Поїхали! Для початку трошки закріпимо пройдений матеріал про відображеннях.
Відображення і заломлення перебивають дифузний колір.
Це означає, що якщо у вас є сильно відображає матеріал, метал, наприклад, то дифузний колір взагалі не буде видно. Тому 100% відображень = 0% дифузного кольору. 100% прозорість - означає, що відображення можуть мати місце, але повністю виключає дифузний колір. Провідники (метали) не мають дифузійної складової, тому для металів ви ставите diffuse на 0% (чорний колір).
БУДЬ-ЯКА поверхня відбиває.
Існуючий на Землі реальний матеріал з найменшою здатністю, що відображає відображає 0.045% падаючого на нього світла. Таким чином, навіть "абсолютно чорна" поверхню все одно відображає якусь частку світла. Що вже говорити про звичайних матеріалах, що у реальному житті, а не створених в лабораторних умовах.
Більшість поверхонь мають глянцеві відображення. Поверхні з чисто дзеркальними відображеннями зустрічаються дуже рідко.
Самий відображає матеріал - Spectralon. Він відображає приблизно 99% падаючого світла. Схожий по виду на матеріал з BRDF по Ламберту, але точно їм не є.
Аркуш білого паперу відображає приблизно 80% світла.
Тому, якщо хочете домогтися реалістичного результату, слід додавати текстуру відображення до всіх без винятку матеріалів.
Відображення, напевно, другий за значимістю для фотореалізму фактор після глобального освітлення (технічно кажучи, талант і досвід теж все ще в ходу).
Нижче представлено зображення, візуалізоване з і без відображень. Подивіться, на скільки багатшими виглядає картинка з відбитками.
А ось те, що архітектурні візуалізатори використовують постійно - Френелевскую (Fresnel) відображення. Оскільки відображення в реальному світі в більшості своїй розмиті, а не дзеркальні.
Теж саме можна сказати про чіткі і розмитих тінях. Постійно використовуючи м'які тіні - ви не допустите помилки.
Найтемніший матеріал, який більш-менш доступний звичайній людині, відображає мінімум 3% світла. Звичайно, ви можете створити матеріал, який буде відображати тільки 1% світла, але в реальному житті такий матеріал можна буде зустріти хіба що в лабораторії.
Ідея така: реальні матеріали відображають досить багато. Але відображення у діелектриків повинні мати Френелевскую загасання (Fresnel falloff), поговоримо про нього трошки пізніше.
2. Пропущення (Transmission).
Прозорість на рівні мікроструктури означає, що світлова енергія не трансформується в теплову (останнє характерно для чорних або темних матеріалів) і матеріал пропускає світло повністю.
Якщо прозорий або напівпрозорий матеріал забарвлений в певний колір. то він поглинає певні довжини хвиль світла, а цей деякий колір проходить без будь-яких перешкод. При цьому інші кольори зовсім не проходять крізь такий матеріал.
Чи проходить світло крізь поверхню або відбивається від неї, залежить від кута падіння світла на поверхню і коефіцієнта заломлення матеріалу. Ми моделюємо це, використовуючи рівняння Френеля. Взагалі-то, світло, що падає перпендикулярно поверхні діелектрика майже повністю проходить всередину, а світло, що падає під ковзаючим кутом - майже повністю відбивається.
Тільки одне з вищеописаних подій може статися з певним фотоном: він може або проникнути в обсяг матеріалу, або відіб'ється поверхнею. Але ми моделюємо загальний результат для нескінченної кількості фотонів. Тому, моделюючи випадок для конкретної поверхні, ми маємо справу з процентним співвідношенням фотонів, що зазнають ту чи іншу взаємодію.
Таким чином, метал відображає 50% фотонів потрапляють на нього і поглинає решту 50%. Якщо потрібно змоделювати скло, то ми скажемо, що воно пропускає 90% фотонів падаючих на нього перпендикулярно, 5% відображає і решта 5% поглинає.
Переломлення (Refraction).
Цей ефект пов'язаний з пропущенням.
Переломлення - це викривлення променів світла (зміна їх напрямки руху) при проходженні кордону розділу двох середовищ (матеріалів). Різних середовищах переломлює по-різному, це називається коефіцієнт заломлення - IOR.
Нульовий IOR означає, що прозорий об'єкт невидимий (немає викривлення променів, обидві середовища мають однакову щільність). Наприклад, скло ви бачите тільки завдяки заломлення променів світла і часткового їх поглинання. Причина заломлення - різна щільність середовищ. Світло рухається повільніше, коли проходить крізь більш щільне середовище.
Уявіть камінь, кинутий в воду під прямим кутом - він не змінить свого напрямку, просто уповільнить хід. Але якщо кинути камінь під гострим кутом до поверхні води, то, увійшовши в воду, він змінить свій напрямок польоту через великий щільності води в порівнянні з щільністю повітря.
Саме тому коли ви дивитеся на скляну пляшку, ви майже не бачите її передню сторону, а бачите тільки заломлені силует.
Також існують коефіцієнти відображених заломлень і заломлених відображень, які майже завжди рівні (тобто значення відбитого заломлення завжди одно заломлення відображенню).
IOR залежить як від коефіцієнта заломлення, так і від коефіцієнта відбиття, оскільки і один параметр, і другий описують відхилення фотонів при проходження крізь матеріал. IOR також залежить і від енергії світла, тобто показує як ця енергія перестає поглинатися матеріалом і починає відбиватися від нього. Тому всі матеріали (не тільки прозорі) мають своє значення IOR. який впливає не всі типи поведінки світла: всі види відображень і заломлення.
Якщо ви хочете бути науково підковані в цьому питанні, то повинні також знати, що значення відображення і заломлення рівні. Конкретні цифри ви знайдете у відповідних таблицях.
Рендерер Mental Ray дозволяє контролювати ці обидва значення за допомогою одного параметра - IOR (відображення по Френелю), а ось VRay. використовує два роздільних параметра - IOR в свиті Reflection і Fresnel IOR в свиті Refraction.
На який би матеріал не потрапив світло, відбувається його поглинання. Величина поглинання залежить від конкретного матеріалу, а точніше від того як світло розсіюється всередині матеріалу. Наприклад, всередині скла світло рухається прямо крізь всю його товщу і не розсіює при проходженні крізь нього. Саме тому скло постає перед нами прозорим, а не напівпрозорим. Звичайно ж, поглинання відбувається, але дуже невелика. Саме тому, зображення, які ви бачите крізь скло, здаються зовсім трошки затіненими (не такими яскравими, як без скла).
Дисперсія (Dispersion).
Існує також такий ефект як дисперсія. коли падає на матеріал світло розщеплюється. Дисперсія відбувається через властивості матеріалу заломлювати електромагнітні (світлові) хвилі різної довжини під різними кутами. Дисперсія є причиною появи таких колірних явищ як веселка.
Це досить поширений ефект. Ви постійно спостерігаєте дисперсионную каустіку від води або алмазів. До приклад, Ньютон успішно використовував для демонстрації розщеплення світла скляну призму.
Дисперсія є причиною дисперсійних відображень (на рахунок цього визначення я не особливо впевнений). Виглядає це як пофарбовані відображення і як результат пофарбована каустика.
Так що знайте, що кольорові переливи на перлини і на бензині ніяк не пов'язані з поверхневими відображеннями. Ці кольорові розводи ми бачимо завдяки тонкоплівкових ефектів.
Відбувається це через дисперсії в тонких шарах (товщиною не більше довжини світлової хвилі) пропускає матеріалу (діелектрика), який покриває поверхню. Складні кольорові візерунки й розлучення залежать від кількості шарів і їх товщини.
Наприклад, коли тонка плівка бензину знаходиться на поверхні води або коли тонкий шар "глазурі" покриває перлину або коли мильна бульбашка складається з надтонкою плівки мильного речовини, яка коливається в повітрі, а від цього змінюється товщина плівки і ми бачимо динамічні колірні розлучення. За своєю природою це той же самий ефект, що призводить до появи веселки, тільки відбувається всередині дуже тонкого шару прозорого матеріалу.
Напівпрозорість (Translucency).
Напівпрозорість - це окремий випадок прозорості.
Геометрія поверхні призводить до того, що світло розсіюється в різних напрямках. Цей ефект якісно однаковий для дифузних і глянцевих відображень. Це і провокує такий ефект як пропускання світла крізь матове скло.
Ви повинні зрозуміти, що проходження залежить від величини підповерхневої шорсткості. У той час як дзеркальні і дифузні відображення - це результат поверхневої шорсткості. Тому молочне скло має більш шорстку підповерхневому структуру, ніж звичайне чисте скло. До всього цього потрібно ще додати параметр, який описує, як глибоко зможе проникнути світло в матеріал, оскільки я не впевнений, чи зможе підповерхнева шорсткість сама по собі зупинити проникнення світла всередину.
На мікроструктурному рівні: напівпрозорість - це підповерхневий ефект. Я не впевнений, чи є офіційна термінологія для того, що я опишу нижче, але особисто я використовую термін "підповерхневе відображення" для ефекту, коли світло входить в матеріал, розсіюється і, відбиваючись там всередині, виходить там же, де потрапив всередину. А також поняття "підповерхневе проходження" для ефекту, коли світло входить в матеріал з одного боку, розсіюється і відбивається там всередині, а виходить з протилежного боку об'єкта.
Те, що відбувається всередині - це надзвичайно складний процес. Зазвичай це моделюють як випадкове блукання - тобто фотон пролітає дуже коротку відстань всередині матеріалу до зіткнення з атомом, втрачає частину своєї енергії під час цього зіткнення (поглинання), відскакує від цього атома в іншому напрямку і все повторюється спочатку багато-багато разів.
Підповерхневе розсіювання це окремий випадок проходження і відбувається це так: світло входить в матеріал, багато разів відбивається від атомів всередині і виходить назовні не в тому ж місці, де увійшов.
Взаємодія всередині матеріалу між світлом і атомами приводить до того, що частина енергії поглинається. Зазвичай для різних довжин хвиль величина поглинання різна. Тому, коли світло виходить назад з матеріалу, то він трошки тьмяніше і іншого відтінку.
Підповерхневе розсіювання відбувається тільки у діелектриків. Саме тому неметалеві матеріали мають свій певний колір (а ось відблиски у діелектриків завжди білого кольору). Тобто кожен раз, коли ви бачите кольоровий об'єкт, знайте, це не метал, оскільки світло входить в матеріал, скаче там всередині, трошки "підфарбовуючи" в процесі, а потім залишає матеріал з іншої точки.
Завдяки тому, що більшість матеріалів надзвичайно тверді, координати точки входу світла в матеріал і точки виходу майже не відрізняються і тому, ми візуально бачимо, що матеріал твердий.
Виміряну BSSRDF можна використовувати для матеріалів з великим внутрішнім розсіюванням, таких як органічні матеріали, наприклад, для шкіра.
Ви не зможете симулювати процес великого внутрішнього розсіювання за допомогою BRDF, оскільки BRDF, за визначенням, бере до уваги, що світло входить в матеріал і виходить з однієї і тієї ж точки (це справедливе припущення для більшості матеріалів).
Такі трасувальники (вид реалістичних рендерер) як Maxwell взагалі не використовують BSSRDF, але замість цього вони безпосередньо симулює випадкове блукання для розрахунку підповерхневого розсіювання.
Відмінність між властивостями шейдера Diffuse і SSS / Translucency полягає в (підповерхневому) поширення світла. Або, іншими словами, як далеко від точки входження фотона в матеріал, буде знаходиться точка виходу цього ж фотона (променя) назовні. Таким чином, світло, що потрапляє на тверду кам'яну стіну, вийде з її підповерхневого шару так близько до точки входження, що шейдер вважає цю величину рівної нулю. Але світло, що потрапляє на шкіру, зазвичай виходить на помітному видаленні від точки входження. Тому це не можна ігнорувати, інакше шкіра буде виглядати мертвою. Звідси і необхідність в шейдера підповерхневого розсіювання (SSS).
3. Поглинання (Absorption).
Енергія електромагнітної (світловий) хвилі перетворюється в теплову енергію і "пропадає". Звичайно ж, пропадає вона не по справжньому, але коли ми визуализируем картинку, ми концентруємося на світлі, а не на теплі. На практиці це означає, що ніякий матеріал ніколи не повинен відображати 100% падаючого на нього світла, якщо ви хочете, щоб він виглядав реалістично.
Якщо поверхня біла, значить, вона відображає всі довжини хвиль, якщо вона пофарбована - значить, відображає тільки певні світлові хвилі, які ви бачите. Для вас це має означати одне, деякі кольорові поверхні можуть взаємодіяти з кольоровим освітленням зовсім не так як ви того очікуєте.
Падаючи на гладку поверхню (гладка на мікрорівні), фотон відбивається і пропадає. Але падаючи на шорстку поверхню, з фотоном після відображення може трапиться ціла купа варіантів: може відіб'ється і прірву, може переотразітся кілька разів від мікрошереховатостей і прірву, а може і поглине в кінці-кінців.
Коли світло поглинається поверхнею, то ми бачимо її темної (тому темні одягу завжди тепліше, ніж білі).
Отже, 100% чорний означає 0% відображень, а цього ніколи не відбувається в реальному житті. ВСЕ матеріали ЗАВЖДИ відображають в якійсь мірі.
Колір - це результат вибіркового поглинання та вибіркового відображення.
Поверхні постають нам пофарбованими оскільки вони поглинають деякі хвилі (той колір, що ви не бачите), а деякі хвилі відображають (той колір, що ми бачимо). Таким чином, 0% дифузійної складової (чорний) означає, що ніякої світло не буде відображатися, з якою б інтенсивністю він не світив би, оскільки ви сказали матеріалу повністю поглинати світло. Саме тому, ви ніколи не повинні виставляти 0% для дифузії (чорний колір в слоті Diffuse), навіть якщо створюєте дуже темний матеріал.
Світло, якщо не відбивається, то проходить крізь поверхню, а якщо не проходить, то перетворюється в тепло (поглинається), як результат ми бачимо темний матеріал (видима світлова інформація відсутня). Якщо світло не проходить повністю крізь матеріал (пропускання), то виходить з тієї ж точки, що й увійшов (підповерхневе відображення). Колір - це завжди випадок поглинання, будь то в прозорому або непрозорому матеріалі, тобто виборче поглинання певної довжини хвилі. Чорний - значить все хвилі поглинаються, білий - відображаються.