Спекулярное отражение и блики на глянцевых поверхностях

Введение

Яркое пятно света, которое появляется на блестящих объектах при освещении.

Спекулярный блик – это яркое пятно света, которое появляется на блестящих объектах при освещении (например, см. изображение справа). Спекулярные блики важны в 3D-компьютерной графике, поскольку они дают сильный визуальный сигнал о форме объекта и его расположении относительно источников света в сцене.

Микро-аспекты

Термин "спекулярный" означает, что свет отражается идеально, подобно зеркалу, от источника света к наблюдателю. Спекулярное отражение видно только там, где нормаль поверхности ориентирована точно посередине между направлением входящего света и направлением на наблюдателя; это называется полуугловым направлением, поскольку оно делит пополам угол между входящим светом и наблюдателем. Таким образом, спекулярно отражающая поверхность будет показывать спекулярный блик как идеально четкое отраженное изображение источника света. Однако многие блестящие объекты демонстрируют размытые спекулярные блики. Это можно объяснить наличием микрофасеток. Мы предполагаем, что поверхности, не являющиеся идеально гладкими, состоят из множества очень мелких фасеток, каждая из которых является идеальным спекулярным отражателем. Эти микрофасетки имеют нормали, распределенные вокруг нормали аппроксимирующей гладкой поверхности. Степень отклонения нормалей микрофасеток от нормали гладкой поверхности определяется шероховатостью поверхности. В точках объекта, где гладкая нормаль близка к полуугловому направлению, многие микрофасетки направлены в полуугловом направлении, и поэтому спекулярный блик яркий. По мере удаления от центра блика гладкая нормаль и полуугловое направление все больше расходятся; количество микрофасеток, ориентированных в полуугловом направлении, уменьшается, и, следовательно, интенсивность блика падает до нуля. Спекулярный блик часто отражает цвет источника света, а не цвет отражающего объекта. Это связано с тем, что многие материалы имеют тонкий слой прозрачного материала над поверхностью пигментированного материала. Например, пластик состоит из крошечных цветных частиц, взвешенных в прозрачном полимере, а кожа человека часто имеет тонкий слой масла или пота над пигментированными клетками. Такие материалы будут демонстрировать спекулярные блики, в которых все части цветового спектра отражаются одинаково. На металлических материалах, таких как золото, цвет спекулярного блика будет отражать цвет самого материала.

The term specular means that light is perfectly reflected in a mirror like way from the light source to the viewer. Specular reflection is visible only where the surface normal is oriented precisely halfway between the direction of incoming light and the direction of the viewer; this is called the half angle direction because it bisects (divides into halves) the angle between the incoming light and the viewer. Thus, a specularly reflecting surface would show a specular highlight as the perfectly sharp reflected image of a light source. However, many shiny objects show blurred specular highlights. This can be explained by the existence of microfacets. We assume that surfaces that are not perfectly smooth are composed of many very tiny facets, each of which is a perfect specular reflector. These microfacets have normals that are distributed about the normal of the approximating smooth surface. The degree to which microfacet normals differ from the smooth surface normal is determined by the roughness of the surface. At points on the object where the smooth normal is close to the half angle direction, many of the microfacets point in the half angle direction and so the specular highlight is bright. As one moves away from the center of the highlight, the smooth normal and the half angle direction get farther apart; the number of microfacets oriented in the half angle direction falls, and so the intensity of the highlight falls off to zero. The specular highlight often reflects the color of the light source, not the color of the reflecting object. This is because many materials have a thin layer of clear material above the surface of the pigmented material. For example, plastic is made up of tiny beads of color suspended in a clear polymer and human skin often has a thin layer of oil or sweat above the pigmented cells. Such materials will show specular highlights in which all parts of the color spectrum are reflected equally. On metallic materials such as gold the color of the specular highlight will reflect the color of the material.

Распределение по Гаусу

Немного более точная модель микрофасетного распределения может быть создана с использованием распределения Гаусса. Обычно функция вычисляет интенсивность зеркального блика как:

где m — константа в диапазоне от 0 до 1, которая определяет кажущуюся гладкость поверхности.