Яку інформацію може витягти мозок.

Людський мозок може витягти й інтерпретувати 4 інформаційних ресурси з потоку видимих даних.

Форма

Це зовнішній вигляд об'єкта (предмета) у сцені, його видимі границі і краї. Ок людини має здатність поліпшувати чіткість сприйманого зображення, що дозволяє впевненіше розпізнавати краю предметів; (до місця сказати, що багато комп'ютерних програм для обробки зображень використовують алгоритми, що дозволяють одержувати поліпшення чіткості, подібні тим, які робить око людини.)

Відтінки

Відблиски і тіні. Тон і структура поверхонь.

Колір

Три кольори можуть бути виявлені людським оком -- червоний, зелений і синій.

Рух

Мозок людини особливо сприйнятливий до руху об'єктів. Прекрасно "камуфльована" тварина миттєво буде виявлена, якщо вона поворухнеться. Дуже часто, якщо ви втратили курсор на екрані монітора, кращий спосіб знайти його - рушити мишкою.

Спеціальні відділи головного мозку відповідають за обробку цих чотирьох інформаційних ресурсів. Це було неодноразово доведено у випадках аналізу черепно-мозкових травм, одержуваних людиною. Як тільки людина одержує травму і позбавляється відділу головного мозку, що відповідає за кожною з перерахованих вище ресурсів, то він відразу втрачає здатність до сприйняття цієї інформації. Наприклад, в одному випадку жінка втратила здатність відчувати рух. Вона могла бачити так само, як усі, за винятком здатності чуйно визначати рух об'єктів. Наприклад, вона могла бачити автомобілі на дорозі, але ніколи не могла сказати з першого погляду - рухаються вони чи ні.

Здатність до сприйняття приймається людиною як саме собою що розуміється. Прийнято вважати, якщо ви можете бачити, те, виходить, ви в стані визначити форму, відтінки, колір і рух. Але це не завжди так.

Не менш важливою є інформація, що мозок чи додає видаляє під час аналізу. Коли ми споглядаємо, ми маємо справу з гігантськими обсягами інформації. Було б просто неможливим проаналізувати і запам'ятати всі зведення до дрібних деталей. Так це і не потрібно. Велика частина зведень (даних), що надходять нам через зір, не мають яку-небудь цінність. Мозок автоматично робить фільтрацію цього "сміття", дозволяючи нам сконцентруватися на більш значимій інформації. Що ще більш важливо, мозок також додає відсутню інформацію. Людський зір має "мертві зони", але, проте, ми цього не зауважуємо, тому що пробіли будуть завжди заповнені придатною інформацією. Наш мозок багато прощає.

Для програміста це означає те, що йому зовсім не потрібно прорисовувати зображення з точністю до дрібних деталей. Більшість з цих деталей буде просто зігнороване і "заповнено" чим - те іншим. Ваша картина може бути значно спрощена. От, наприклад, у фільмі "Повернення Джедая" зі знаменитих "Зоряних Воєн" один з космічних кораблів у просторі - це звичайний черевик. Але ніхто цього не помітив, тому що очікували бачити космічний корабель, і в тім місці дійсно був об'єкт, що нагадує його своєю формою, тому всі і бачили саме космічний корабель.

Ви можете ще більш спростити своє кінцеве зображення, якщо сцена знаходиться в русі. Натисніть паузу на відеомагнітофоні і подивитеся на нерухоме зображення, воно виглядає нікуди негідним, але ми цього не зауважуємо, коли воно в русі.

Ціль програміста, що відповідає за висновок графіки в реальному часі, - забезпечити такі процедури апроксимації у візуалізуючих фрагментах коду, що поліпшують реалізм і точно передають атмосферу, дух створюваного вами світу. Інше нехай робить мозок. Ціль програміста фотореалістичної графіки - спробувати змоделювати взаємодія світла з об'єктами сцени настільки акуратно, щоб воно могло витримати скрупульозну перевірку людським мозком.

Світло

Властивості світла

Закон зворотної пропорційності квадрату відстані

Як визначити яскравість світла?

Представте, що у вас є ідеальне джерело світла. Таке джерело не має обсягу і розмірів, а існує у виді крапки в просторі. Його можна включити і виключити, і це переключення відбувається миттєво, без утрат часу на перехідні процеси[2]. Це саме те джерело світла, з яким можливо працювати усередині віртуального світу комп'ютера. У реальному світі такі джерела неможливі. Надалі ми також побачимо, що і реальні джерела, у свою чергу, дуже складно створити у віртуальному світі.

А тепер представимо, що ми включили джерело на дуже короткий час, коротке настільки, наскільки можна собі представити. У цей момент світло починає поширюватися в різні сторони від джерела, утворити сферу. Представимо, що ми розглядаємо невеликий фрагмент цієї сфери.

У міру того, як промені світла усе більше і більше віддаляються від джерела, розмір сфери росте, відповідно, росте і розмір досліджуваного нами фрагмента. Яскравість цього фрагмента прямо пропорційна щільності фотонів, що містяться в ньому.

Зрозуміло, якщо розмір фрагмента росте, а кількість фотонів залишається незмінним, то щільність фотонів у ньому зменшується.

Площа поверхні сфери прямо пропорційна квадрату її радіуса. Таким чином, яскравість маленького фрагмента буде назад пропорційна квадрату відстані від джерела світла.

де:

· Brightness - величина, що визначає яскравість (інтенсивність) світла в крапці віддаленої від джерела світла на відстані r;

· k - деяка константа, що визначає яскравість (інтенсивність) самого джерела світла.

Це і є закон зворотної пропорційності квадрату відстані. Цей закон застосуємо до всіх джерел світла, крім лазерів.

Закон косинуса

Яка освітленість поверхні?

Тепер, після того, як світло залишило джерело, воно може взаємодіяти і навколишніми предметами. Зараз ми обговоримо теорію взаємодії світла з поверхнею непрозорого предмета. Тут дуже важливо знати, як багато світла
буде в будь-якій крапці на поверхні цього об'єкта.

Коли поверхня цілком звернена до світла - максимальна кількість світла досягає її. Уся поверхня освітлена.

Коли поверхня розташована під деяким кутом до падаючого на неї світла,
площа перетину, зверненого до світла, стає менше. Що виражається в меншій кількості світлової енергії, що впливає на поверхню.

Коли вектор нормалі до площини поверхні знаходиться під прямим кутом до падаючого світлу, то світло просто-напросто проходить повз поверхню, і вона зовсім не висвітлюється.

Таким чином, кількість світлової енергії, що впливає на поверхню, є функція від орієнтації поверхні стосовно променів світла, що впливають.

Illumination= cos(a) * brightness;

де:

· illumination - освітленість поверхні;

· a - кут між нормаллю до поверхні і напрямком світла;

· brightness - яскравість (інтенсивність) світла.

Світло може бути поглинений поверхнею, відбитий чи пропущений крізь неї.

Поглинання

Деяка кількість світла може бути поглинено поверхнею. У цьому випадку відбувається звичайне нагрівання поверхні. Остільки, оскільки ми говоримо тільки про комп'ютерні зображення, те найчастіше ми можемо просто ігнорувати це явище.

Відображення

Велика частина світла "відскочить" від поверхні. Напрямок відбитого світла до деякої міри залежить від самої поверхні.

Якщо поверхня зовсім гладка (абсолютно блискуча), світло відіб'ється від поверхні під точно таким же кутом до нормалі, під яким кутом він до неї прийшов. При цьому нормаль буде бісектрисою кута між напрямком приходу лучачи і напрямком його відображення. Це явище можна спостерігати на дзеркальній чи полірованій металевій поверхнях. Ми зможемо помітити яскраве відображення від поверхні, тільки дивлячись на неї під визначеним кутом[3].

Якщо поверхня шорстка (абсолютно розсіює), то відбите світло буде поширюватися в багатьох напрямках. Тут ні в якому разі не затверджується, що в природі існують абсолютно розсіюють поверхні. Грубо оброблене дерево прекрасне розсіює світло, як і матова фарба, але обидва матеріали все-таки мають якийсь (ненульовий) блиск (shininess). Найбільш яскраве відображення від цих поверхонь буде помітно під різними кутами зору.

Більшість природних і штучних матеріалів знаходяться десь посередньо між цими двома крайностями. Вони одночасно мають властивості блиску (shininess) і розсіювання (diffuse). Щоб помітити розсіяної світло від поверхні, положення ваших очей не має значення, для того, щоб помітити відблиск, кут зору повинний бути строго визначеним.

Переломлення

Коли світло проходить крізь поверхню, він проходить з одного середовища в іншу. У момент проходу через границю середовищ виникаючі квантові ефекти змушують світло змінити свій напрямок. Така зміна напряму руху світла називається переломленням (refraction). Точне значення величини кута зміни напрямку залежить від взаєморозташування поверхонь середовищ і властивості середовища за назвою коефіцієнт переломлення. Порожнеча (вакуум) має коефіцієнт, дорівнює одиниці. У повітря цей коефіцієнт трохи нижче. Більш тверді матеріали і середовища мають більш низькі коефіцієнти переломлення [4].

Переломлення - дуже складне явище, вимагає великих обчислювальних потужностей при його моделюванні. Для виводу на екран у реальному часі більш придатним є застосування технології ray tracing. Ми не будемо тут поглиблюватися в подробиці, усьому свій час:)

Після взаємодії з поверхнею, якщо, звичайно, він не був поглинений, світло продовжує свій шлях і продовжує взаємодіяти з іншими предметами. Одиничний фотон буде продовжувати відбиватися від багатьох і багатьох поверхонь, поки остаточно не розтратить свою енергію. Ці численні ітерації складно моделювати, та й займуть вони колосальний час на візуалізацію. Роблячи рендеринг графіки в реальному часі, думають, що світло взаємодіє з поверхнею один раз.

Колір

До дійсного моменту ми говорили про однорідний світловий потік. Фактично, він і є однорідний, але може виявляти себе в нескінченній безлічі різних варіацій.

Світловий спектр

Тому що світло є ще і хвилею, то, зрозуміло, він має довжину хвилі. Довжин хвиль нескінченна безліч, але наше око в стані реєструвати тільки їхній невеликий діапазон, відомий за назвою видимої частини спектра. Узагалі ж, довжини хвиль можуть бути від надкоротких (мільйонні частки міліметра) до наддовгих (кілометри).