Свет и материя

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.

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.

т.к. на основе освещения человек воспринимает форму объекта. Глаз воспринимает

освещение и «реконструирует» форму объета.
Моделирование освещения – ключевой фактор фотореалистичности сцены.

восприятия.
В реальном мире видимый цвет определяется количеством энергии видимого спектра,

попадающего на чувствительные элементы сетчатки глаза.
Как правило, глаз человека воспринимает отраженный от поверхностей свет.
Отражающие характеристики поверхности определяются отражающими способностями по отношению к электромагнитным волнам различной длины

заданного источника и отражаемой от объекта в сторону наблюдателя

угла падения

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.

- сохранение энергии



Обратимость






Сохранение

энергии

каждой длины волны здесь учитывается только отражение)

модели освещения
Локальные модели освещенности рассчитывают освещенность объектов сцены и не

рассматривают процессы светового взаимодействия объектов сцены между собой. Здесь рассматривается свет, поступающий только от первичных источников света, а само взаимодействие ограничивается только однократным отражением света от поверхности. Первичным источником света может быть только сам источник света, но не отражающий объект. Однако даже при современных вычислительных мощностях локальные модели широко используются, т.к. они просты в реализации даже на графических акселераторах и используются для моделирования свойств различных материалов, но не годятся для достижения реалистичности в сложных сценах.
Глобальные модели освещенности. Для того, чтобы корректно учесть взаимодействие между всеми объектами, необходимо использовать системы визуализации(рендеринга), которые могут рассчитывать глобальную освещенность. В этом случае все объекты сцены воспринимаются, как источники света.
Существует уже немалое количество методов, с каждым годом они становятся все более корректными физически, также постоянно улучшается их быстродействие. Их можно подразделить на методы:
использующие трассировку лучей (ray tracing),
фотонные карты (photon mapping),
излучательность (radiosity),
методы Монте-Карло.
Эта классификация в значительной степени условна, потому что многие наработки последних лет совмещают преимущества разных методов

передаваемые свойства материалов:
Диффузное отражение (diffuse) – модель Ламберта Иоганна Генриха
материалы

поверхностей(матовый пластик, дерево и т.п.)

Зеркальное отражение (specular) – модель отражения Ву Тонг Фонга
материалы поверхностей(зеркало, стекло, металл и т.п.)
блики на поверхности объектов (shininess)

Фоновое освещение или рассеянный свет (ambient)

рассеивание света
ДФО всегда постоянна – С\Pi .

косинус для моделирования бликов(shininess) (зависит от физических свойств материала поверхности),
Добавляет

рассеянный свет (ambient).

где w (i,λ) — кривая отражения, представляющая отношение зеркально отраженного света к падающему, n — степень, аппроксимирующая пространст­венное распределение зеркально отраженного света.

обычно заменяют константой Ks, которая выбирается либо из эстетических соображений

либо определяется экспериментально.

разбиение полигона на более мелкие части (увеличение геометрической сложности )

усреднением нормалей смежных граней
Нормали в вершинах интерполируются

D необходимо иметь две нормали:
Одна нормаль для гладкой закраски боковой

поверхности
Вторая нормаль для закраски торца

– Как компьютер рассчитывает изображения. Технологии программного рендеринга. Автор: Игорь

Сиваков 11.03.2004 00:05:00
- VRay - что это такое и как этим пользоваться: Часть 1,2.
Автор: Игорь Сиваков 24 июля 2004
- Глобальное освещение и его модели. Турлапов В.Е., проф. ВМК ННГУ им.Н.И.Лобачевского, vadim.turlapov@cs.vmk.unn.ru - GraphiCon’2008. Летняя школа