На этом шаге мы приведем общие сведения по трассировке лучей.
Методы трассировки лучей на сегодняшний день считаются наиболее мощными и универсальными методами создания реалистичных изображений. Известно много примеров реализации алгоритмов трассировки для качественного отображения самых сложных трехмерных сцен. Можно отметить, что универсальность методов трассировки в значительной степени обусловлена тем, что в их основе лежат простые и ясные понятия, отражающие наш опыт восприятия окружающего мира.
Как мы видим окружающую нас реальность? Во-первых, нужно определиться с тем, что мы вообще способны видеть. Это изучается в специальных дисциплинах, а в некоторой степени, это вопрос философский. Но здесь мы будем полагать, что окружающие нас объекты обладают по отношению к свету такими свойствами:
- излучают;
- отражают и поглощают;
- пропускают сквозь себя.
Каждое из этих свойств можно описать некоторым набором характеристик. Например, излучение можно охарактеризовать интенсивностью, направленностью, спектром. Излучение может исходить от условно точечного источника (далекая звезда) или протяженного (скажем, от извергающейся из кратера вулкана расплавленной лавы). Распространение излучения может осуществляться вдоль достаточно узкого луча (сфокусированный луч лазера), конусом (прожектор), равномерно во все стороны (Солнце), либо еще как- нибудь. Свойство отражения (поглощения) можно описать характеристиками диффузного рассеивания и зеркального отражения. Прозрачность можно описать ослаблением интенсивности и преломлением.
Распределение световой энергии по возможным направлениям световых лучей можно отобразить с помощью векторных диаграмм, в которых длина векторов соответствует интенсивности (рисунки 1-3).
Рис.1. Излучение: а - равномерно во все стороны, б - направленно
Рис.2. Отражение: а - идеальное зеркало, б - неидеальное зеркало, в - диффузное, г - сумма диффузного и зеркального, д - обратное, е - сумма диффузного, зеркального и обратного
Рис.3. Преломление: а - идеальное, б - диффузное
В предыдущих шагах мы с вами уже ознакомились с наиболее часто упоминаемыми видами отражения - зеркальным (67 шаг) и диффузным (68 шаг). Реже в литературе упоминается обратное, антизеркальное отражение, у которого максимум интенсивности отражения соответствует направлению на источник. Обратным зеркальным отражением обладают некоторые виды растительности на поверхности Земли, наблюдаемые с высоты, например, рисовые поля [1].
Два крайних, идеализированных случая преломления изображены на рисунке 3.
Некоторые реальные объекты преломляют лучи гораздо более сложным образом, например, обледеневшее стекло.
Один и тот же объект реальной действительности может восприниматься в виде источника света, а при ином рассмотрении может считаться предметом, только отражающим и пропускающим свет. Например, купол облачного неба в некоторой трехмерной сцене может моделироваться в виде протяженного (распределенного) источника света, а в других моделях это же небо выступает как полупрозрачная среда, освещенная со стороны Солнца.
В общем случае каждый объект описывается некоторым сочетанием перечисленных выше трех свойств. В качестве упражнения попробуйте привести пример объекта, который обладает одновременно тремя указанными свойствами - сам излучает свет и, в то же время, отражает, а также пропускает свет от других источников. Вероятно, ваше воображение подскажет иные примеры, нежели, скажем, докрасна раскаленное стекло.
(1)Иванов В.П., Батраков А.С. Трехмерная компьютерная графика. - М.: Родио и связь, 1995. - 223 с.
На следующем шаге мы продолжим изучение этого вопроса.
