Основы света и тени Часть 2.
Зеркальное (specular) и рассеянное (diffuse) отражение.
Рисунок 2.1 Глянцевая сфера (шар для бильярда) под прямым источником света, показывает нам явление зеркального и рассеянного отражения. Фотограф Дэвид Бриггс.
Свет отражается от большинства поверхностей одновременно сразу двумя различными путями: зеркальное (поверхностное) отражение и рассеянное (объектное) отражение. Зеркальное создаёт блик, который сразу бросается в глаза (рис 2.1). На нашем шаре, как и на большей части других материалов, кроме цветных металлов таких как золото или медь, зеркальное отражение сохраняет цвет источника света (белый в нашем случае). Рассеянное отражение - это локальный цвет поверхности (почти белый в нашем случае).
При зеркальном отражении свет отражается в соответствии с правилом угла падения (угол падения равен углу отражения, измеряется от перпендикулярной линии к плоскости). На любом блестящем объекте мы можем видеть блик в точке, где поверхность объекта находится под углом, необходимым для отражения света от источника света к нашему глазу в соответствии с правилом угла падения (рис. 2.2).
Следуя этому, кажущаяся позиция блика каждый раз будет разной, в зависимости от положения наблюдателя. На гладких, полированных объектах наше стереоскопическое зрение проводит два луча от наших глаз и до «виртуального» изображения, где блик выглядит расположенным ниже отражающей поверхности. Полированные объекты могут не только показывать чёткое изображение главного источника света в виде блика, но также и все окружающие их объекты в виде отражения. Менее полированные объекты показывают относительный «размытый» блик – зеркальное отражение распределено по более широкой области благодаря неровным граням поверхности, которые повёрнуты под углом необходимым для срабатывания правила.
Рисунок 2.2. Позиция блика. Свет отражается в глаз зрителя в точке, где угол падения равен углу отражения и зритель видит блик вдоль этой линии. Зритель не может видеть блик в точке под источником света, так как луч света отражается от поверхности объекта обратно к источнику света.
Во многих уроках и наставлениях по рисунку ошибочно позиция блика указывается как точка прямо направленная на источник света (Рисунок 2.3). На самом деле, луч света падающий в эту точку попадает в неё под прямым углом и как мы помним из прошлого рисунка, он вернётся обратно к источнику света, а не к зрителю. Только лишь в том случае, когда источник света и взгляд зрителя совпадают, мы можем увидеть такое положение блика (буквально «свет из глаз зрителя»). На сфере блик всегда будет наблюдаться где-то на линии между точкой направленной на источник света и визуальным центром сферы.
Рисунок 2.3. Диаграмма зон освещённости сферы из двух популярных наставлений по рисунку. Слева пример от Эндрю Лумиса (1951), справа от Aristides (2007). Обе работы показывают неправильное положение блика в центре освещённой зоны, прямо под источником света. Как и на всех диаграммах такого рода, показано лишь Рассеянное отражение света от столешницы (отражённый свет от стола), но не показано его зеркальное отражение в сфере. Непрерывная полоса собственной тени показана вдоль терминатора. На самом деле сфера при таком освещении будет больше похожа на шар из рисунка 2.1
Рассеянное отражение состоит из света, который не следует (на макроскопическом уровне) правилу угла падения, вместо этого свет отражается равномерно во всех направлениях. Несколько сайтов по «популярной науке» наверное уже навсегда увековечили в сознании простых людей ошибку с зеркальным и рассеянным отражением от гладких и шероховатых поверхностей (Молекулярные выражения). На самом деле рассеянное и зеркальное отражение работают одновременно для большинства материалов и что очевидно, процесс их работы несколько отличается друг от друга – зеркальное отражение сохраняет цвет источника света, тогда как рассеянное отражение часто окрашивается в цвет поверхности. Рассеянное отражение следует рассматривать как результат подповерхностного рассеивания (subsurface scattering); свет входит в слой поверхности, затем многократно отражает внутри него и выходит наружу в случайном направлении (Hanrahan and Kruger, 1993). Точная пропорция двух видов отражения зависит в основном от типа материала (металлы показывают высокую зеркальность и практически полное отсутствие рассеянного отражения) и от угла падения (свет, падающий под малым углом к поверхности, будет отражаться зеркально), а не от гладкости поверхности. Если отполировать шероховатую поверхность, то «размытое» зеркальное отражение будет более концентрированным из-за уменьшения количества граней, но это совсем не обязательно увеличит общее количество зеркального отражения, только если мы не отполируем объект до идеальной гладкости.
Подповерхностное рассеивание достаточно сильное в некоторых материалах, что приводит к подповерхностному переносу света, что в свою очередь создаёт макроскопическую прозрачность материала. В некоторых пособиях по рендерингу в 3Д программах, термин «подповерхностное рассеивание» ограничен такими материалами как молоко, мрамор и т.д. Многие другие материалы допускают достаточное подповерхностное рассеивание, что создаёт рассеянное отражение, но на макроскопическом уровне такие материалы выглядят непрозрачными и показывают прозрачность только в очень узкой области. Материалы, которые непрозрачны даже на микроскопическом уровне, не обладают рассеянным отражением и выглядят как чёрные, полу-металлические (например графит) или металлические материалы, в зависимости от количества зеркального отражения, которое они показывают.
Количество зеркального отражения кажется большим на чёрных объектах чем на белых, но это своеобразная иллюзия, вызванная тем, что зеркальное отражение перебивается гораздо более сильным рассеянным отражением.
Кроме блика у нас ещё есть зеркальное отражение света от окружения, которое мы можем видеть вдоль поверхности объекта. Этот зеркально отражённый свет несёт в себе цвет окружения, что в свою очередь снижает насыщенность любого цветного объекта из окружения, который проявляется в зеркальном свете от окружения. По большей части эти зеркальные отражения заметнее всего в теневой зоне, там, где они не поглощаются рассеянным отражением, а также на отклоняющихся гранях, там, где есть зеркальное отражение от света позади объекта (контурный свет). Эффект сильного зеркального отражения на удаляющихся гранях может быть заметным даже в очень хорошо освещённых областях, особенно когда на фоне есть светлые объекты.
ЗОНА СВЕТА
Рисунок 2.4 Глянцевая сфера под одиночным прямым источником света, показывает нам чёткую терминологию света и тени. Фотограф Дэвид Бриггс.
Свет от источника света идёт по прямым линиям и делит любой объект на зоны света и зоны тени (рисунок 2.4). Зона тени также делится на собственную тень предмета – область тени на самом объекте и на падающую тень – область тени, созданную самим предметом.
Граница между зоной света и собственной тенью известна как терминатор. На сферах зона света занимает примерно половину сферы (меньше половины если источник света маленький и он близко; больше половины если источник света больше в видимом или угловом размере). В любом случае терминатор на сфере будет в виде целого круга, таким образом видимая часть терминатора будет иметь форму секции эллипса. На рисунке 2.4 источник света и шар для бильярда расположены бок о бок, поэтому терминатор выглядит почти как прямая линия. Видимый паттерн света и тени зависит от отношения между направлением источника света и положением зрителя.
Характер и направление терминатора очень сильно зависят от формы объекта. Из-за постоянной кривизны поверхности, терминатор имеет мягкий край на сфере, овоиде, цилиндре или конусе (хотя в случае конуса край терминатора становится более острым ближе к вершине). Направление терминатора на сфере может быть определено как прямой угол по отношению к направлению источника света, на цилиндре как параллельные линии к центральной оси, на конусе терминатор исходит из вершины. На призматических объектах терминатор следует изменениям плоскостей и его края гораздо более чёткие нежели на объектах вращения (сфера, конус, цилиндр). На объектах, занимающих промежуточное положение между объектами вращения и призматическими, терминатор также будет являть собой нечто среднее.
Различия в яркости рассеянного отражения внутри освещённой зоны, показывают нам форму объекта. Независимо от позиции наблюдателя, рассеянное отражение всегда ярче на плоскости прямо направленной на источник света, там, где свет падает на плоскость под прямым углом и количество света максимальное. На все остальные плоскости свет падает со всё большим наклоном, количество упавшего на плоскость света становится меньше и соответственно, плоскость становится темнее. Однако поначалу разница в освещении не сильно заметна и лишь когда угол падения становится равным 60 градусам, только тогда количество упавшего на плоскость света уменьшается вдвое; в дальнейшем сокращение количества света становится всё более быстрым. Художникам это может оказаться полезным в плане разделения формы объекта на серии освещённых зон, состоящих по крайней мере из освещённой области, полутени, собственной тени вдоль терминатора. Когда художник находит правильные цвета для каждой из зон, плюс цвет тени, то нахождение промежуточных цветов становится лишь делом техники.
ЗОНА ТЕНИ
Область тени объекта насыщенна слабыми деталями, но, как правило, все начинающие художники чересчур их усиливают. Очень легко забыть, что мы смотрим на тень, когда мы начинаем рассматривать все эти интересные детали в теневой области. Как и всегда в живописи, очень важно видеть все эти изменения и детали в контексте общего тона и цветового диапазона предмета.
Источниками света в теневой области объекта обычно являются отражённый от окружения свет и любые вторичные источники света. Отражённый от окружения свет можно увидеть в теневой области как в его рассеянном проявлении (обычный отражённый свет), так и в зеркальном проявлении. Обычно пособия по рисунку показывают только рассеянный вариант и полностью игнорируют зеркальный (как на рисунке 2.3). Все достаточно гладкие поверхности, которые обладают сильным бликом, будут также показывать достаточно убедительное зеркальное отражение в своей теневой области. Тёмная форма отражения от падающей тени также достаточно хорошо заметна (рисунок 2.4). Рассеянное отражение выглядит по-разному в зависимости от того, находится ли близко к нему собственная тень предмета и есть ли сильно освещённая часть окружения. В некоторых случаях рассеянное отражение может быть наиболее ярким в направлении противоположном направлению основного источника света, создавая тёмную область, также называемую собственной тенью объекта вдоль всей длины терминатора. На рисунке же 2.4, представлена совершенно другая ситуация, когда освещённый стол, создаёт совсем другой вид.
Падающая тень от сферы, освещённой под наклоном будет иметь вид эллипса и всегда будет близка к форме идеального эллипса с какого бы угла на падающую тень не смотрели. Внешняя граница падающей тени это переходная зона, которая называется полутенью (не путайте с полутенью на самом предмете), она возникает там, где источник света частично закрыт сферой. Ширина полутени и мягкость теневого края зависят от расстояние которое лучи света проходят от источника света (рисунок 2.6). Ширина полутени растёт вместе с расстоянием от объекта, который отбрасывает тень и зависит от угловых или видимых размеров источника света.
Рисунок 2.6. Ширина полутени. Ширина полутени растёт с расстоянием от объекта который отбрасывает тень.
Чаще всего самой тёмной частью теневой зоны будет область, называемая «щелевой тенью», она возникает там, где 2 поверхности входят в контакт (например, место где сфера соприкасается со столом на рисунке 2.4). Темнота этой зоны является результатом окклюзии- чем ближе к точке контакта между поверхностями, тем меньше света от окружения попадает в эту область. И сфера, и стол, зачернены в зоне щелевой тени, хотя в зависимости от позиции наблюдателя иногда её невозможно увидеть.
Права принадлежат Дэвиду Бриггсу и Рэю Кристиано, 2007.