Свет: фотометрия формирования изображения
Свет — это наиболее важная предпосылка зрения; без света все изображения были бы одинаково темными, независимо от того, насколько интересной является сцена. Фотометрия — это наука о свете. Для наших целей мы создадим модель того, как свет в сцене преобразуется в интенсивность света на плоскости изображения, которая обозначается1 как Т(х, у). Такая модель лежит в основе любой системы зрения, позволяющей выявлять по данным об интенсивности света на изображениях свойства внешнего мира. На рис. 24.3 показано оцифрованное изображение степлера на столе, а также отмечен квадратом блок пикселов с размерами 12x12, выделенный из изображения степлера. Работа любой компьютерной программы, предназначенной для интерпретации изображения, начинается с матрицы значений эффективности, подобной этой.
Яркость пиксела на изображении пропорциональна количеству света, направленного в камеру от конечной части поверхности, ограниченной замкнутой кривой, в сцене, которая проектируется на данный пиксел. Это значение, в свою очередь, зависит от отражательных свойств рассматриваемой конечной части поверхности, а также от положения и распределения источников света в сцене. Кроме того, отражательные свойства зависят от остальной части сцены, поскольку другие поверхности в сцене могут стать косвенными источниками света, отражая падающий на них свет.
Мы можем моделировать два различных вида отражения. Зеркальное отражение означает, что свет отражается от внешней поверхности объекта и подчиняется тому закону, что угол падения равен углу отражения. Так действует идеальное зеркало. Диффузное отражение означает, что свет проникает через поверхность объекта, поглощается объектом, а затем снова излучается за пределы его поверхности. Если поверхность является идеально рассеивающей (или ламбертовой), то свет рассеивается с равной интенсивностью во всех направлениях. Интенсивность зависит только от угла падения луча, поступающего от источника света: если источник света расположен прямо над поверхностью, то отражается больше всего света, а если лучи от источника света проходят почти параллельно поверхности, то количество отраженного света примерно равно нулю. Между этими двумя крайностями интенсивность отражения I подчиняется закону косинуса, установленному Ламбертом:
J = к Jo cosG
где т0 — интенсивность источника света; 0 — угол между источником света и перпендикуляром к поверхности; к — константа, называемая отражательной способностью, которая зависит от отражательных свойств поверхности. Она изменяется от О (для совершенно черных поверхностей) до 1 (для чисто белых поверхностей).
В действительности почти все поверхности обладают сочетанием свойств диффузного и зеркального отражения. Моделирование такого сочетания на компьютере — это квинтэссенция компьютерной графики. Прорисовка реалистических изображений обычно осуществляется по методу трассировки луча, цель которого заключается в моделировании физического процесса генерации света источниками света, а затем многократного повторного отражения.