Компьютерная графика :: Теория 3D :: Освещение :: Типы источников света и их свойства, свойства материала поверхности

Свойства источника света и материала. Типы источников света. Суммарное освещение

В статье "Модель отражения Фонга" в качестве входных и выходных параметров фигурировали интенсивности. В конечном итоге, на экране, все эти расчеты будут определять цвет пикселей. Цель настоящей статьи описать, как, используя ту или иную модель освещения, получить итоговый цвет всех точек и какие цветовые характеристики поверхности и источника света требуются для этого.

Прим. В качестве освещаемых объектов по-прежнему выступают точки (вершины). Освещение полигонов (модели затенения) будут рассмотрены в последующих статьях.

В модели освещения Фонга свет представляется в виде трех составляющих: фоновая, рассеянная и зеркальная. С учетом цветовой модели RGB, каждая из этих компонент разбивается в свою очередь на три: фоновая красная, фоновая зелёная, фоновая синяя, рассеянная красная и т.д.

Свойства материала

Когда речь идет о свойствах материала в приложении к освещению, то имеется в виду его способность воспринимать каждую из трех компонент цвета каждой составляющей освещенности. Дополнительно, материал может сам излучать свет. Т.о. цветовые свойства материала задаются двенадцатью коэффициентами, которые объединяются в тройки:

$k_a(k_a^R,k_a^G,k_a^B)$ - свойство материала воспринимать фоновое освещение

$k_d(k_d^R,k_d^G,k_d^B)$ - свойство материала воспринимать рассеянное освещение

$k_s(k_s^R,k_s^G,k_s^B)$ - свойство материала воспринимать зеркальное освещение

$k_e(k_e^R,k_e^G,k_e^B)$ - свойство материала излучать свет

К свойствам материала добавляются ещё два коэффициента: k_α - прозрачность и β - коэффициент блеска. Подробнее о прозрачности будет рассказано в одной из последующих статей. Коэффициент блеска это степень косинуса в формуле зеркальной компоненты.

Свойства источника света

Цветовые свойства источника света:

$i_a(i_a^R,i_a^G,i_a^B)$ - мощность фонового освещения

$i_d(i_d^R,i_d^G,i_d^B)$ - мощность рассеянного освещения

$i_s(i_s^R,i_s^G,i_s^B)$ - мощность зеркального освещения

Будем считать, что для всех рассматриваемых ниже типов источников света цветовые свойства заданы. В списках параметров, приводимых ниже, они опускаются. В расчетных формулах имеется в виду, что вычисления производятся для каждой компоненты цвета по отдельности.

Типы источников света

Источники направленного света (directional light sources)

Источник направленного света находится в бесконечно-удаленной точке. В этом случае допустимо считать, что все лучи света от него распространяются параллельно и для всех точек можно использовать один и тот же вектор направления освещения. Хорошим примером такого источника света является Солнце.

Для источников направленного света использование модели Блинна-Фонга оказывается весьма выгодным. В предположении о постоянстве вектора взгляда $\vec{V}$ , вектор полупути $\vec{H}$ может быть вычислен единожды для источника и, далее использоваться на протяжении всех вычислений. В этом случае расчет зеркальной компоненты освещенности будет почти так же прост, как для рассеянной составляющей.

Параметры и расчетная формула

Параметрами источника направленного света будут вектор направления $\vec{L}$ (для расчета рассеянной компоненты) и вектор полупути $\vec{H}$ (для расчета зеркальной компоненты). Суммарный вклад в освещение от источника направленного света рассчитывается по формуле:

$I = k_ai_a + k_d\cos{(\vec{L},\vec{N})}i_d + k_s\cos^{\beta}{(\vec{H}, \vec{N})}i_s$

Точечные источники света (point light sources)

В отличие от источников направленного света, точечные источники находятся в определенной точке пространства с конечными координатами, и свет от них распространяется равномерно по всем направлениям. При расчете освещенности в точке будет учитываться направление на такой источник.

Также для точечных источников учитывается эффект поглощения света, когда интенсивность излучения уменьшается с расстоянием (distance attenuation). Убывание интенсивности излучения с расстоянием задается следующей формулой:

$f_{att}(d)=\frac{1}{k_{const} + k_{linear}d + k_{quadratic}d^2}$

где $d$ - расстояние от освещаемой точки до источника света.

Параметры и расчетная формула

Параметрами точечного источника света будут его положение в пространстве и три коэффициента для расчета затухания. Суммарный вклад в освещение от точечного источника света рассчитывается по формуле:

$I = f_{att}(d)(k_ai_a + k_d\cos{(\vec{L},\vec{N})}i_d + k_s\cos^{\beta}{(\vec{H}, \vec{N})}i_s)$

Прожекторы (spot light sources)

Такие источники света являются простой имитацией реальных прожекторов, которые используются, к примеру, в театре для создания мощного луча света в определенном направлении. Свет от такого источника распространяется лишь в определенном направлении и получается конус света. Обеспечивается это с помощью наложения ограничений на вектор направления $\vec{L}$ от освещаемой точки до источника света.

У прожекторов, по сравнению с точечными источниками света добавляются два новых параметра: направление центрального освещения $\vec{D}$ , половинный угол отсечения φ и коэффициент поглощения k_spotatt. Далее вычисляется величина f_spotatt:

$f_{spotatt}(\vec{L})=\begin{cases}0,&\text{$ \cos{(-\vec{L}, \vec{D})} < \cos{(\phi)} $}\\\cos^{k_{spotatt}}{(-\vec{L}, \vec{D})},&\text{$ \cos{(-\vec{L}, \vec{D})} \ge \cos{(\phi)} $}\\\end{cases}$

Прим. Косинус в первой четверти убывающая функция, поэтому приведенные выше условия будут верными, хотя для углов стоят противоположные знаки в неравенствах. Угол отсечения φ Є (0; 90°). Если φ = 90°, то прожектор вырождается в точечный источник света.

Параметры и расчетная формула

Параметрами прожектора будут его положение в пространстве, три коэффициента для расчета затухания, направление центрального освещения, половинный угол отсечения и коэффициент поглощения.

Суммарный вклад в освещение от прожектора рассчитывается по формуле:

$I = f_{spotatt}(\vec{L})f_{att}(d)(k_ai_a + k_d\cos{(\vec{L}, \vec{N})}i_d + k_s\cos^{\beta}{(\vec{H}, \vec{N})}i_s)$

Суммарное освещение

На сцене может находиться несколько источников освещения. В этом случае суммарное освещение создаваемое источниками света будет равно сумме вкладов, вносимых каждым источником:

$I = \sum{I_j}$

где I_j – вклад вносимый j-м источником света. Если учесть способность материала излучать свет и глобальную фоновую освещенность сцены, то итоговая формула будет:

$I = k_e + k_ai_{globalamb} + \sum{I_j}$

После расчета величин I^R, I^G, I^B в конкретной вершине эти значения могут быть больше единицы. В этом случае существует три способа нормализации:

Отсечение (clamping): если компонента больше единицы, то она приравнивается единице. Если компонента меньше нуля, то она приравнивается нулю.
Нормализация в вершине: считается минимум и максимум из I^R, I^G, I^B в конкретной вершине. После этого диапазон [I^min; I^max] линейным преобразованием переводится в диапазон [max(0, I^min); min(I^max, 1)] (для конкретной вершины).
Нормализация по всем вершинам: считается минимум и максимум из I^R, I^G, I^B во всех вершинах. После этого диапазон [I^min; I^max] линейным преобразованием переводится в диапазон [max(0, I^min); min(I^max, 1)] (для всех вершин).

		Компьютерная графика
		теория, алгоритмы, примеры на С++ и OpenGL
		2D теория	3D теория	OpenGL	Обратная связь / Авторам
Мы vkontakte.ru Друзья Словарь синонимов русского языка	Свойства источника света и материала. Типы источников света. Суммарное освещение В статье "Модель отражения Фонга" в качестве входных и выходных параметров фигурировали интенсивности. В конечном итоге, на экране, все эти расчеты будут определять цвет пикселей. Цель настоящей статьи описать, как, используя ту или иную модель освещения, получить итоговый цвет всех точек и какие цветовые характеристики поверхности и источника света требуются для этого. Прим. В качестве освещаемых объектов по-прежнему выступают точки (вершины). Освещение полигонов (модели затенения) будут рассмотрены в последующих статьях. В модели освещения Фонга свет представляется в виде трех составляющих: фоновая, рассеянная и зеркальная. С учетом цветовой модели RGB, каждая из этих компонент разбивается в свою очередь на три: фоновая красная, фоновая зелёная, фоновая синяя, рассеянная красная и т.д. Свойства материала Когда речь идет о свойствах материала в приложении к освещению, то имеется в виду его способность воспринимать каждую из трех компонент цвета каждой составляющей освещенности. Дополнительно, материал может сам излучать свет. Т.о. цветовые свойства материала задаются двенадцатью коэффициентами, которые объединяются в тройки: $k_a(k_a^R,k_a^G,k_a^B)$ - свойство материала воспринимать фоновое освещение $k_d(k_d^R,k_d^G,k_d^B)$ - свойство материала воспринимать рассеянное освещение $k_s(k_s^R,k_s^G,k_s^B)$ - свойство материала воспринимать зеркальное освещение $k_e(k_e^R,k_e^G,k_e^B)$ - свойство материала излучать свет К свойствам материала добавляются ещё два коэффициента: k_α - прозрачность и β - коэффициент блеска. Подробнее о прозрачности будет рассказано в одной из последующих статей. Коэффициент блеска это степень косинуса в формуле зеркальной компоненты. Свойства источника света Цветовые свойства источника света: $i_a(i_a^R,i_a^G,i_a^B)$ - мощность фонового освещения $i_d(i_d^R,i_d^G,i_d^B)$ - мощность рассеянного освещения $i_s(i_s^R,i_s^G,i_s^B)$ - мощность зеркального освещения Будем считать, что для всех рассматриваемых ниже типов источников света цветовые свойства заданы. В списках параметров, приводимых ниже, они опускаются. В расчетных формулах имеется в виду, что вычисления производятся для каждой компоненты цвета по отдельности. Типы источников света Источники направленного света (directional light sources) Источник направленного света находится в бесконечно-удаленной точке. В этом случае допустимо считать, что все лучи света от него распространяются параллельно и для всех точек можно использовать один и тот же вектор направления освещения. Хорошим примером такого источника света является Солнце. Для источников направленного света использование модели Блинна-Фонга оказывается весьма выгодным. В предположении о постоянстве вектора взгляда $\vec{V}$ , вектор полупути $\vec{H}$ может быть вычислен единожды для источника и, далее использоваться на протяжении всех вычислений. В этом случае расчет зеркальной компоненты освещенности будет почти так же прост, как для рассеянной составляющей. Параметры и расчетная формула Параметрами источника направленного света будут вектор направления $\vec{L}$ (для расчета рассеянной компоненты) и вектор полупути $\vec{H}$ (для расчета зеркальной компоненты). Суммарный вклад в освещение от источника направленного света рассчитывается по формуле: $I = k_ai_a + k_d\cos{(\vec{L},\vec{N})}i_d + k_s\cos^{\beta}{(\vec{H}, \vec{N})}i_s$ Точечные источники света (point light sources) В отличие от источников направленного света, точечные источники находятся в определенной точке пространства с конечными координатами, и свет от них распространяется равномерно по всем направлениям. При расчете освещенности в точке будет учитываться направление на такой источник. Также для точечных источников учитывается эффект поглощения света, когда интенсивность излучения уменьшается с расстоянием (distance attenuation). Убывание интенсивности излучения с расстоянием задается следующей формулой: $f_{att}(d)=\frac{1}{k_{const} + k_{linear}d + k_{quadratic}d^2}$ где $d$ - расстояние от освещаемой точки до источника света. Параметры и расчетная формула Параметрами точечного источника света будут его положение в пространстве и три коэффициента для расчета затухания. Суммарный вклад в освещение от точечного источника света рассчитывается по формуле: $I = f_{att}(d)(k_ai_a + k_d\cos{(\vec{L},\vec{N})}i_d + k_s\cos^{\beta}{(\vec{H}, \vec{N})}i_s)$ Прожекторы (spot light sources) Такие источники света являются простой имитацией реальных прожекторов, которые используются, к примеру, в театре для создания мощного луча света в определенном направлении. Свет от такого источника распространяется лишь в определенном направлении и получается конус света. Обеспечивается это с помощью наложения ограничений на вектор направления $\vec{L}$ от освещаемой точки до источника света. У прожекторов, по сравнению с точечными источниками света добавляются два новых параметра: направление центрального освещения $\vec{D}$ , половинный угол отсечения φ и коэффициент поглощения k_spotatt. Далее вычисляется величина f_spotatt: $f_{spotatt}(\vec{L})=\begin{cases}0,&\text{$ \cos{(-\vec{L}, \vec{D})} < \cos{(\phi)} $}\\\cos^{k_{spotatt}}{(-\vec{L}, \vec{D})},&\text{$ \cos{(-\vec{L}, \vec{D})} \ge \cos{(\phi)} $}\\\end{cases}$ Прим. Косинус в первой четверти убывающая функция, поэтому приведенные выше условия будут верными, хотя для углов стоят противоположные знаки в неравенствах. Угол отсечения φ Є (0; 90°). Если φ = 90°, то прожектор вырождается в точечный источник света. Параметры и расчетная формула Параметрами прожектора будут его положение в пространстве, три коэффициента для расчета затухания, направление центрального освещения, половинный угол отсечения и коэффициент поглощения. Суммарный вклад в освещение от прожектора рассчитывается по формуле: $I = f_{spotatt}(\vec{L})f_{att}(d)(k_ai_a + k_d\cos{(\vec{L}, \vec{N})}i_d + k_s\cos^{\beta}{(\vec{H}, \vec{N})}i_s)$ Суммарное освещение На сцене может находиться несколько источников освещения. В этом случае суммарное освещение создаваемое источниками света будет равно сумме вкладов, вносимых каждым источником: $I = \sum{I_j}$ где I_j – вклад вносимый j-м источником света. Если учесть способность материала излучать свет и глобальную фоновую освещенность сцены, то итоговая формула будет: $I = k_e + k_ai_{globalamb} + \sum{I_j}$ После расчета величин I^R, I^G, I^B в конкретной вершине эти значения могут быть больше единицы. В этом случае существует три способа нормализации: Отсечение (clamping): если компонента больше единицы, то она приравнивается единице. Если компонента меньше нуля, то она приравнивается нулю. Нормализация в вершине: считается минимум и максимум из I^R, I^G, I^B в конкретной вершине. После этого диапазон [I^min; I^max] линейным преобразованием переводится в диапазон [max(0, I^min); min(I^max, 1)] (для конкретной вершины). Нормализация по всем вершинам: считается минимум и максимум из I^R, I^G, I^B во всех вершинах. После этого диапазон [I^min; I^max] линейным преобразованием переводится в диапазон [max(0, I^min); min(I^max, 1)] (для всех вершин).

Друзья

Свойства источника света и материала. Типы источников света. Суммарное освещение

Свойства материала

Свойства источника света

Типы источников света

Источники направленного света (directional light sources)

Параметры и расчетная формула

Точечные источники света (point light sources)

Параметры и расчетная формула

Прожекторы (spot light sources)

Параметры и расчетная формула

Суммарное освещение