Зеркальное отражение света.

Лекция 12. Модели освещения, методы закраски поверхностей.

Закраска видимых поверхностей.

Внешний вид поверхности зависит от 1. вида источника света, которым освещается объект, от 2. свойств поверхности, а также от 3. положения и ориентации поверхности относительно источника света и других поверхностей. Источник света может представлять собой точечный источник, (подобный Солнцу или лампе накаливания), или же распределенный источник, аналогичный группе ламп дневного света. На практике во многих ситуациях присутствует также естественный (рассеянный) свет, падающий с самых различных направлений.

Наиболее простым для моделирования источником является рассеянный естественный свет, так как он обеспечивает постоянное освещение всех поверхностей независимо от их ориентации. К сожалению, такой свет дает весьма нечеткие изображения, поскольку нередки ситуации, когда освещение обеспечивается только естественным светом. При естественном освещении две смежные стороны куба должны быть закрашены одинаково, а их общее ребро должно быть неразличимо.

Более сложным (с точки зрения моделирования), но зато более реальным источником света является точечный источник, при использовании которого освещенность поверхности зависит от ее ориентации: если лучи направлены перпендикулярно к поверхности, она освещена ярко. Чем меньше угол падения лучей, тем меньше освещенность. Такое изменение освещенности позволяет эффективно распознавать трехмерную структуру объекта.

Зеркальное отражение света.

Угол между нормалью и падающим лучом (q) равен углу между нормалью и отраженным лучом. Падающий луч, отраженный, и нормаль располагаются в одной плоскости (рис. 4.29).

Поверхность считается идеально зеркальной, если на ней отсутствуют какие-либо неровности, шероховатости. Собственный цвет у такой поверхности не наблюдается. Световая энергия падающего луча отражается только по линии отраженного луча. Какое-либо рассеяние в стороны от этой линии отсутствует. В природе, вероятно, нет идеально гладких поверхностей, поэтому полагают, что если глубина шероховатостей существенно меньше длины волны излучения, то рассеивания не наблюдается. Для видимого спектра можно принять, что глубина шероховатостей поверхности зеркала должна быть существенно меньше 0.5 мкм.

Если поверхность зеркала отполирована неидеально, то наблюдается зависимость интенсивности отраженного света от длины волны — чем больше длина волны, тем лучше отражение, Например красные лучи, отражаются сильнее, чем синие. При наличии шероховатостей имеется зависимость интенсивности отраженного света от угла падения. Отражение света максимально для углов q, близких к 90 градусам.

Падающий луч, попадая на слегка шероховатую поверхность реального зеркала, порождает не один отраженный луч, а несколько лучей, рассеиваемых по различным направлениям. Зона рассеивания зависит от качества полировки и может быть описана некоторым законом распределения. Как правило, форма зоны рассеивания симметрична относительно линии идеального зеркально отраженного луча. К числу простейших, но достаточно часто используемых, относится эмпирическая модель распределения Фонга, согласно которой интенсивность зеркально отраженного излучения пропорциональна (cos a)^р, где a— угол отклонения от линии идеально отраженного луча. Показатель р находится в диапазоне от 1 до 200 и зависит от качества полировки. Запишем:

где I— интенсивность излучения источника, К_S — коэффициент пропорциональности.