72. МЕТОДЫ ГЛОБАЛЬНОГО ТОНИРОВАНИЯ И ЛОКАЛЬНОГО РАСЧЕТА ОСВЕЩЕННОСТИ. ТИПЫ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА. ОСВЕЩЕННОСТЬ ТОЧКИ: ЗЕРКАЛЬНОЕ И ДИФФУЗНОЕ ОТРАЖЕНИЯ, ФОНОВАЯ ОСВЕЩЕННОСТЬ.

 

Распространения света.

Процесс распространения света распадается на две части – рас­пространение света в однородной среде и взаимодействие света с гра­ницей раздела двух сред.

Распространение света в однородной среде происходит вдоль пря­молинейной траектории с постоянной скоростью. При взаимодействии с границей двух сред происходит отражение и преломление света.

Пусть задана реальная сцена, состоящая из источника света и ряда объектов.

Весь свет начинает свой путь из источника и распространяется от него по прямолинейным траек­ториям до попадания на объекты сцены. Попав на какой-либо объ­ект сцены, луч света может прело­миться и уйти внутрь объекта или отразиться (рассеяться). Отразив­шись от объекта, луч света опять распространяется прямолинейно до попадания на следующий объ­ект, и так далее. Часть лучей в конце концов попадает в глаз наблюдателя, формируя изображение сцены на сетчатке его. Поместим перед глазом воображаемую картин­ную плоскость (экран) и будем считать, что изображение формируется на этой плоскости. Каждый луч, попадающий в глаз, проходит через некоторую точку экрана, формируя там изображение. Тем самым для построения изображения достаточно проследить весь путь распростра­нения света, начиная от его источника.

Выпустим из каждого источника света пучок лучей во все сторо­ны и мысленно проследим (оттрассируем) дальнейшее распростране­ние каждого из них до тех пор, пока либо он не попадет в глаз наблю­дателя, либо не покинет сцену. При попадании луча на границу объ­екта выпускаем из точки попадания отраженный и преломленный лучи и отслеживаем их и все порожденные ими лучи.

Описанный процесс называется прямой трассировкой лучей. В результате его выполнения можно получить изображение сцены, од­нако он требует огромных вычислительных затрат.

Основным недостатком: суще­ственный вклад вносит лишь очень небольшая часть трассируемых лучей. Чтобы избежать этого, попытаемся вместо трассирования всех лучей отслеживать лишь те лучи, которые вносят заметный вклад в строящееся изображение.

Для определения освещенности (цвета) точки экрана можно про­следить путь, по которому мог пройти луч света, попавший в эту точ­ку и сформировавший там изображение. Очевидно, что таким путем является путь луча, выходящего из глаза наблюдателя и проходящего через соответствующую точку экрана. Будем идти вдоль этого луча от глаза до точки ближайшего пересечения с каким-либо объектом сце­ны (при этом мы будем перемещаться в направлении, обратном на­правлению распространения света). Цвет соответствующей точки эк­рана будет определяться долей световой энергии, попадающей в эту точку и покидающей ее в направлении глаза. Для определения этой энергии необходимо найти освещенность точки объекта, для чего из нее выпускаются лучи в тех направлениях, из которых может прийти энергия. Это, в свою очередь, может привести к определению точек пересечения соответствующих лучей с объектами сцены, выпускания новых лучей и так далее.

Описанный процесс называется обратной трассировкой лучей или просто трассировкой лучей. Ключевая задача метода трассировки лучей – определение осве­щенности произвольной точки объекта и той части световой энергии, которая уходит в заданном направлении. Эта энергия складывается из двух частей – непосредственной (первичной) освещенности, то есть энергии, непосредственно получаемой от источников света, и вто­ричной освещенности, то есть энергии, идущей от других объектов.

Такие методы называются методами глобального тонирования, так как рассматривают все объекты сцены при выполнении расчета конечного цвета пикселя. Но здесь имеется одно сущест­венное препятствие –требуют большого объема вычислений. Поэтому основное внимание мы уде­лим более простым локальным моделям заполне­ния, основанным на модели отражения Фонга (Phong),.

Закраска методом Гуро. основывается на определении освещенности грани в ее вершинах с последующей билинейной интерполяцией получившихся величин на всю грань. Закраска методом Фонга. закраска Фонга при расчете интенсивности также опирается на интерполирование. Одна­ко в отличие от метода Гуро здесь интерполируется не значение ин­тенсивности по уже известным ее значениям в опорных точках, а значение вектора внешней нормали, которое затем используется для вычисления интенсивности пикселя. Поэтому закраска Фонга требует заметно большего объема вычислений. Правда, при этом и изображе­ние получается более близким к реалистичному.

Типы источников света:

1 Точечный источник света. Идеальный точечный источник света (point source) излучает свет одинаково во всех на­правлениях.

2 Фоновое освещение. Можно поступить и по-другому – подобрать такие характеристики источника, которые обеспечили бы равномерное освещение по всему пространству сцены. Такой источник принято называть источником фонового света (ambient light). Следуя второму подходу, мы можем при моде­лировании просто считать, что каждая точка на поверхности объектов этой сцены освещена одинаково. Таким образом, функция освещенности каждой точки поверхности характеризу­ется только заданной интенсивностью I_a.

Прожекторы. Источники света типа прожектор (spotlights) отличаются тем, что испускают свет на­правленным пучком, т.е. каждая точка излучающей поверхности посылает свет в одном и том же направлении. Проще всего смоделировать прожектор с помощью точечного источника света, ограничив для него направление, в котором распространяются световые лучи.

Удаленный источник света. все испускаемые им лучи можно считать параллельными. Использование такого источника в сцене избавляет от необходимости рассчитывать направления лучей, освещающих разные точки отображае­мой поверхности, а значит, существенно повышает скорость формирования изображения. Прекрасным примером такого источника является солнце.

Зеркальное отражение. Отраженный луч падает в точку P в направлении и отражается в направлении, задаваемом вектором , определяемым следующим законом: вектор  лежит в той же плоскости, что и вектор  и единичный вектор внешней нормали к поверхности , а угол падения q_i равен углу отражения q_r.

I_s = I_l k_s cos^pa,

где

I_l – интенсивность точечного источника;

k_s – экспериментальная постоянная;

a – угол между отраженным лучом и вектором наблюдения;

р – степень, аппроксимирующая  пространственное распределение света, являющаяся коэффициентом резкости зеркальным бликов

Диффузное отражение. Идеальное диффузное отражение описывается законом Ламберта, согласно которому падающий свет рассеивается во все стороны с оди­наковой, интенсивностью. все направления равноправны и освещенность точки пропорциональ­на только доле площади, видимой от источника, то есть × .

I = I_l k_d cosq, , где I – интенсивность отраженного света; I_l – интенсивность точечного источника; k_d – коэффициент диффузного отражения (постоянная величина, 0 ≤ k_d ≤1); q – угол между направлением на источник света и (внешней) нормалью к поверхности.

Идеальное преломление. Луч, падающий в точку P в направлении вектора , преломляется внутрь второй среды в направлении вектора . Векторы ,  и  лежат в одной плоскости и для углов справедливо соотношение

Фоновое освещение. На объекты реальных сцен падает еще и рассеянный свет, соответствующий отражению света от других объектов.

Итак, модель освещения имеет вид:

,

где I_a – интенсивность фонового источника;

k_a – коэффициент диффузного отражения рассеянного света

m – количество источников света,

d – расстояние от соответствующего источника света до точки, в которой вычисляется освещенность,

с₀, с₁, с₂ – константный, линейный и квадратичный коэффициенты затухания соответственно.Чтобы получить цветное изображение, необходимо найти функции закраски для каждого из трех основных цветов – красного, зеленого и синего. Поскольку цвет зеркально отраженного света определяется цветом падающего, то постоянная k_s считается одинаковой для каждого из этих цветов.Опишем два известных метода построения сглаженных изобра­жений.