Wir sehen die Welt nicht in Graustufen, sondern wir sehen die Welt in Farbe. Wie die Dinge aussehen, wie sie sind, und wie wir ihr Aussehen interpretieren, ist ein komplexer Mechanismus, der viel Kontext aus Physik und Biologie benötigt. Ich werde nicht viel über die Lichtfarbe sprechen, weil es ein zu langes Tutorial wäre und ich die Frist nicht einhalten kann (ich habe sie sowieso nicht eingehalten :(, weil ich Kasache bin). Das Hauptziel In diesem Tutorial soll untersucht werden, wie sich Licht ausbreitet und wie es die Szene unter verschiedenen Wetterbedingungen beeinflusst. Ich werde hauptsächlich Beispiele für Lichtausbreitung in Graustufen haben, da wir nur die allgemeinen Eigenschaften von Licht betonen werden.

Licht

Um sehen zu können, brauchen wir Licht. Die Bilder, die wir wahrnehmen, sind die Art und Weise, wie unser visuelles System die Lichtstrahlen verarbeitet, die in unsere Augen eintreten und auf unsere Netzhaut treffen. Bild 1 zeigt, wie ein paar Lichtstrahlen durch unsere Augen wandern könnten, was zu dem wahrgenommenen Bild einer Blume führt. Die Lichtstrahlen gehen natürlich nicht von der Blume aus. Vielmehr müssen sie von irgendeiner Lichtquelle kommen. In jeder Szene, die nicht pechschwarz ist, muss es eine Lichtquelle geben, sei es die Sonne, eine Lampe oder das Display, von dem Sie gerade lesen.

 

[Bild 1. Beim Betrachten einer Blume (A.) fällt Licht, das von ihr reflektiert wird (B.), in unsere Augen (C.).

Bild 2. Aufbau mit Lampe und geometrischen Objekten]

 

 

 

Betrachten wir die folgende Szene: ein Raum mit einigen Gegenständen, mit einer Lampe als einziger Lichtquelle. Dies ist in Bild 2 dargestellt.

 

Alles, was wir sehen können, wird von der Lampe beleuchtet. In Bild 3 unten beleuchten wir nur die Teile, die direkt der Lampe zugewandt sind. Diesem Bild fehlt eine wichtige physikalische Komponente. Licht wird von allen Oberflächen reflektiert, auf die es trifft, wodurch die Objekte in der Szene ein wenig leuchtend werden. Wie in Bild 4 unten dargestellt, wird das Licht etwas willkürlich reflektiert, wobei der Reflexionsgrad und die Streuwinkel von den Eigenschaften der Oberflächen abhängen.

 

[Bild 3. Die Einrichtung leuchtet nur in Bereichen auf, die Licht erreichen kann.

Bild 4. In der aktuellen Konfiguration wird das Licht auf komplizierte Weise reflektiert.]

 

 

Leider ist die Berechnung, wie genau das Licht in einer ganzen Szene reflektiert wird, eine komplizierte Aufgabe. Eine Lampe sendet viele Photonen aus, und ihre Bahnen hängen von vielen spezifischen Eigenschaften der Objekte in der Szene ab. Rendering-Software braucht aus diesem Grund lange, um Licht gut zu rendern.

 

[Bild 5. Übermäßig vereinfachte Art und Weise, wie Licht herumspringt.

Bild 6. Verwendung einer stark vereinfachten Wahrnehmung, um Schatten neu zu zeichnen, um reflektiertes Licht von den Oberflächen zu berücksichtigen]

 

 

Vereinfachen wir diesen komplizierten Prozess, damit unser Verstand ihn verstehen kann. Größere, hellere oder stärker reflektierende Oberflächen bringen mehr Licht in ihre Umgebung und wirken gewissermaßen selbst als Lichtquellen. In unserem Beispiel haben wir lächerlich reflektierende weiße Objekte gezeichnet, sodass sie alle das Licht gleichermaßen reflektieren. Größere helle Flecken haben jedoch mehr Einfluss auf ihre Umgebung als kleinere Flecken. Wie in Bild 5 zu sehen, hat die linke Wand eine große Oberfläche und erhält viel direktes Licht von der Lampe. Das davon reflektierte Licht wird auf die dunklen Teile der Würfel und der Kugel sowie in die Schatten auf dem Boden geworfen, die von diesen Objekten geworfen werden. Im Allgemeinen können Sie über die folgenden Fragen nachdenken, wenn Sie versuchen, Licht in einer komplexen Szene zu zeichnen:

 

*Wo ist die Lichtquelle?

*Welche Flächen beleuchtet die Lichtquelle direkt?

*Wie reflektieren diese Oberflächen Licht?

*Wohin wird dieses reflektierte Licht gelangen?

 

Als Ergebnis dieser kurzen Überlegung erhielt ich Bild 6. Es gibt wahrscheinlich keine Begrenzung, wie lange man über die Berechnung von Lichtrichtungen nachdenken könnte, da die reale Welt nicht durch die Auflösung unserer Bildschirme oder die Größe unserer begrenzt ist Bürsten.

 

Lassen Sie uns nun die rechte und linke Wand näher an die Objekte heranrücken, wie in Bild 7 gezeigt. Dies führt dazu, dass mehr Licht auf die dunklen Seiten von Kugeln und Würfeln gelangt, da das Licht nicht so weit von den Wänden entfernt sein muss. Außerdem gelangt im Vergleich zu Bild 8 weniger Licht in die Schatten, da sich die Objekte jetzt näher an der linken Wand befinden und weniger Platz für Licht von der rechten Wand oder vom Boden ist, um in diesen Schatten zu prallen.

[Bild 7: Linke und rechte Wand näher an Objekte verschoben.

Bild 8: Wie Bild 6 zum Vergleich mit Bild 7.]

 

 

 

Alles, was wir sehen, ist hell, außer pechschwarz. Jedes nicht schwarze Objekt, das Sie beobachten, reflektiert Licht, und dieses Licht erreicht Ihre Augen, macht das Objekt im Grunde leuchtend und hat einen gewissen Einfluss auf die Umgebung. Sehen wir uns nun an, wie wir dieses Prinzip auf Licht bei verschiedenen Wetterbedingungen anwenden können.

 

Sonniger Tag

An einem sonnigen Tag haben wir keine Wolken und eine helle Sonne (1.), die die Hauptlichtquelle ist. Betrachten wir eine Situation, in der wir an einem sonnigen Tag um die Mittagszeit einen Ball (2.) auf einer freien Fläche haben. Die Sonne wird die Szene sehr stark beleuchten.

[Bild 9: Aufbau eines sonnigen Tages.

Bild 10: Sonne scheint in alle Richtungen]

 

 

Ich meine sehr, sehr stark. Du spürst die Sonne auf deiner Haut, du spürst, wie viel Energie sie ausstrahlt und wie viel wärmer sie unsere Welt macht. Manchmal wohl etwas unangenehm warm.

 

Ein solches direktes Licht erzeugt einen ziemlich scharfen Schatten (3.) des Balls. Es stellt sich jedoch heraus, dass der Schatten im Freien nicht absolut pechschwarz sein wird, selbst wenn sich hinter einem Ball nichts befindet, das Licht zurückprallen lässt, wie in der Szene, die wir uns zuvor angesehen haben.

[Bild 11: Sonne scheint stark und schreit.

Bild 12: Sonnenlicht erzeugt Schlagschatten]

 

 

Bevor das Sonnenlicht uns erreicht, legt es eine beträchtliche Strecke durch den Weltraum und durch unsere Atmosphäre zurück. In der Atmosphäre findet Streuung statt, und das meist warmfarbige Licht erreicht uns direkt. Kühles farbiges Licht wird eher durch die Luft gestreut (diese Streuung wird als Rayleigh-Streuung bezeichnet). Als Ergebnis ist der Himmel blau und sehr leuchtend. Das vom Himmel ausgestrahlte Licht ist ziemlich gleichmäßig und beleuchtet Schatten in einer sonnigen Umgebung im Freien leicht.

[Bild 13: Sonnenlicht wandert durch den Weltraum in die Atmosphäre (4.). Da Licht viele Luftmoleküle in der Atmosphäre durchdringt, kann kühles Licht gestreut werden (Rayeigh-Streuung) (5.), während warmes Licht kaum gestreut wird und auf direkterem Weg den Boden erreicht (6.).

Bild 14: Nach einer langen Reise durch die Atmosphäre wird sich viel kühles Licht zerstreut haben und schließlich den Boden gleichmäßig erreicht haben (7.) und den Boden mit himmelblauem Licht erhellen. Etwas von diesem kühlen Licht wird den Schatten des Balls erhellen.]

 

 

An einem sonnigen Tag wird starkes Sonnenlicht von den Oberflächen der von uns beobachteten Objekte reflektiert. Dadurch sieht eine Szene sehr hell aus, da viel Licht reflektiert werden muss. Bild 15 ist ein Beispiel. Hier haben wir einen leichten, matt strukturierten Ball im Freien an einem sonnigen Tag. Wie wir sehen können, gibt es viel Licht und die Schatten sind nicht pechschwarz, da es Licht vom Himmel gibt, um sie zu erhellen. Näher am Boden auf dem Ball können Sie einen Lichtfleck beobachten, da dort auch etwas Licht vom Boden hin gelangen kann. In Bild 16 haben wir eine Wand hinter dem Ball hinzugefügt. Jetzt wird etwas Sonnenlicht von der Wand abprallen und den Schlagschatten und die Rückseite der Kugel beleuchten.

[Bild 15: Leichte matte Kugel an einem sonnigen Tag im Freien.

Bild 16: Derselbe Ball, aber mit einer Wand dahinter.]

 

 

Lassen Sie uns weitere Objekte in unsere Szene einführen und beobachten, wie die Sonne sie beleuchtet. In Bild 17 haben wir eine dunkle matte Kugel, die gleiche Kugel wie im vorherigen Beispiel, und eine glänzende Kugel. Die dunkle Kugel absorbiert viel Licht, aber nicht alles. Es reflektiert immer noch etwas Licht vom Boden, aber weniger als die Kugel in der Mitte, da die dunkle Kugel mehr Licht absorbiert als die mittlere Kugel. Ich nahm an, dass die glänzende Kugel so angeordnet ist, dass sie direktes Sonnenlicht reflektiert, was zu einem Heiligenschein um einen weißen Reflexionsfleck führt. Dies wird durch Lichtstreuung und Streuung in Ihrem Auge verursacht, was passiert, wenn Sie auf etwas wirklich Helles starren.

 

[Bild 17: Kugeln mit unterschiedlichen Farben und Materialanteilen an einem sonnigen Tag im Freien.

Bild 18: Gleiche Bälle, aber mit einer Wand dahinter.]

 

 

Das Fazit ist also, dass es an einem sonnigen Tag viel Licht gibt, erstens von der Sonne, zweitens vom Himmel selbst und schließlich von allen nahe gelegenen Objekten, die Licht reflektieren und beeinflussen, wie die Szene aussehen wird.

 

Bewölkter Tag

Wenn es bewölkt ist, geht das Sonnenlicht durch eine Wolke, bevor es uns erreichen kann. Wolken bestehen aus vielen winzigen Wassertröpfchen, die groß genug sind, um viel Streuung (Mie-Streuung) zu verursachen. Aufgrund dieser Streuung wird ein Teil des Sonnenlichts zurück in den Weltraum reflektiert und ein Teil wird tiefer in die Wolke eindringen. Wenn es durch die Wolke wandert, findet mehr Streuung statt, sodass Sie auf dem Weg nach draußen ziemlich gleichmäßiges Licht erhalten. Dies macht Wolken im Grunde zur Hauptlichtquelle an einem bewölkten Tag, und wenn es sehr bewölkt ist, erscheinen sie gräulich.

 

[Bild 19: Licht der Sonne wird von Wassertröpfchen (7.) einer Wolke gestreut. Infolgedessen ist das von den Wolken emittierte Licht gleichmäßig.

Bild 20: Die Sonne strahlt viel Licht aus, und gleichmäßiges Licht, das aus Wolken kommt, wird schwächer sein. ]

 

 

Betrachten Sie den vorherigen Aufbau mit Kugeln, wie in Bild 21 gezeigt. Wir können sehen, dass die Kanten sehr deutlich sind und das Licht in der Umgebung gleichmäßig und schwach ist. Unter jeder Kugel haben wir einen dunklen Schatten, weil dort kaum Licht hinkommt. Das Hinzufügen einer Wand dahinter, wie in Bild 22, ändert nicht so viel, wie das Licht erscheint, aber es hellt die Schatten der Kugeln und die Seiten der Kugeln, die dieser Wand zugewandt sind, leicht auf.

[Bild 21: dieselben drei Bälle an einem bewölkten Tag

Bild 22: dieselben drei Bälle, aber mit einer Wand dahinter]

 

 

Licht an einem bewölkten Tag ist viel schwächer als direktes Sonnenlicht. Dinge auf dem Boden werden nicht so glänzend sein, Schatten werden weicher sein und Dinge auf dem Boden werden erscheinen, als ob sie gleichmäßiger beleuchtet wären. Kanten von Objekten erscheinen immer noch scharf, da Ihre Sinne Bildinformationen klarer lesen können.

[Gif 1: Sonnentag und bewölkt im Vergleich]

 

Nebeliger/rauchiger Tag

Bisher haben wir nur darüber gesprochen, wann das Medium zwischen dem Betrachter und den Objekten in der Szene nur Luft ist. Luft verursacht Lichtstreuung in der Atmosphäre, aber nur auf sehr große Entfernung kann man die Auswirkungen einer solchen Streuung sehen. So weit entfernte Objekte, wie solche in Horizontnähe, können bläulich erscheinen. Das ist ziemlich weit. Aber wenn wir größere (aber immer noch sehr kleine) Partikel in der Luft haben, wie die Partikel, aus denen Nebel, Rauch oder Verschmutzung bestehen, ändert sich die Sichtbarkeit. Unter solchen Bedingungen werden Sie wahrscheinlich überhaupt keinen Horizont sehen. Solche größeren Partikel in der Luft streuen das Licht sehr gleichmäßig unabhängig von seiner Farbe, was dazu führt, dass die Umgebung gleichmäßig ausgeleuchtet wird.

 

Wie in Bild 23 gezeigt, ist die Wahrscheinlichkeit, dass Licht von einem Objekt gestreut wird, höher, wenn wir so große Partikel in der Luft haben. Wenn Licht viele Schichten solcher Partikel passieren muss, wird das meiste Licht gestreut. Je weiter Sie von einem Objekt entfernt sind, desto weniger Licht werden Sie von ihm wahrnehmen.

 

In Bild 24 sehen wir eine Darstellung davon. Nebel erzeugt einen weißen Hintergrund, da er das Licht gleichmäßig streut und kein Licht absorbiert. Die Helligkeit des Nebels im Hintergrund hängt also davon ab, wie viel Licht in der Umgebung ist. In diesem Bild betrachten wir nur Licht an einem bewölkten Tag, daher gibt es nicht viel Licht und der Nebel wird gleichmäßig beleuchtet. Wie Sie sehen können, wird das Licht des fernen Balls stark gestreut und dieser Ball hat verschwommene Ränder. Währenddessen haben näher liegende Bälle immer deutlichere Kanten.

 

[Bild 23: Bewölkter Tag, Nebel (8.). Beobachten von 3 Bällen in unterschiedlicher Entfernung vom Beobachter. Das Licht der roten Kugel reicht kaum bis zum Auge.

Bild 24: dieselben drei Bälle wie in Bild 21, bei Nebelwetter.]

 

 

Im Vergleich zu Nebel absorbiert Rauch Licht, was insgesamt zu weniger Licht in der Umgebung führt. Dichterer Rauch macht das, was Sie sehen, dunkler. Es könnte sogar so dicht sein, dass Sie überhaupt kein Licht sehen.

 

[Bild 25: dieselben 3 Bälle bei rauchigem Wetter

Bild 26: gleiche 3 Bälle im Nebel, zum Vergleich]

 

 

Die Art und Weise, wie Ihre Sicht beeinträchtigt wird, hängt davon ab, wie weit Objekte von Ihren Augen entfernt sind. Je weiter das Objekt von Ihren Augen entfernt ist, desto mehr Nebel muss es durchdringen, bevor es Ihre Augen erreichen kann. Dies wird in Gif 2 gezeigt, wenn wir die Dichte des Nebels erhöhen.

 

[Gif 2: zunehmende Nebeldichte ]

 

[Bild 27: Etwas Helles scheint durch Nebel, Licht wird stark um die Lichtquelle herum gestreut]

 

 

Wenn sich große Partikel in der Luft befinden, beeinträchtigen sie die Sicht. Kanten von weit entfernten Objekten erscheinen verschwommen in der Umgebung. Objekte verschwinden in geringerer Entfernung als an einem klaren Tag. Das Licht wird herumgestreut und sorgt für eine gleichmäßige Beleuchtung. Transparente Partikel wie Wasser in der Luft absorbieren nicht viel Licht, aber Feststoffe wie Rauchpartikel absorbieren Licht und sorgen dafür, dass weniger Licht in der Szene verfügbar ist.

Ich hoffe, Sie können jetzt mehr über Licht bei unterschiedlichen Wetterbedingungen nachdenken!

Alles wurde in Clip Studio Paint gezeichnet und animiert.