background image

 
 
 
 
 

Modelowanie efektów oświetlenia  

 

1.  Realizm obrazu, źródła światła, mechanizm transportu światła 
2.  Modele oświetlenia 

-  model światła otoczenia 
-  model empiryczny 
-  model Phonga 
-  Model Halla 
-  równanie renderingu 

3.  Metody modelowania oświetlenia 
-  śledzenie promieni (ray-tracing
-  metoda energetyczna bilansu promieniowania 
4.  Cieniowanie powierzchni 
-  stała intensywność oświetlenia 
-  metoda Gourauda 
-  metoda Phonga 
 

 
 

background image

 

 
Realizm  obrazu  
–  odwzorowanie  w  syntetycznym  obrazie  efektów 
wizualnych obserwowanych w naturze. 
 
Czynniki decydujące o realizmie obrazu: 
1.  Model geometryczny opisujący kształt i położenie w przestrzeni 

wizualizowanych obiektów 

2.  Cechy powierzchni związane z jej kolorem oraz teksturą 
3.  Rozkład  oświetlenia  określony  na  podstawie  definicji  źródeł  światła 

oraz  własności  powierzchni  związanych  z  rozproszeniem  energii 
ś

wietlnej (rozkład cieni i półcieni, odblask, przeźroczystość, załamanie 

i odbicie światła) 

 

background image

Ź

ródła światła: 

1.  Punktowe  pozycyjne  (rozmiar  znikomy  w  stosunku  do  wielkości 

sceny)  –  promienie  rozchodzą  się  równomiernie  we  wszystkich 
kierunkach  

2.  Punktowe  kierunkowe  (źródło  odpowiednio  odległe)  –  promienie 

dochodzą  do  oświetlanych  powierzchni  równoległe  (kąt  między 
promieniem  z  tego  żródła  a  wszystkimi  powierzchniami  mającymi  tę 
samą normalną jest stały)  

3.  Liniowe  –  kształt  i  położenie  źródła  mają  istotny  wpływ  na 

wyznaczanie intensywności oświetlenia powierzchni 

4.  Otaczające  –  pochodzące  z  różnych  źródeł  światła,  wielokrotnie 

odbijane  od  powierzchni  i  przenikające  przez  część  z  nich,  dające  w 
pewnym  otoczeniu  jednorodne  tło  oświetleniowe.  Dochodzi  ze  stałą 
intensywnością do wszystkich powierzchni ze wszystkich kierunków. 

 

background image

Modele  oświetlenia  –  definiują  intensywność  światła  emitowanego  i 
odbijanego  w  kierunku  obserwatora  w  danym  punkcie  powierzchni 
obiektu na podstawie charakterystyki intensywności światła padającego i 
właściwości optycznych powierzchni. 
-  modele  lokalne  –  uwzględniają  jedynie  wpływ  pierwotnych  źródeł 

ś

wiatła na oświetlenie powierzchni 

-  modele globalne

 – uwzględniają pierwotne i wtórne źródła światła 

 
 

modele lokalne 
1.  Model światła otoczenia 
2.  Podstawowy model empiryczny 
3.  Model Phonga 
 
modele globalne 
4.  Model Halla 
5.  Równanie renderingu 
 

background image

Mechanizmy transportu światła 
 
a) odbicie kierunkowe   

 

 

b) odbicie rozproszone  

 

 

 

 

 

 

 

    (lambertowskie) 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

powierzchnie lustrzane 

 

 

powierzchnie matowe  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bez połysku 

 

α

1

 

α

2

 

α

1  

α

2

 

α

1

 

background image

a) załamanie kierunkowe  

 

 

 

b) załamanie rozproszone 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
η

 – współczynnik załamania środowiska przeźroczystego względem  

      próżni 
 
 
 
 

α

1

 

α

2

 

η

sinα

1  

η

sinα

2

 

-N 

η

 

η

1  

 

α

1

 

-N 

η

 

η

1  

 

background image

Model światła otoczenia 
 
Ś

wiatło  pochodzi  z  różnych  źródeł,  jest  wielokrotnie  odbijane  od 

powierzchni  i  przenika  przez  część  z  nich,  daje  w  pewnym  otoczeniu 
jednorodne  tło  oświetleniowe.  Pada  jednakowo  na  wszystkie 
powierzchnie ze wszystkich kierunków. 
 
Równanie oświetlenia 
 

gdzie: 
I  intensywność światła odbitego od powierzchni 
I

α

 – intensywność światła otoczenia 

k

α

 – współczynnik odbicia światła rozproszonego zależny od  właściwości 

optycznych  powierzchni  odbijającej,  dobierany  doświadczalnie  z 
przedziału [0 –1] 

 
 

 
 
 

 

 

 

 

Kule cieniowane za pomocą modelu światła otoczenia.  

 

 

Od lewej do prawej: k

= 0.8, 0.5, 0.3 

 
 
 

 
 

α

α

k

I

I

=

background image

Podstawowy model empiryczny 

 
-  uwzględnia pierwotne źródła światła 
-  wprowadza  empiryczny  stały  współczynnik  dla  wtórnych  źródeł 

ś

wiatła 

-  zakłada  lambertowską  charakterystykę  światła  odbitego  (odbicie 

rozproszone) 

 
 
 
 
 
 
 

 

 
 
 

L – wektor w kierunku źródła światła 
N – wektor normalny do powierzchni 

 
 

 

 

Właściwości powierzchni lambertowskich 
-  powierzchnie matowe bez połysku 
-  jednakowo jasne ze wszystkich kierunków obserwacji 
-  dla  danej  powierzchni  jasność  zależy  tylko  od  kąta  θ  między 

kierunkiem do źródła światła i normalną do powierzchni 

 

θ

 

 

background image

Równanie oświetlenia: 
 

gdzie: 
I – intensywność światła odbitego od powierzchni 
I

α

 – intensywność światła otoczenia 

k

α

  –  współczynnik  odbicia  światła  otoczenia  zależny  od    właściwości 

optycznych  powierzchni  odbijającej,  dobierany  doświadczalnie  z 
przedziału [0 –1] 

I

p

 – intensywność punktowego źródła światła  

k

d

  –  współczynnik  odbicia  rozproszonego  źródła  światła  pierwotnego 

zależny  od  właściwości  optycznych  powierzchni  odbijającej, 
dobierany doświadczalnie z przedziału [0 –1] 

θ

 - kąt między kierunkiem do źródła światła i normalną do powierzchni  

 

 
 
 
 
 

 

 
Kule 

cieniowane 

za 

pomocą 

modelu 

odbicia 

rozproszonego  

z uwzględnienia światła otoczenia.  
Dla wszystkich kul:  I

I

=1.0, k

= 0.3 

Od lewej do prawej: k

= 0.3, 0.5, 0.8 

 
 
 

 
 
 
 
 

 
 
 

θ

cos

d

p

a

a

k

I

k

I

I

+

=

background image

Tłumienie źródła światła 

 

Strumień  światła  z  punktowego  źródła  światła  maleje  odwrotnie 
proporcjonalnie do odległości d

L

 źródła światła od powierzchni 

 

 
gdzie: 

 

 

f

α

tt

 – współczynnik tłumienia źródła światła  

d

L

 – odległość źródła światła od powierzchni 

c

1

, c

2

, c

3

 – stałe określane empirycznie związane z właściwościami  

  

 

ź

ródła światła  

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 

θ

cos

d

p

att

a

a

k

I

f

k

I

I

+

=





+

+

=

1

,

1

min

2

3

2

1

L

L

att

d

c

d

c

c

f

background image

Ś

wiatła barwne i powierzchnie barwne 

 

-  definiowane  przez  oddzielne  równania  dla  każdej  składowej 

podstawowe 

-  barwa  odbicia  rozproszonego  od  powierzchni  reprezentowana  przez 

trzy współczynniki (O

dR

 , O

dG

 , O

dB

-  składowe  podstawowe  I

pR

  ,  I

pG

  i  I

pB 

są  odbijane  odpowiednio  w 

proporcjach k

d

O

dR

 , k

d

O

dG

 i k

d

O

dB

 

 

Równanie oświetlenia w postaci układu 3 równań: 

 

 

θ

cos

dR

d

pR

att

dR

a

aR

R

O

k

I

f

O

k

I

I

+

=

θ

cos

dG

d

pG

att

dG

a

aG

G

O

k

I

f

O

k

I

I

+

=

θ

cos

dB

d

pB

att

dB

a

aB

B

O

k

I

f

O

k

I

I

+

=

background image

Założenie,  że  3  składowe  modelu  RGB  całościowo  modelują 
oddziaływanie  światła  z  obiektami  jest  uproszczone.  Równanie 
oświetlenia powinno być przeliczane w sposób ciągły dla całego zakresu 
widma światła widzialnego. Równanie oświetlenia przyjmie postać: 

 
 
 

 
 
 

gdzie:  

λ  

- długość fali strumienia świetlnego w pełnym zakresie światła  

widzialnego

 

 
 
 
 

θ

λ

λ

λ

λ

λ

cos

d

d

p

att

d

a

a

O

k

I

f

O

k

I

I

+

=

background image

Tłumienie atmosferyczne 
 
Zmiana  intensywności  oświetlenia  w  funkcji  odległości  obiektu  od 
obserwatora.  

 

-  definicja przedniej z

b

  i tylnej z

f

  płaszczyzny odniesienia 

-  wyznaczenie  współczynników  skalowania  tłumienia  atmosferycznego 

s

b

  i s

f

  dla przedniej i tylnej płaszczyzny odniesienia 

wyznaczenie współczynnika tłumienia s

dla płaszczyzny z

:

 

 

1) jeżeli z

0

 jest przed z

f

 to s

0

 =s

2) jeżeli z

0

 jest za z

b

  to s

0

 = s

3) jeżeli z

0

 jest między z

f

 i z

b

  to:                                    

 

 
 

 

Równanie oświetlenia: 

 

gdzie:  

I

λ

 

– intensywność światła dla przedniej płaszczyzny odniesienia 

I

dcλ

 

– intensywność światła dla tylnej płaszczyzny odniesienia  

I’

λ

 

– interpolowana intensywność światła dla płaszczyzny z

0

  

 
 

 

Odległość 

Współczynnik 

skalowania 

λ

λ

λ

dc

I

s

I

s

I

)

1

(

'

0

0

+

=

1

 

s

s

1

 

z

z

b

f

b

f

b

b

z

z

s

s

z

z

s

s

+

=

)

)(

(

0

0

background image

Model oświetlenia Phonga 
 
-  uwzględnia odbicie kierunkowe (zwierciadlane) światła  
-  powierzchnia odbijająca ma charakter lustrzany: powierzchnie gładkie 

z połyskiem (światło odbijane w jednym kierunku) 

-  zapewnia złudzenie odblasku światła na powierzchni obiektów 
-  w miejscu rozświetlenia barwa zbliżona do barwy padającego światła 
-  efekty  oświetlenia  zależne  od  położenia  obserwatora  (kąta  pomiędzy 

kierunkiem światła odbitego a kierunkiem do obserwatora) 

 

 
 
 
 
 

L – wektor w kierunku źródła światła 
N – wektor normalny do powierzchni 
V – wektor w kierunku obserwatora 
R – wektor w kierunku światła 

odbitego 

 
 

 

θ

 

θ

 

α

 

background image

Równanie oświetlenia: 

 

 
gdzie: 
k

s

  –  współczynnik  odbicia  kierunkowego  zależny  od    właściwości 

optycznych  powierzchni  odbijającej,  dobierany  doświadczalnie  z 
przedziału [0 –1] 

O

sλ

 – barwa światła odbitego 

α

 - kąt między kierunkiem światła odbitego a kierunkiem do obserwatora  

n  –  współczynnik  definiujący  właściwości  lustrzane  powierzchni 

odbijającej. Typowe wartości od 1 do kilkuset. Dla idealnego odbicia 
kierunkowego  n  równe  nieskończoność.  Dla  wartości  1  występuje 
łagodny  spadek  jasności,  dla  wartości  większych  występują  na 
powierzchni ostre, ogniskowe rozświetlenia. 

]

cos

cos

[

α

θ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

n

s

s

d

d

p

att

d

a

a

O

k

O

k

I

f

O

k

I

I

+

+

=

background image

 

 

 

 

 

Kule  cieniowane  za  pomocą  modelu  oświetlenia  Phonga  

 

 

dla różnych wartości k

s

 i n.   

 

 

Dla wszystkich kul I

a

=I

p

=1.0, k

a

=0.2, k

d

=0.3. 

 

 

Od góry do dołu: n = 5.0, 20.0, 100.0 

 

 

Od lewej do prawej: k

s

 = 0.2, 0.4, 0.6

background image

Wiele źródeł światła 
 
Przy  wielu  źródłach  światła  czynniki  wpływające  na  oświetlenie 
powierzchni sumują się 
 
Równanie oświetlenia: 

 

 
gdzie: 
m

 – liczba źródeł światła 

]

cos

cos

[

1

=

=

+

+

=

m

i

i

i

n

s

s

i

d

d

i

p

atti

d

a

a

O

k

O

k

I

f

O

k

I

I

α

θ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

background image

Scena generowana z uwzlędnieniem różnych modeli oświetlenia światła  
 

 

Ś

wiatło otoczenia 

 

 

Ś

wiatło otoczenia z odbiciem rozproszonym 

 

 

Ś

wiatło otoczenia z odbiciem rozproszonym i kierunkowym

 

background image

Model Halla 
 
-  globalny  model  oświetlenia:  łączy  elementy  empiryczne  i  zjawiska 

fizyczne związane z rozchodzeniem promieni świetlnych 

-  uwzględnia  pierwotne  źródła  światła,  światło  otoczenia  oraz  światła 

pośrednie  z  kierunków  wyznaczonych  przez  promienie  odbite  i 
załamane 

-  uwzględnia przeźroczystość oświetlanych obiektów 
 
Oznaczenia przyjęte w modelu Halla 
 
a

) obiekty nieprzeźroczyste  

 

 

 

b) obiekty przeźroczyste  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
L – wektor w kierunku źródła światła 
N – wektor normalny do powierzchni 
V – wektor w kierunku obserwatora 
H – wektor normalny do mikropowierzchni odbijającej wyznaczający kierunek 

maksymalnego rozświetlenia  

H’ – wektor normalny do mikropowierzchni załamującej wyznaczający kierunek 

maksymalnego rozświetlenia 

 

α

1

 

α

2

 

α

1  

α

2

 

-N 

η

 

η

1  

 

-H’ 

H’ 

background image

V

L

V

L

H

r

r

r

r

r

+

+

=

n

H

N

)

(

r

r

Nowy czynnik odbicia zwierciadlanego w modelu Halla związany z wektorem H 
wyznaczającym kierunek maksymalnego rozświetlenia 
 
 
 
 
gdzie: 

 
 
 
 

 
 
Wektor  H  jest  w  połowie  między  kierunkami  do  źródła  światła  i  do  obserwatora. 
Gdyby  normalna  N  byłaby  w  tym  samym  kierunku  co  H,  wówczas  obserwator 
widziałby najjaśniejsze odbicie,  ponieważ R i V wskazywałyby ten sam kierunek. 

 

background image

Równanie oświetlenia: 

 
Składniki równania: 
 
1.  Oświetlenie  wynikające  z  odbicia  rozproszonego  z  m  różnych  źródeł 

ś

wiatła 

2.  Oświetlenie wynikające z odbicia kierunkowego promieni świetlnych z 

m różnych źródeł światła od powierzchni nieprzeźroczystych 

3.  Oświetlenie  wynikające  z  załamania  kierunkowego  promieni 

ś

wietlnych  z  m  różnych  źródeł  światła  przechodzących  przez 

powierzchnie  przeźroczyste  oświetlone  z  przeciwnej  strony  niż 
obserwator 

4.  Oświetlenie pośrednie wynikające ze światła otoczenia 
5.  Oświetlenie  pośrednie  z  kierunku  wyznaczonego  przez  promień 

odbity 

6.  Oświetlenie  pośrednie  z  kierunku  wyznaczonego  przez  promień 

załamany 

gtr

gspec

gdif

tr

spec

dif

I

I

I

I

I

I

I

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

+

+

+

+

+

=

background image

 
1.  Oświetlenie wynikające z odbicia rozproszonego z m różnych źródeł 

ś

wiatła 

 
gdzie: 
k

d

 – współczynnik odbicia rozproszonego  

O

dλ

 – barwa światła odbitego 

f

α

tti

 – współczynnik tłumienia i-tego źródła światła  

I

pλi

 – intensywność i-tego punktowego źródła światła  

N – wektor normalny do powierzchni 
L

i 

– wektor w kierunku i-tego źródła światła 

 

)

(

1

i

i

p

m

i

atti

d

d

dif

L

N

I

f

O

k

I

r

r

=

=

λ

λ

λ

background image

 
2.  Oświetlenie wynikające z odbicia kierunkowego promieni świetlnych z 

m różnych źródeł światła od powierzchni nieprzeźroczystych 

gdzie: 
k

s

 – współczynnik odbicia kierunkowego  

F

sλ

    współczynnik  Fresnela  opisujący  przenikalność  światła  na  granicy 

dwóch ośrodków 

f

α

tti

 – współczynnik tłumienia i-tego źródła światła  

I

pλi

 – intensywność i-tego punktowego źródła światła  

N – wektor normalny do powierzchni 
H

i

 – wektor normalny do mikropowierzchni odbijającej wyznaczający 

kierunek maksymalnego rozświetlenia z i-tego źródła światła 

n  –  współczynnik  określający  właściwości  lustrzane  mikropowierzchni 

odbijającej 

 

n

i

i

p

m

i

atti

s

s

spec

H

N

I

f

F

k

I

)

(

1

r

r

=

=

λ

λ

λ

background image

3.  Oświetlenie  wynikające  z  załamania  kierunkowego  promieni 

ś

wietlnych  z  m  różnych  źródeł  światła  przechodzących  przez 

powierzchnie  przeźroczyste  oświetlone  z  przeciwnej  strony  niż 
obserwator 

gdzie: 
k

t

 – współczynnik załamania kierunkowego  

F

tλ

 – współczynnik Fresnela opisujący przenikalność światła w materiale 

przeźroczystym 

f

α

tti

 – współczynnik tłumienia i-tego źródła światła  

I

pλi

 – intensywność i-tego punktowego źródła światła  

N – wektor normalny do powierzchni 
H’

i

 – wektor normalny do mikropowierzchni odbijającej wyznaczający 

kierunek maksymalnego rozświetlenia z i-tego źródła światła 

n’ – współczynnik określający rozpraszanie światła w materiale 

przeźroczystym  

 
 

'

1

)

'

(

n

i

i

p

m

i

atti

t

t

tr

H

N

I

f

F

k

I

r

r

=

=

λ

λ

λ

background image

4.  Oświetlenie pośrednie wynikające ze światła otoczenia 

gdzie: 
k

– współczynnik odbicia światła otoczenia 

O

dλ

 – barwa światła odbitego 

I

aλ

 – intensywność światła otoczenia 

 
 

λ

λ

λ

a

d

a

gdif

I

O

k

I

=

background image

5.  Oświetlenie  pośrednie  z  kierunku  wyznaczonego  przez  promień 

odbity 

gdzie:  
k

s

 – współczynnik odbicia kierunkowego  

F

sλ

    współczynnik  Fresnela  opisujący  przenikalność  światła  na  granicy 

dwóch ośrodków 

I

sλ

 – intensywność światła z kierunku promienia odbitego 

T

s

  –  współczynnik  transmisji  ośrodka  w  którym  porusza  się  promień 

odbity 

d

s

 – odległość jaką przebył promień odbity w ośrodku 

ds

s

s

s

s

gspec

T

I

F

k

I

λ

λ

λ

=

background image

 
6.  Oświetlenie  pośrednie  z  kierunku  wyznaczonego  przez  promień 

załamany 

gdzie: 
k

t

 – współczynnik załamania kierunkowego  

F

tλ

 – współczynnik Fresnela opisujący przenikalność światła w materiale 

przeźroczystym 

I

sλ

 – intensywność światła z kierunku promienia załamanego 

T

–  współczynnik  transmisji  ośrodka  w  którym  porusza  się  promień 

załamany 

d

t

 – odległość jaką przebył promień załamany w ośrodku 

 
  

dt

t

t

t

t

gtr

T

I

F

k

I

λ

λ

λ

=

background image

Równanie renderingu (Kajiya 1986) 
 
-  globalny model oświetlenia 
-  rozwiązuje  problem  propagacji  energii  świetlnej  w  środowisku,  nie 

zajmuje się  interakcją światła z danym rodzajem powierzchni 

-  oparte  na  znanym  w  termodynamice  zjawisku  transferu  ciepła  drogą 

promieniowania i zasadzie zachowania energii 

-  modelowanie  oświetlenia  poprzez  wielokrotne  rozwiązanie  równania 

renderingu  dla  każdego  punktu  lub  powierzchni  elementarnej 
wizualizowanej sceny 

 

background image

Równanie  oświetlenia:  wyznacza  intensywność  oświetlenia  punktu  x 
przez światło emitowane lub odbijane w punkcie x’ w kierunku punktu 
 

 
gdzie: 

g(x,x’)  –  czynnik  geometryczny  określający  położenie  punktu  x  w 

stosunku do punktu x’  

-  jeżeli x i x’ są dla siebie niewidoczne to: g(x,x’) = 0  
-  w pozostałych przypadkach: g(x,x’) = 1/r

2

 gdzie r jest odległością 

między x i x’  

 

ε

(x,x’)  – intensywność światła emitowanego z punktu x’ w kierunku 

punktu x , różna od zera jedynie dla powierzchni aktywnych 
oświetleniowo (pierwotne źródła światła) 

 
I(x’,x”)  – intensywność światła w punkcie x’ emitowanego lub 

odbijanego w punkcie x” w kierunku punktu x’ 

 
ρ

(x,x’,x”) – współczynnik odbicia światła I(x’,x”) w kierunku punktu x  

 
 
W celu  wyznaczenia  światła  odbitego w  punkcie x’  w  kierunku punktu  
należy  zsumować  światło  emitowane  lub  odbite  w  kierunku  punktu  x’ 
pochodzące ze wszystkich punktów x” powierzchni S
 





+

=

S

dx

x

x

I

x

x

x

x

x

x

x

g

x

x

I

"

)

"

,

'

(

)

"

,

'

,

(

)

'

,

(

)

'

,

(

)

'

,

(

ρ

ε