Простейшая модель освещения со специальными эффектами

Закраска Фонга

Закраска методом Гуро

Методом Гуро можно получить сглаженное изображение. Для этого объект изображается методом построчного сканирования, при котором моделью освещения рассчитывается интенсивность каждого пикселя вдоль сканирующей строки. Нормали к поверхности аппроксимируются в вершинах многоугольников, при этом сканирующая строка не обязательно проходит через эти вершины. При закраске Гуро сначала определяется интенсивность вершин многоугольника, а затем с помощью билинейной интерполяции вычисляется интенсивность каждого пикселя на сканирующей строке.

Данный метод имеет недостатки в том, что:

1. Заметно проявление эффекта полос Маха. Это объясняется тем, что метод интерполяции обеспечивает лишь непрерывность значений интенсивности вдоль границ многоугольников, но не обеспечивает непрерывность изменения интенсивности.

2. Если нормали к вершинам многоугольников вычисляем усреднением, то они будут одинаково ориентированы, т.е. в разных точках интенсивность будет равной, что приводит к эффекту, при котором поверхность выглядит плоской. Поэтому для изображения плавного перехода необходимы дополнительные построения многоугольников или, если необходимо сохранение резких складок, то для предотвращения сглаживания требуется выборочное усреднение нормалей к поверхности.

Закраска Гуро лучше всего выглядит в сочетании с простой моделью с диффузным отражением, так как форма бликов при зеркальном отражении сильно зависит от выбора многоугольников, представляющих объект или поверхность.

Закраска Фонга требует больших вычислительных затрат, но позволяет разрешить многие проблемы метода Гуро.

Если при закраске Гуро вдоль сканирующей строки интерполируется значение интенсивности, то при закраске Фонга – вектор нормали.

При закраске Фонга аппроксимация кривизны поверхности производится сначала в вершинах многоугольников путем аппроксимации нормали в вершине. После этого билинейной интерполяцией вычисляется нормаль в каждом пикселе.

Хотя метод Фонга устраняет большинство недостатков метода Гуро, он тоже основан на билинейной интерполяции. Поэтому в местах разрыва первой производной интенсивности заметен эффект полос Маха.

На основе простой модели освещения с точечным источником Варн разработал модель освещения, включающую специальные эффекты, которые применяются при управлении светом в профессиональных фотостудиях. К ним относятся задание направления и концентрации света, возможность ограничения области, освещаемой источником света.

В нормали Варна направление света можно регулировать независимо от расположения источника.

При такой схеме одна и та же модель освещения годится как для направленных, так и для точечных источников. Количество света, падающего в точку Р от направленного источника, зависит от угла β между вектором направления света L и прямой, проходящей через источник и Р. Пользуясь аппроксимацией Фонга для зеркального отражения от идеальной поверхности, находим интенсивность света от направленного источника вдоль прямой, соединяющей источник и Р:

I = I_0j cos^c β, где

с – степень, определяющая пространственную концентрацию направленного источника.

При большом с моделируется узкий луч прожектора, при малом с – заливающий свет.

Таким образом, можно уточнить модель освещенности, которая будет иметь вид:

I = I_0j cos^c β (k cos Θ + k₂ cosⁿ α)

Прозрачность

Выше приведенные модели освещенности рассматривают только непрозрачные поверхности и объекты. Однако существуют и прозрачные объекты, пропускающие свет. При этом при переходе из одной среды в другую световой луч преломляется. Преломление рассчитывается по закону синусов: падающий и преломляющий лучи лежат в одной плоскости, а углы падения и преломления связаны формулой:

n₁ sin Θ₁ = n₂ sin Θ₂ , где

n₁, n₂ – показатели преломления в различных средах

Θ₁, Θ₂ – угол падения и угол преломления.

Ни одно вещество не пропускает весь падающий свет, часть его всегда отражается, поэтому данную составляющую необходимо учитывать. При простейшей реализации функция интенсивности увеличится на

I = k₃ I_отр, где

k₃ – постоянная

I_отр – интенсивность преломляющего света, определяющаяся по закону синусов.