Освещение поверхности, ее отражательная способность и яркость изображения

Изучение задачи определения формы объектов по данным о затенении связано с отысканием способов нахождения ориентации поверхности по яркости изображения. Это сложная задача, поскольку яркость изображения зависит не от ориентации поверхности как таковой, а от характера освещения поверхности и ее функции отражения. В реальных условиях основное освещение часто имеет сложный характер, особенно в помещении. Вне помещения все обстоит несколько проще: солнце практически является удаленным точечным источником, а фоновый подсвет, который образует толстый слой облаков, практически равномерен — таким образом, эти два случая достаточно просты. Частичную облачность (днем) иногда можно рассматривать как комбинацию этих двух случаев. В том, что касается основного освещения, ситуация часто оказывается исключительно сложной из-за воздействия вторичных источников света: одна поверхность отбрасывает свет на другую, и, отражаясь уже от последней, свет попадает нам в глаза. Эти эффекты почти не поддаются аналитическому изучению.

Точно так же, как при удвоении акустического сигнала, влияние вторичных источников света приобретает особое значение для сцен, которые разыгрываются внутри помещений: свет от осветительной арматуры, установленной на потолке, может достигать поверхности кофейного столика непосредственно или отразившись от потолка или стен. Потолок способствует освещению стен, а стены, в свою очередь, отражают свет обратно, способствуя освещению потолка. Такой способ освещения называется взаимным. Совокупное воздействие этих эффектов придает исключительную трудность задаче определения формы объектов по данным о затенении; поэтому до сих пор не наблюдается реального прогресса в ее решении, за исключением случая очень простых условий освещения при удаленном точечном источнике. Хорну, однако, удалось успешно решить эту проблему, и мы кратко остановимся на том, как он этого добился.

Вторым фактором, оказывающим глубокое влияние на задачу определения формы объектов по данным о затенении, служит функция отражательной способности. Доля света, отражаемая от поверхности в направлении наблюдателя, зависит от микроструктуры отражающей поверхности. Эту зависимость обычно описывают некоторой функцией трех углов (они показаны на рис. 3.75): угла падения i, образованного падающим от источника света лучом и нормалью к поверхности, угла наблюдения е, образованного линией прямой видимости наблюдателя и нормалью к поверхности, и фазового угла g, образованного падающим и рассеиваемым лучами света. Функция отражательной способности ф (/, е, g ) — это отражаемая с единицы площади поверх-

251

Рис. 3.75. К определению углов падения i, наблюдения е и фазового g

ности в направлении наблюдателя доля падающего света, приходящаяся на единицу телесного угла. Другими словами, это означает, что количество падающего на некоторый участок поверхности света, которое отражается в направлении некоторого датчика, непосредственно зависит от площади освещенного участка, значения функции ф (/, е, g ) и угловых размеров датчика. Известны различные функции отражательной способности. Идеальная лам-бертова поверхность (идеальная матовая поверхность) выглядит одинаково яркой во всех направлениях и характеризуется простой функцией отражательной способности ф (/, е, g ) = cos /. Поверхности запыленных каменистых объектов, наблюдаемых с большого расстояния, демонстрируют другой интересный тип функции отражательной способности: при фиксированном значении фазового угла g значение ф зависит лишь от отношения cos //cos е. Такая зависимость справедлива для материала, из которого состоят моря на Луне, причем при наблюдении с Земли фазовый угол g действительно постоянен. Это обстоятельство существенно способствовало изучению топографии Луны. Особенно простой функцией отражательной способности обладает полированная металлическая поверхность: функция ф принимает значение 1 при i = е ng = i + е (свойства идеального зеркала). Если поверхность отполирована не идеально, то значения функции ф несколько " размазываются" относительно 1 (часто такое размазывание соответствует свертке с гауссианом). Это размазывание (пятнистость) вызывает, в частности, интерес потому, что многие из тех поверхностей, с которыми мы сталкиваемся повседневно, обладают функцией отражательной способности, являющейся комбинацией двух составляющих, обусловленных диффузионно рассеянным (матовая поверхность) и зеркально отраженным (зеркальная поверхность) светом. Функция отражательной способности глянцевитой белой краски является результатом такой комбинации. Так, например, эта функция может иметь вид

s ( n + 1)(2 cos/cose - cosg ) ⁿ ф(г, е, g ) =--------------------------------------- + (1 - s ) cos /,

где s — доля света, отражаемого зеркально; в этом выражении первый член соответствует составляющей, обусловленной зеркально отраженным светом, а второй — составляющей, обусловленной светом, рассеянным матовой поверхностью. Число п характеризует остроту пика первой составляющей; типичным для глянцевитой краски можно считать п = 16 [92].

252

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться: