แบบจำลองการให้แสงเงาและการสะท้อนแสง

แบบจำลองการให้แสงเงาและการสะท้อนแสงอธิบายว่าแสงสะท้อนจากพื้นผิวอย่างไร โดยเป็นฟังก์ชันของวัสดุ ทิศทางของแสง และทิศทางการมอง ซึ่งกำหนดสีและลักษณะปรากฏของทุกจุดในภาพที่เรนเดอร์

Definition

แบบจำลองการสะท้อนแสง หรือ BRDF ระบุอัตราส่วนของความสว่างที่สะท้อนในทิศทางขาออกที่กำหนดต่อความสว่างที่ตกกระทบจากทิศทางขาเข้าที่กำหนด ณ จุดบนพื้นผิว

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมแบบจำลองการให้แสงเงาเชิงประจักษ์ เช่น การสะท้อนแสงแบบกระจายของ Lambertian และแบบสะท้อนแสงเฉพาะจุดของ Phong, ฟังก์ชันการกระจายการสะท้อนแสงแบบสองทิศทาง (bidirectional reflectance distribution function) ในฐานะรูปแบบทั่วไปสำหรับการสะท้อนแสงบนพื้นผิว, แบบจำลองไมโครฟาเซ็ต (microfacet models) ที่อิงตามหลักฟิสิกส์, และข้อจำกัดการอนุรักษ์พลังงานและภาวะผันกลับ (reciprocity) ที่ทำให้แบบจำลองการสะท้อนแสงมีความน่าเชื่อถือ

Core questions

• สีของพื้นผิวขึ้นอยู่กับแสงและมุมมองอย่างไร?
• อะไรคือความแตกต่างระหว่างพื้นผิวแบบกระจาย แบบมันเงา และแบบกระจก?
• แบบจำลองการสะท้อนแสงที่น่าเชื่อถือต้องเป็นไปตามข้อจำกัดทางกายภาพใดบ้าง?
• ลักษณะปรากฏของวัสดุจริงถูกบันทึกและสร้างขึ้นใหม่ได้อย่างไร?

Key concepts

• การสะท้อนแสงแบบกระจายและการสะท้อนแสงเฉพาะจุด
• ฟังก์ชันการกระจายการสะท้อนแสงแบบสองทิศทาง
• แบบจำลองไมโครฟาเซ็ต
• การสะท้อนแสงของเฟรสนัล
• การอนุรักษ์พลังงานและภาวะผันกลับ
• วัสดุที่อิงตามหลักฟิสิกส์

Key theories

แบบจำลองการสะท้อนแสงของ Phong

ลักษณะปรากฏของพื้นผิวถูกจำลองเป็นผลรวมขององค์ประกอบแสงโดยรอบ แสงกระจาย และแสงเฉพาะจุด โดยมีจุดเน้นแสงเฉพาะจุดถูกควบคุมโดยเลขชี้กำลังความมันวาว ซึ่งเป็นการประมาณเชิงประจักษ์ที่มีประสิทธิภาพที่กลายเป็นค่าเริ่มต้นสำหรับการให้แสงเงาแบบเรียลไทม์ในยุคแรก

การสะท้อนแสงแบบไมโครฟาเซ็ต

พื้นผิวที่ขรุขระถูกจำลองเป็นชุดของการกระจายของหน้าตัดกระจกขนาดเล็ก และการสะท้อนแสงของมันได้มาจากชุดการกระจายของหน้าตัดกระจก การบดบังทางเรขาคณิต และการสะท้อนแสงของเฟรสนัล ทำให้ได้วัสดุที่มีพื้นฐานทางฟิสิกส์และอนุรักษ์พลังงาน

Clinical relevance

แบบจำลองการให้แสงเงาที่อิงตามหลักฟิสิกส์เป็นพื้นฐานของระบบวัสดุสมัยใหม่ในเครื่องมือภาพยนตร์และเกม ทำให้ได้ลักษณะปรากฏของวัสดุที่สอดคล้องและคาดการณ์ได้ภายใต้สภาพแสงที่แตกต่างกัน และเชื่อมโยงการเรนเดอร์เข้ากับปัญหาผกผันของการกู้คืนวัสดุจากภาพถ่าย

History

แบบจำลองของ Phong ในปี 1975 ได้ให้สูตรเชิงประจักษ์ที่รวดเร็วสำหรับการเน้นแสง; แบบจำลองไมโครฟาเซ็ตของ Cook และ Torrance ในปี 1982 ได้นำหลักการทางฟิสิกส์จากทัศนศาสตร์มาสู่กราฟิก และทศวรรษ 2010 ได้เห็นการให้แสงเงาที่อิงตามหลักฟิสิกส์กลายเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม

Key figures

• Bui Tuong Phong
• Robert Cook
• Kenneth Torrance

Seminal works

• phong1975
• cook1982

Frequently asked questions

BRDF คืออะไร?

ฟังก์ชันการกระจายการสะท้อนแสงแบบสองทิศทางอธิบายว่าแสงที่มาจากทิศทางหนึ่งสะท้อนไปยังอีกทิศทางหนึ่งมากน้อยเพียงใด และจับลักษณะว่าพื้นผิวดูด้าน มันเงา หรือเหมือนกระจก

เหตุใดการอนุรักษ์พลังงานจึงมีความสำคัญในแบบจำลองการให้แสงเงา?

พื้นผิวไม่ควรสะท้อนแสงมากกว่าที่ได้รับ การบังคับใช้การอนุรักษ์พลังงานช่วยให้วัสดุมีความน่าเชื่อถือทางกายภาพและป้องกันไม่ให้ฉากที่เรนเดอร์ดูสว่างขึ้นอย่างผิดธรรมชาติ