Особливості моделювання світла і сцени

Фізична модель світла

Світло - це дуже складна система, щоб змоделювати її в досконалості. Саме тому ми рідко можемо бачити створені комп'ютером тривимірні зображення, що були б по сьогоденню фотореалістичні. В усіх випадках, чим складніше і реалістично створювана вами віртуальна сцена, тим більше обчислень ви повинні зробити, і тем повільніше вона буде відтворюватися на екран. Як програміст, ви повинні будете вирішити, чим ви більше готові пожертвувати: якістю чи зображення швидкістю його прорахунку на комп'ютері[4]; чи хочете ви, щоб ваша програма привела усіх у здивування своєю красою, але вимагала майже годину для промальовування одного єдиного зображення, чи могла працювати зі швидкістю виводу 60 кадрів у секунду, але при цьому була схожа на карикатуру.

Цей розділ буде присвячений деяким з фізичних принципів, реалізація яких при комп'ютерному моделюванні навколишньої дійсності дозволить об'єктам виглядати саме так, як вони повинні виглядати. Ми так само поговоримо про деяких часто використовувану спрощеннях, що дозволяють збільшити швидкість прорахунку зображення.

Одиничний Фотон

Світло складається з дрібних згустків енергії (часток), називаних фотонами. Фотон, з одного боку, це частка, з іншого боку - хвиля, це означає, що він має властивості, властиві як хвилям, так і часткам. Ці енергетичні згустки відриваються від джерела енергії і прямолінійно поширюються в просторі, поки не відбудеться зіткнення з зовнішнім об'єктом у просторі[2].

Об'єкти

При зіткненні фотона з зовнішніми об'єктами може відбутися:

· відображення (reflection) -і фотон відскакує від поверхні

· поглинання (absorption) -і фотон поглинається і віддає свою енергію об'єкту

· переломлення (refraction) -- фотон проходить крізь об'єкт і змінює напрямок руху в залежності від властивостей об'єкта й оточення

· відхилення (diffraction) -- фотон може відхилитися і змінити напрямок у випадку, коли він проходить на дуже близькій відстані від поверхні об'єкта.

Сукупність фотонів

У дійсності, фотонів дуже багато. Так багато, що ми можемо сказати - їх невиразно багато. Виходячи з цього, ми можемо зневажити фактом, що світло складається з одиничних фотонів і розглянути світло як безупинний потік енергії. У цьому випадку до світла можна застосувати статистичні закони, і отримані результати будуть досить акуратні саме завдяки величезній кількості задіяних фотонів. Таким чином, світло може бути (легко?) змодельований на комп'ютері[3].

Взаємодія світлового потоку з навколишніми предметами (об'єктами) дозволяє нам бачити їх. Світло виходить із джерела світлової енергії. Трильйони фотонів вириваються і з величезною швидкістю несуться від джерела, взаємодіючи з предметами, ударяючи кожну дрібну деталь навколишнього оточення. Невелика кількість з них попадає в маленьку темну пляму в середині нашого ока. Це зіниця. По дуже вагомій причині, суть якої буде пояснена нижче, наша зіниця чорний. Око улаштоване таким чином, що він трохи підправляє напрямок руху фотона перед тим, як він досягне задньої частини ока. Тут фотон поглинається світлочутливими рецепторами. Ці рецептори дають відповідні сигнали нашому мозку. Мозок інтерпретує послідовність сигналів, що надійшла, і постачає нас докладною інформацією про наше оточення. Зображення, що ми бачимо насправді, не є відповідним йому набором фізичних предметів. Усе, що ми одержуємо, насправді лише його енергетичний відбиток, що пройшов величезну кількість складних перетворень у нашому мозку. Синій об'єкт - не є в дійсності синій. Він вважається синім тому, що ми інтерпретуємо світло, що прийшло від нього, як синій.

Через досвід наш мозок учиться визначати і розпізнавати безліч образів і відбитків, що створює світло про навколишню нас дійсності. Дитина бере предмет, дивиться на нього мить, потім тягне в рот. Його мова - це прекрасний датчик, і може визначати форму і вид поверхні предмета практично так само, як і око, а іноді і краще. Дитина учиться асоціювати те, що він бачить з тією формою, що йому описав мову. Згодом дитина довідається, що той самий предмет може виглядати по-різному в залежності від того, як його тримати, хоча він як і раніше є тим же самим предметом. Це очевидно - подумаєте ви, але було виявлено, що сліпим з народження людям, яким медицина повернули зір, зрозуміти вищевикладене дуже складно. Їм також складно засвоїти зміст тіні і відображення, суть яких видючі люди пізнали ще від народження. І сам факт того, що ви можете бачити, ще не означає, що ви можете зрозуміти те, що бачите[4].

У цьому і полягає різниця між Даними (Data) і Інформацією (Information). Дані -і це світловий образ, що формується на сітківці ока. Інформація -і це інтерпретація цього образа нашим мозком[4].

Створюючи зображення будь-якого виду, ви намагаєтеся сформувати світловий образ на сітківці ока таким чином, щоб він інтерпретувався мозком як предмет, що відображає це зображення. Тренований мозок може витягти величезна кількість інформації з зображення. Завдяки цьому в голові ми можемо одержати повне тривимірне представлення сцени, зображеної на двомірній картинці. Щоб одержати це, наш мозок аналізує порядок взаємодії світла зі сценою (набором об'єктів зображених на картинці) і на основі такого аналізу даних видає нам кінцеве тривимірне представлення сцени.

Розмаїтість моделей висвітлення, застосовуваних у процесі формування зображень комп'ютером, -- це спроба збільшити кількість інформаціїї, що мозку зможе витягти. Коли ви, як програміст, будете писати фрагменти коду, що відповідає за графіку, вам не слід думати: "Я пишу процедуру затінення по Фонгу", замість цього вам належить міркувати так: "Я використовую візуальний трюк для коректної інтерпретації мозком"[3].