Ну что же, теперь, после того, как мы рассмотрели основы света, рассмотрим ряд практических подходов при решении реальных задач.
3.1.1 Допущения и упрощения
Конкретный вариант моделирования света зависит от требований к создаваемому
изображению. Существует целый ряд допущений, которые можно (и, чаще всего, нужно) применить для того, чтобы увеличить скорость просчета модели и вывода на экран.
Точечные источники света. Для упрощения математических расчетов источники света обычно рассматривают в виде точки в пространстве. В подавляющем большинстве случаев это будет не слишком далеко от реальности. Лампочки и фонари на улицах очень малы по сравнению с объектами, которые они освещают. Проблема возникает тогда, когда необходимо изобразить сцену с источником света в виде длинной люминесцентной лампы или сцену, равномерно освещаемую естественным небесным освещением. В этом случае можно применить группу в виде нескольких, более слабых источников - для того, чтобы они могли имитировать один большой.
Многократные отражения. Просчеты эффектов, производимых светом при отражении от одной поверхности на другую, длительны и сложны. Поэтому для больших пространств можно не просчитывать множественные отражения, ввиду того, что разница между однократным и многократным отражением, в космосе, например, совершенно незаметна. Другое дело, если моделируется свет в маленькой комнатке. Здесь эта разница будет более чем заметна, так как объекты, находящиеся в зоне непосредственной тени, будут все равно освещены за счет отраженных лучей от других поверхностей.
Тени. Тени снабжают наблюдателя огромным количеством информации о трехмерной сцене. Объект, отбрасывающий тень значительно более понятен. Тени придают глубину сцене и дают интуитивное представление о местоположении источников света.
Так, например, на изображение слева изображены два шара. Один из них парит над зеленой поверхностью стола, второй лежит на поверхности. Но, глядя на это изображение, не видно, какой из них касается стола, а какой нет. Более того, даже нельзя определить положение этих шаров в пространстве, и даже их размер. На изображении справа все ясно. Красный шар больше синего и находится прямо на столе в удалении. Синий шар висит в воздухе, и он гораздо ближе к нам. А эти два изображения отличаются лишь тем, что на правом присутствуют тени от объектов.
Несмотря на то, что тени могут дать наблюдателю дополнительную информацию о глубине
сцены, их отсутствие иногда может быть незначительной потерей. В зависимости от ситуации
часто возможно сделать внести упрощения в задачу просчета теней. Например, при изображении летящего самолета воспроизведение его тени может быть очень важным для обозначения высоты полета. Но окружающий мир содержит всего один источник света - солнце, а остальные предметы
очень малы и разбросаны. Таким образом, не стоит думать над имитацией теней на самом
самолете и каждом маленьком домике далеко внизу на земле, достаточно спроектировать тень только на плоскость земли.
Статические (неподвижные) тени. Сцены с неподвижными источниками света и объектами имеют статические тени.
Для анимационных изображений имеется возможность заранее просчитать все тени в сцене. А затем использовать эту информацию для быстрой прорисовки этих теней на экране. Хорошим примером подобного подхода являются игры типа па1е. Уровень заранее обсчитывался утилитами просчета освещения, и в реальном времени движок игры уже не тратит драгоценное процессорное время на их создание. Все тени хранятся в виде "карты теней" в самом ф айле уровня и в процессе игры комбинируются с соответствующими текстурами.
3.1.2 Яркость окружающего мира
Некоторые места в окружающем нас мире могут быть очень и очень темными: пещеры.
угольные отвалы, пространство под кроватью в темное время суток. Некоторые части
окружающей действительности уже не столь темные: вечернее время, песок, лица людей. Некоторые вещи могут быть очень яркими: белая рубашка, снег, паруса. Ну, а некоторые - ослепительно яркими: солнце, небо, лампы, лазерные источники.
Яркость внутри компьютера имеет (обычно) 256 градаций, начиная с 0 (почти черный) и заканчивая 255 (почти белый).
Как же в таком случае отобразить реалистичный рисунок на экране монитора ведь
реальный мир имеет очень широкий яркостной диапазон, а компьютер - только узкую полосу из него.
Самое простое - это просто привести значения яркости к диапазону градаций яркости
компьютера. Так, темная пещера будет соответствовать яркости 0, а солнце - яркости 255. Однако, в этом случае возникнут проблемы с отображением, скажем, лиц людей. Они будут слишком темными.
Вот пример: слева - яркость солнца приведена к величине 255. Можно прекрасно видеть солнце, но такое впечатление, что на земле ночь.
Другой напрашивающийся вариант - подрезать значения. Допустим, все, что ярче снега,
будет иметь яркость 255. Справа результат такого подхода. Земля выглядит прекрасно, но вот
небо... Большая часть его просто белая, о солнце можно только догадаться. Тучи же выглядят светлыми пятнами на белом фоне.
Обратимся к фотографии. Как и монитор компьютера, фотографии имеют узкий диапазон
передаваемых значений яркости. Самое черное место на фотографии не является в
действительности черным, а самое яркое не может быть ярче самой бумаги.
Но фотографии не страдают от вышеперечисленных проблем. Хотя, конечно, страдают, но, скажем, имеют гораздо более совершенный механизм разрешения проблем с яркостью. Этот механизм - экспозиция, или выдержка. Чтобы разобраться, что здесь к чему, поверхностно рассмотрим процесс фотографирования.
В момент нажатия на кнопку фотоаппарата затвор в камере открывается на доли секунды,
что дает возможность свету проникнуть внутрь фотоаппарата. Через систему линз свет фокусируется на светочувствительной пленке. Пленка покрыта специальным химическим
составом, который темнеет под воздействием на него светового потока. Изображение на пленке формируется из участков засвеченного или не засвеченного химического состава (эмульсии). Чем
темнее стал участок эмульсии на пленке, тем ярче будет этот участок на окончательной
фотографии.
Количество света, которое проходит через линзы и попадает на пленку, контролируется
временем пребывания затвора в открытом состоянии (выдержка или экспозиция, от английского exposure).
Возникает законный вопрос, как связать процесс получения фотографии с компьютерной графикой. Для дальнейшего анализа определимся с начальным значением выдержки (экспозиции)
пленки на свету. Допустим, что на некоторой площади поверхности пленки находится 100 молекул светочувствительного химического состава. Свет попадает на этот участок, и половина молекул темнеет (конечно же, молекулы темнеть не могут, но для упрощения понимания процесса будем говорить так). Таким образом, результирующая фотография будет иметь половинную от максимально возможной яркости. Если на тот же участок пленки снова попадет
такое же количество света, то потемнеет половина из оставшегося количества молекул, таким
образом, результирующий снимок будет иметь 75°/о яркости от максимума. Чем больше свет воздействует на пленку, тем больше молекул темнеет. Однако чем меньше молекул остаются не
Рис. Остаток нереагировавших молекл
тронутыми, тем дольше должно быть воздействие света.
Конечно, фотоаппарат был бы бесполезным, если бы он не имел органов управления выдержкой пленки. Количество света, который достигает поверхности пленки, зависит от силы света, размеров объектива и диафрагмы, а также времени открытия затвора. Для упрощения проигнорируем разницу между размером диафрагмы и скоростью движения затвора и представим
их влияние под видом коэффициента К. Меньшие значения К будут означать более темное
изображение, и наоборот. Тогда
Количество света на пленке = Количество света х К,
а значение яркости
Вrightness = 1 — е -Количество света на пленке
Вот теперь ясно, что необходимо использовать
экспоненциальный закон для преобразования реального
диапазона яркости в ограниченный диапазон компьютера
и отобразить на экране монитора практически любое
изображение, даже с самыми большими вариациями яркости, и при этом не потерять в качестве отображения.
Вот результат. Солнце ярче неба, которое, в свою очередь, ярче земли, все детали отчетливо видимы, и мы ничего не потеряли. Именно так оно и должно быть.
ничего не потеряли. Имен
Использование цвета
Цвет принадлежит к базовым строительным материалам как в «бумажном», так и, в особенности, в компьютерном дизайне. Необычный, но тщательно продуманный и сбалансированный набор цветов вполне может стать основой великолепной композиции - и это при том, что остальные ее аспекты будут самыми что ни на есть ординарными.
Как уже не раз говорилось, восприятие цвета является более субъективным, чем
восприятие, скажем, формы - у людей разные не только любимые цвета, но и ощущения, связанные с тем или иным цветом. Тем не менее, в цветовой вселенной есть свои универсальные законы, которые любой художник обязан знать и уметь применять на практике. Это не дает. к сожалению, гарантии, что его цветовые решения будут нравиться всем, но, по крайней мере, позволит избежать распространенных ошибок и придаст работам профессиональный вид (это признают и те, у кого какие-то конкретные цвета вызывают неприятие).
Цвет - та область, в которой компьютерная графика имеет достаточно большое преимущество перед графикой естественной. Экран компьютера, в отличие от листа бумаги, сам излучает свет, и регулирование количества этого света позволяет охватить гораздо более широкий цветовой спектр, чем тот, который можно воспроизвести на бумаге.
3.2.1 Когда использовать цвет
Правильно использованный цвет может значительно увеличить значимость, ясность и воздействие графики. Однако использованный неправильно, он может запутать, затруднить
восприятие.
Цвет может использоваться для того, чтобы:
· различать объекты;
· 
показывать взаимоотношение и связи между объектами;
· отображать дополнительную информацию без увеличения размерности;
· создавать ясную трехмерную форму объекта;
· создавать более привлекательную графику для пользователя;
· приковывать внимание к разным частям изображения.
Человеческое восприятие по природе своей синтетично, а не аналитично - мы
раскладываем образ по составляющим размера, формы, цвета и так далее уже в мозгу, тогда как
органы чувств передают нам всю картинку целиком, со всеми искажениями и неточностями,
вызванными взаимовлиянием элементов. В полной мере это относится и к цвету - просто удивительно, насколько по-разному воспринимается цвет в зависимости от того, какую форму и площадь он занимает и какие цвета его окружают.
При цветовом решении изображения, например в дизайне рекламы, число цветов должно быть строго ограничено (что, вообще-то, справедливо и для художественной графики в разрезе основных композиционных цветов). Многие исследования показали, что не более чем шесть или семь цветов должны использоваться для этого., и при этом они должны быть четко различимы. Кроме того, предпочтительно добавить избыточную информацию - такую, как размер или форма, чтобы усилить это различие.
3.2.2 Цвет и форма
При уменьшении занимаемой цветом площади количество оттенков, которые глаз способен различить, уменьшается, и большинство цветов выглядят более тусклыми и темными, особенно если их яркость и насыщенность и без того не были максимальными. На практике это означает, что для небольших по размеру элементов нужно выбирать более яркие основные цвета, а для того чтобы показать всю красоту какого-нибудь темного, слабонасыщенного оттенка, необходима достаточная площадь (например, фон всей страницы).
С другой стороны, цвета, достаточно близкие к черному или к белому, вряд ли удастся
эффектно подать даже на блюде размером со стол. Если цвет слишком темный, глав склонен
считать его просто черным, а незначительную его светлоту списывать на неаккуратность
художника или на слишком яркий монитор. То же относится и к белому: почти любые
незначительные примеси (кроме разве что синего - не случайно при стирке белья добавляют
синьку) вызывают ощущение неопрятности, и чтобы заставить их звучать, необходимо поддержать и развить этот оттенок в других элементах.
3.2.3 Взаимодействие цветов
Любые два цвета в близком соседстве воспринимаются несколько иначе, чем по отдельности. Художники знают, что предметы материального мира связаны сложными цветовыми отношениями - они бросают друг на друга рефлексы (отраженный свет) и окрашенные тени. К этому же, пусть и на подсознательном уровне, приучен глаз любого непрофессионала, и этого он ожидает от любой композиции на экране компьютера или на бумаге.
Если цвета-соседи обладают примерно одинаковой яркостью, то они склонны обмениваться насыщенностью и цветом. Так, тускло-синий рядом с ярко-зеленым приобретает зеленоватый
налет и становится чуть более «цветным»; зеленый же несколько теряет в яркости и также
сдвигается в сторону голубого. Эти эффекты заметнее всего проявляются тогда, когда один цвет окружает со всех сторон, «подавляет» другой.
Непосредственно возле границы двух цветов, однако, начинает проявляться
противоположная тенденция - цвета как бы отталкиваются друг от друга, стараются подчеркнуть свои отличия; более темный цвет в соседстве с более светлым приобретает еще более темную «кромку», а светлый возле самой границы делается несколько ярче. Такое влияние цветов друг на
друга, приводящее к усилению контраста между ними, заметнее всего, когда цвета-соседи значительно отличаются по яркости. На ярком белом фоне почти любой достаточно темный цвет выглядит черным, а на темном или черном фоне особенно сочно смотрятся яркие и насыщенные цвета, тогда как темные и ненасыщенные выглядят бледновато.
3.2.4 Цветовые схемы
Диапазон связанных цветов, используемых вместе, дает единую законченную композицию. Плохой выбор цветов может сбить с толку или быть слишком резким и вызвать зрительное напряжение. Выбор связанных цветов это, скорее, субъективный процесс; однако, во многих случаях эмпирические принципы искусства можно объяснить в терминах цветовой науки.
Дополнительные цвета являются цветами, которые находятся на противоположны
сторонах цветового круга. Использование дополнительных цветов позволяет создать сочное.
привлекающее зрителей изображение. Чтобы изображение не выглядело очень ярким, цветность для больших областей должна быть уменьшена. Кроме того, для больших областей полезно использовать один цвет или группу подобных цветов так, чтобы их дополнительные цвета
выделялись, при их использовании в малых фрагментах в роли наиболее ярких участков изображения или акцентов. Определить дополнительный цвет достаточно легко практически,
нужно пристально посмотреть на маленькое цветовое пятно на черном фоне около минуты. Затем, если перевести взгляд на хорошо освещенную белую поверхность, то можно увидеть фантомное изображение в дополнительном цвете. При этом необходимо учесть, что точность полученного цвета зависит от используемого источника света.
Изображение, в котором много ярких несвязанных цветов, будет выглядеть хаотичным и бессмысленным; нет единой точки фокуса. Использование групп связанных цветов и расчетливое
использование ярких цветов предотвращает этот эффект и создает профессиональное изображение.
Некоторые цвета имеют общепринятый смысл, который является широко, если не универсально, понятным. Например, красный ассоциируется с действием, волнением, опасностью. высокой температурой и запрещением. Такие обозначения многообразны и противоречивы (об
этом в следующей лекции).
Не стоит использовать синий и красный вместе. Хроматическая аберрация глаза не дает
возможность полностью сосредоточиться на красном и синем одновременно. Глаз будет
утомляться от непрерывной перефокусировки, и, в итоге, ни один цвет полностью не будет в фокусе.
Не надо применять синий цвет, когда важна форма. При этом, однако, он создает хороший
фон. При использовании синего в качестве фона нет четкого очертания, поэтому мягкое
размывание изображения является ненавязчивым.
Нельзя использовать мелкие детали изображения в синем или красном цвете на темных
цветных фонах. Кривая спектральной чувствительности имеет пики в желтой и зеленой части
спектра. Цвета на краях спектра будут казаться более темными, чем желтые и зеленые, при том же самом измеряемом уровне силы света. Точно так же желтые и зеленые на светлом фоне будут
иметь низкую контрастность и таким образом будут плохо видны.
Не используйте синий или фиолетовый для небольших перемещающихся изображений типа курсоров мыши. Пространственная разрешающая способность для синих объектов намного меньше, чем для других цветов.
Не полагайтесь на различие красного и зеленого цветов, чтобы передать важную
информацию. Часть аудитории слабо различает или вовсе не будет чувствительна к различиям
красного и зеленого (дальтонизм).
Глоссарий
Этот глоссарий не представлен как набор формальных или точных определений Он
преднамеренно сохраняется неофициальным и разговорным. В глоссарий включены термины, не использовавшиеся выше, но позволяющие лучше понять природу света и цвета.
Chromosteriopsis Явление, когда кажется, что синие удаляются, а красные приближаются. Явление, вызванное обратной связью мышечных изменений, чтобы
перефокусировать глаза, интерпретируемое как дистанционная
фокусировка.
ISO Организация Международных эталонов; организация, которая производит международные стандарты во многих сферах деятельности.
Адаптация Реакция на общее изменение интенсивности света. "Момент" одновременной восприимчивости света и темноты, которые повышаются
или понижаются полным диапазоном яркости. Лист белой бумаги виден как белый, независимо от уровня света.
Ахроматический Не имеющий сигнала цветности или насыщенности; чистый не оттеняемый серый, белый или черный.
Гамма Диапазон цветов отображаемых устройством; подмножество диапазона различаемых цветов
Граничная Расположение максимально насыщенных спектрально чистых цветов в
поверхность одном из цветовых пространств МКО, представляет границы видимого
спектра света. Иначе, гамма человеческого глаза. Концы этой поверхности
соединены пурпурной линией.
Дневное зрение Зрение адаптируется к свету от низкого до высокого уровней света, где
палочки насыщаются, а колбочки обеспечивают цветовую информацию
Длина волны Расстояние между двумя последовательными пиками в регулярной волне. Видимый свет имеет длины волн между 380 и 770 нм.
Доминирующая Для цвета — одиночная спектральная длина волны, которая, когда смешана с длина волны белым, даст эквивалентное цветовое ощущение.
Дополнительный Цвет, точно противоположный по оттенку к данному цвету
Цвет
Кабинет просмотра Простой фрагмент установки, используемой для цветового соответствия
отражающих образцов (ткань, фотографии, и т.д.), состоящий из большого шкафа, окрашенного нейтральным серым, со стандартным источником освещения внутри него.
Координата цвета Величина каждого из трех основных цветов МКО, которые при
смешивании дали бы то же самое цветовое ощущение, как и образец
данного цвета.
Коэффициент Количество падающего света, который отражается некоторым объектом, в
отражения процентах.
(1) Факт, что два спектрально различных образца могут давать одинаковое цветовое ощущение. Это свойство допускает имитацию многих цветов только тремя основными цветами.
(2) Следствие информационной потери при вычислении координат цвета. Два спектрально различные образца могут дать одни и те же значения
(и, следовательно, выглядеть идентичным) под одним источником
света, давая различные значения (и казаться разными) под другим источником света.
Насыщенность (1) характеристика полноцветности, подобная насыщению, но выраженная
цвета относительно области белого подобно освещенной области белого.
Унылый серый имеет низкую насыщенность, яркий красный имеет высокую насыщенность. Насыщенность - полноцветность образца
относительно того, насколько светлым он является.
(2) В цветовом пространстве — уход цвета от серого; цветовая интенсивность.
Ночное зрение Зрение адаптируется к темноте при низкой освещенности, при этом
используются только палочки.
Отображение (преобразование) Приведение в соответствие и корректировка гаммы цветов одного
гаммы устройства для отображения на втором, отличном устройстве, так, что это выглядит так близко к оригиналу, насколько это возможно
Оттенок Степень сходства образца с красным, или желтым, или зеленым, или синим; независимо от того, каким является образец светлым или ярким.
Противоположные Три пары цветов: красный/зеленый, синий/желтый,
цвета черный/белый. При условии, что цвет может иметь характеристики только одного цвета из каждой пары. Например, красновато-желтый (оранжевый) возможен, в то время как красновато-зеленый не возможен.
Сетчатка Фоточувствительный слой рецепторов в глазе, который преобразовывает свет в нервные импульсы.
Сигнал яркости Мера того, насколько свет является интенсивным в изоляции.
(светимость/ свечение) Чтобы выяснить, как ярко он будет выглядеть, должна быть рассмотрена интенсивность других источников света рядом. Сигнал яркости – способ измерения интенсивности света, который учитывает кривую относительной спектральной световой эффективности.
Светлота Количество света, испускаемого или отраженного от чего-нибудь. относительно белого. Пятно серого цвета на белом листе бумаги обычно имеет ту же самую светлоту в сильном солнечном свете и в тени. См. яркость. Светлота принимает во внимание адаптацию.
Световая отдача Воспринимаемая яркость фиксированной интенсивности (относительная световая специфической длины волны источника света. Для того же
эффективность) самого уровня источника света зеленый кажется намного более ярким, чем красный или синий
Хроматическая Неспособность сосредотачиваться на обоих концах видимого
абберация спектра одновременно, вызванная показателем преломления внутриглазной жидкости, зависящим от длины волны
Цветная адаптация Реакция на полное изменение в цвете источника света. Лист белой бумаги имеет тенденцию быть замеченным как белый, независимо от цвета источника света.
Цветная индукция Нейтральное окружения цветов (по отношению к цветам) уменьшает воспринимаемую полноцветность. Темное окружение увеличивает воспринимаемую полноцветность. Цвета высокого уровня сигнала цветности стимулируют (вызывают) оттенок того же самого цвета в темном окружении, а дополнительного цвета в светлом окружении.
Цветность Способ описания оттенка и полноцветности образца независимо от светлоты образца.
Цветовая температура Температура излучения теоретически черного тела, который произвел бы свет той же самой или подобной цветности.
Цветовое Глаз и мозг постоянно пытаются владеть воспринимаемым
постоянство цветом объектов независимо от медленных изменений в уровне или цвете дневного света.
Электромагнитная энергия Форма энергии, которая может быть передана через вакуум. Перемещается со скоростью света. Может рассматриваться как волна или как материальная точка. Характеризуется длиной волны.
ЭЛТ Устройство для создания цветного или черно-белого (монохромного) изображения путем возбуждения атомов вещества люминофоров. в результате чего наблюдается свечение.
Эффект Пуркинье Сдвиг в длине волны максимальной чувствительности к свету при перемещении зрения от ночного до дневного.
Яркость Количество излучаемого или отраженного света от чего-нибудь в
абсолютных единицах. Пятно серого цвета на белом листе бумаги обычно бывает более ярким в сильном солнечном свете, чем в тени. См. Lightness (Светлота).
.
