренная BRDF дает еще более реалистичную картинку.
Упрощенная BRDF.
Упрощенная BRDF основана на цвете (diffuse) и отражениях.
На ранних стадиях развития КГ трассировки лучей еще не было, а соответственно и не было возможности настройки трассируемых отражений. Вот так возникла идея создания зеркальных световых бликов - фальшивых бликов. Сейчас все больше и больше людей стремятся использовать трассируемые отражения вместо фальшивых CG-бликов, которые понемногу устаревают.
Эта ситуация отлично отражена в 3D-редакторах: каждый современный рендерер обычно комплектуется объемным источником света (area light), который имеет реальное свое отражение (поскольку рендерер действительно может визуализировать трассируемое отражение) и при этом старые источники света не имеют реальных отражений, а только фальшивый зеркальный блик. Но, тем не менее, фальшивые блики все еще полезны.
Lambert и Oren-Nayar (Орен-Найар) – это наиболее распространенные упрощенные модели BRDF для цвета (diffuse).
Ламберт (просто цвет).
Ламберт – по-простонародному это обычный диффузный (рассеянный) свет, а если по-научному – подповерхностное рассеивание. Другие модели работают в основном с фальшивыми зеркальными бликами (Blinn (Блин), Phong (Фонг)), которые обычно добавляются поверх Ламберта.
BRDF по Ламберту симулирует подповерхностное рассеивание таким образом: свет входит в материал равномерно рассеивается и выходя наружу попадает в объектив камеры. Но вы должны понимать, что свет, который попадает внутрь материала (при этом он там многократно отражается от атомов) и выходит наружу не может вести себя точно также как свет, который зеркально отражается от поверхности. Поэтому данная модель BRDF по Ламберту не отражает картину окружения.
С другой стороны, поверхностное отражение, никогда не будет таким однородным как подповерхностное, поэтому поверхностное отражение всегда будет концентрировать больше света в участках блика на объекте, что будет походить на источник света. Попросту, поверхностное отражение это прямое отражение источников света, и оно будет четче, чем подповерхностное отражение, которое очень сильно рассеяно (размыто).