4.4. Свет и цвет

Для трехмерной компьютерной графики основополагающими являются понятия света и цвета. Свет – это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим зрением. Видимый свет занимает участок спектра электромагнитного излучения с длинами волн от 400 до 700 нм. Свет излучается источниками света и характеризуется яркостью и цветом. Свет одной длины волны имеет определенный цвет и называется монохроматическим. Обычно источник света излучает поток световых волн с разными длинами и амплитудами. В белом свете присутствуют световые волны всего видимого спектра. В остальных случаях свет имеет цвет, определяемый доминирующими длинами волн в световом потоке.

Для правильного понимания физической сущности природы света кратко рассмотрим основные светотехнические величины и единицы измерения [1].

Световой поток F характеризует мощность светового излучения, проходящего на элемент поверхности площадью S , освещаемый источником света. Измеряется в люменах (лм). Полный световой поток F_c равен мощности светового излучения сквозь произвольную замкнутую поверхность, охватывающую источник света.

В общем случае источник света излучает его неравномерно по разным направлениям. Плотность светового потока в телесном угле выбранного направления называется силой света. Она находится как

, (4.9)

где  – телесный угол с центром в источнике света.

Для точечного источника света, излучающего свет равномерно по всем направлениям, сила света находится как

. (4.10)

Единица измерения силы света называется канделла (кд, [кд] = [лм/ср]).

Освещенностью E элемента поверхности называется отношение приходящегося на нее светового потока dF к ее площади dS:

. (4.11)

Единица измерения освещенности называется люкс (лк, [лк] = [лм/м²]).

Яркостью B источника называется поверхностная плотность силы света в заданном направлении. Яркость находится как отношение силы света к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную к этому направлению:

, (4.12)

где dS – площадь проекции элемента светящейся поверхности. Яркость измеряется в единицах кд/м².

В компьютерной графике наиболее популярной моделью представления света является аддитивная модель, сокращенно обозначаемая как RGB [3]. Это обозначение образуется начальными буквами трех основных цветов: красного (red), зеленого (green) и синего (blue). В аддитивной модели считается, что любой свет образуется за счет смешения трех основных цветовых составляющих – красной, зеленой и синей. Отметим, что смешение света трех основных цветов используется и при формировании изображения на экране мониторов.

При использовании RGB модели обозначать яркость источника света, как и в физике, буквой B неудобно, поскольку она же используется для обозначения синего цвета, поэтому, как и в большинстве публикаций по компьютерной графике, для обозначения яркости в дальнейшем будем использовать букву E. Тогда в аддитивной модели источник света будет характеризоваться цветовыми составляющими – красной E_R , зеленой E_G и синей E_B. Яркость источника белого света можно задавать одной величиной E. При этом считается, что яркости всех трех цветовых компонент белого света равны друг другу.

Основными видами идеализированных источников света являются точечный и бесконечно удаленный.

Точечный источник света помимо цветовых компонент яркости характеризуется еще координатами (x_e, y_e, z_e) его расположения. В этом случае для всякой точки (x, y, z) освещаемой поверхности направление излучаемого света определяется координатами источника и этой точки. Бесконечно удаленный источник света излучает параллельные лучи света, направление которых всюду определяется вектором V_e = (v_xe, v_ye, v_ze).

Еще одно отличие компьютерной графики от физики состоит в том, что яркость моделируемых источников света, как правило, задается не в физических, а в относительных единицах. Обычно используется ограниченный диапазон целых чисел, например 0..255, используемый при кодировании компонент цвета в RGB модели.

Зрение основано на том, что свет от источников освещает поверхности предметов, которые частично отражают его. Часть отраженного света попадает в глаз, что позволяет сформировать представление о геометрии предметов и цвете их поверхностей. Этот же принцип используется в фото– и видеоаппаратуре, а также при машинном синтезе изображений виртуальных сцен, поэтому для компьютерной графики наиболее важной физической характеристикой поверхности является ее цвет, который характеризует отражательную способность поверхности в разных областях спектра белого света. В цветовой модели RGB цвет поверхности также задается цветовыми компонентами R, G и B, но, в отличие от света, значения R, G и B характеризуют отражательную способность поверхности соответственно для красной, зеленой и синей составляющих света. В компьютерных программах значения R, G и B для вычислений удобнее задавать в диапазоне от 0 до 1 или в процентах.

Кроме RGB используются и иные цветовые модели с другими методами образования необходимых цветов из фиксированного набора основных. Так, в субтрактивной модели CMY тоже используются три основных цвета – голубой (cyan), пурпурный (magenta) и желтый (yellow) [1, 3]. Эти цвета считаются дополнительными соответственно к красному, зеленому и синему цветам модели RGB, т.е. могут быть получены вычитанием из белого соответственно красного, зеленого и синего цветов. Модель CMY первоначально использовалась в полиграфии при печати цветных изображений на белой бумаге, поскольку она хорошо отражает получение новых цветов при смешивании красок.

Модификацией CMY является расширенная субтрактивная модель, обозначаемая как CMYK. В этой модели используется еще один цвет – черный, а буква K в обозначении соответствует последней букве в слове black – черный. Добавление черного цвета связано с тем, что смешиванием красок трех дополнительных цветов трудно добиться чисто черного цвета.

Существуют соотношения, позволяющие преобразовывать CMYK-модель в RGB и наоборот [1].