Wir sehen die Welt nicht in Graustufen, sondern in Farbe. Wie Dinge aussehen und wie wir ihr Erscheinungsbild interpretieren, ist ein komplexer Mechanismus, der viel Kontext aus Physik und Biologie erfordert. Ich werde nicht viel über die Farbe des Lichts sprechen, da dies ein zu langes Tutorial wäre und ich die Frist nicht einhalten könnte (was ich ohnehin nicht getan habe :(, weil ich Kasache bin). Das Hauptziel dieses Tutorials ist es, zu untersuchen, wie sich Licht ausbreitet und wie es die Szene unter verschiedenen Wetterbedingungen beeinflusst. Ich werde hauptsächlich Beispiele für die Lichtausbreitung in Graustufen verwenden, da wir uns nur auf die allgemeinen Eigenschaften des Lichts konzentrieren 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 eindringen und auf unsere Netzhaut treffen. Abbildung 1 zeigt, wie einige Lichtstrahlen durch unsere Augen wandern könnten, was zu dem wahrgenommenen Bild einer Blume führt. Natürlich stammen die Lichtstrahlen nicht von der Blume. Vielmehr müssen sie von einer 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.

 

[Abbildung 1. Blick auf eine Blume (A.) davon reflektiertes Licht (B.) dringt in unsere Augen ein (C.).

Abbildung 2. Aufbau mit Lampe und geometrischen Objekten]

 

 

 

Betrachten wir die folgende Szene: einen Raum mit einigen Objekten und einer Lampe als einziger Lichtquelle. Dies ist in Abbildung 2 dargestellt.

 

Alles, was wir sehen können, wird von der Lampe beleuchtet. In Abbildung 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, auf die es trifft, reflektiert, wodurch die Objekte in der Szene etwas leuchten. Wie in Abbildung 4 unten dargestellt, wird das Licht etwas zufällig reflektiert, wobei die Menge der Reflexion und die Streuungswinkel von den Eigenschaften der Oberflächen abhängen.

 

[Abbildung 3. Der Aufbau wird nur in den Bereichen beleuchtet, die Licht erreichen kann.

Abbildung 4. Im aktuellen Aufbau wird Licht auf komplizierte Weise abprallen.]

 

 

Unglücklicherweise ist die genaue Berechnung, wie Licht in einer ganzen Szene reflektiert wird, eine komplizierte Aufgabe. Eine Lampe sendet viele Photonen aus, und ihre Flugbahnen hängen von vielen spezifischen Eigenschaften der Objekte in der Szene ab. Render-Software benötigt aus diesem Grund viel Zeit, um Licht gut darzustellen.

 

[Abbildung 5. Stark vereinfachte Darstellung, wie Licht reflektiert wird.

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

 

 

Vereinfachen wir diesen komplizierten Prozess, damit unser Verstand ihn erfassen kann. Größere, hellere oder stärker reflektierende Oberflächen tragen mehr Licht zu ihrer Umgebung bei und fungieren gewissermaßen selbst als Lichtquellen. In unserem Beispiel haben wir lächerlich stark reflektierende weiße Objekte gezeichnet, sodass sie alle Licht gleichermaßen reflektieren. Jedoch haben größere helle Flecken mehr Einfluss auf ihre Umgebung als kleinere Flecken. Wie in Abbildung 5 gezeigt, hat die linke Wand eine große Oberfläche und empfängt viel direktes Licht von der Lampe. Von ihr reflektiertes Licht prallt auf die dunklen Teile der Würfel und der Kugel sowie in die Schatten auf dem Boden, die von diesen Objekten geworfen werden. Im Allgemeinen können Sie sich folgende Fragen stellen, wenn Sie versuchen, Licht in einer komplexen Szene zu zeichnen:

 

*Wo ist die Lichtquelle?

*Welche Oberflächen beleuchtet die Lichtquelle direkt?

*Wie reflektieren diese Oberflächen Licht?

*Wohin wird dieses reflektierte Licht gelangen?

 

Als Ergebnis eines kurzen Nachdenkens darüber erhielt ich Abbildung 6. Es gibt wahrscheinlich keine Grenze, wie lange man über die Berechnung von Lichtrichtungen nachdenken könnte, da die reale Welt nicht durch die Auflösungen unserer Bildschirme oder die Größe unserer Pinsel begrenzt ist.

 

Bewegen wir nun die rechte und linke Wand näher an die Objekte heran, wie in Abbildung 7 gezeigt. Dies führt dazu, dass mehr Licht auf die dunklen Seiten von Kugel und Würfeln gelangt, da das Licht nicht so weit von den Wänden entfernt reisen muss. Auch weniger Licht wird in die geworfenen Schatten gelangen, im Vergleich zu Abbildung 8, da die Objekte nun näher an der linken Wand sind und weniger Raum für Licht von der rechten Wand oder vom Boden vorhanden ist, um in diesen Schatten zu prallen.

[Abbildung 7: Linke und rechte Wand näher an die Objekte bewegt.

Abbildung 8: Identisch mit Abbildung 6 zum Vergleich mit Abbildung 7.]

 

 

 

Alles, was wir sehen, ist Licht, außer pechschwarz. Jedes nicht-schwarze Objekt, das Sie beobachten, reflektiert Licht, und dieses Licht erreicht Ihre Augen, wodurch das Objekt im Grunde leuchtet und einen gewissen Einfluss auf die Umgebung hat. Nun wollen wir sehen, wie wir dieses Prinzip auf Licht bei verschiedenen Wetterbedingungen anwenden können.

 

Sonniger Tag

An einem sonnigen Tag gibt es keine Wolken und eine helle Sonne (1.), die die Hauptlichtquelle ist. Betrachten wir eine Situation, in der wir einen Ball (2.) an einem sonnigen Mittag auf einem offenen Platz haben. Die Sonne wird die Szene sehr stark beleuchten.

[Abbildung 9: Aufbau für einen sonnigen Tag.

Abbildung 10: Sonne strahlt in alle Richtungen]

 

 

Ich meine sehr, sehr stark. Man spürt die Sonne auf der Haut, man spürt, wie viel Energie sie abstrahlt und wie viel wärmer sie unsere Welt macht. Manchmal wahrscheinlich etwas unangenehm warm.

 

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 nichts hinter einem Ball befindet, das das Licht wie in der zuvor betrachteten Szene zurückprallen lassen würde.

[Abbildung 11: Sonne scheint stark und brüllt.

Abbildung 12: Sonnenlicht erzeugt einen Schlagschatten]

 

 

Bevor es uns erreicht, legt das Sonnenlicht eine beträchtliche Strecke durch den Weltraum und durch unsere Atmosphäre zurück. In der Atmosphäre kommt es zu Streuung, und hauptsächlich warmfarbiges Licht erreicht uns direkt. Kaltfarbiges Licht wird eher von der Luft gestreut (diese Streuung wird Rayleigh-Streuung genannt). Das Ergebnis ist, dass der Himmel blau und sehr leuchtend ist. Das vom Himmel ausgestrahlte Licht ist ziemlich gleichmäßig und wird Schatten in einer sonnigen Umgebung leicht aufhellen.

[Abbildung 13: Sonnenlicht wandert durch den Weltraum in die Atmosphäre (4.). Wenn Licht viele Luftmoleküle in der Atmosphäre durchquert, hat kaltes Licht eine Chance, gestreut zu werden (Rayleigh-Streuung) (5.), während warmes Licht kaum gestreut wird und den Boden (6.) auf einem direkteren Weg erreicht.

Abbildung 14: Nach einer langen Reise durch die Atmosphäre wird viel kaltes Licht gestreut und erreicht schließlich gleichmäßig den Boden (7.), der mit himmelblauem Licht beleuchtet wird. Ein Teil dieses kalten Lichts wird den Schatten des Balls aufhellen.]

 

 

An einem sonnigen Tag wird starkes Sonnenlicht von den Oberflächen der von uns beobachteten Objekte reflektiert. Dies lässt eine Szene sehr hell erscheinen, da viel Licht reflektiert wird. Abbildung 15 ist ein Beispiel. Hier haben wir einen hellen, matt texturierten Ball im Freien auf einem offenen Platz an einem sonnigen Tag. Wie wir sehen können, gibt es viel Licht und die Schatten sind nicht pechschwarz, da Licht vom Himmel sie aufhellt. Näher am Boden des Balls können Sie einen hellen Fleck beobachten, da auch etwas Licht vom Boden dorthin gelangen kann. In Abbildung 16 haben wir eine Wand hinter dem Ball hinzugefügt. Nun prallt etwas Sonnenlicht von der Wand ab und beleuchtet den Schlagschatten und die Rückseite des Balls.

[Abbildung 15: Heller matter Ball an einem sonnigen Tag im Freien.

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

 

 

Fügen wir unserer Szene weitere Objekte hinzu und beobachten, wie die Sonne sie beleuchtet. In Abbildung 17 haben wir einen dunklen matten Ball, denselben Ball wie aus dem vorherigen Beispiel, und einen glänzenden Ball. Der dunkle Ball absorbiert viel Licht, aber nicht alles. Er reflektiert immer noch etwas Licht vom Boden, aber weniger als der Ball in der Mitte, da der dunkle Ball mehr Licht absorbiert als der mittlere Ball. Ich ging davon aus, dass der glänzende Ball so positioniert ist, dass er direktes Sonnenlicht reflektiert, was zu einem Heiligenschein um einen weißen Reflexionspunkt führt. Dies wird durch Lichtstreuung und -dispersion in Ihrem Auge verursacht, was passiert, wenn Sie auf etwas sehr Helles starren.

 

[Abbildung 17: Bälle mit verschiedenen Farben und Materialanteilen an einem sonnigen Tag im Freien.

Abbildung 18: Dieselben Bälle, aber mit einer Wand dahinter.]

 

 

Die Quintessenz ist also, dass an einem sonnigen Tag viel Licht vorhanden ist, erstens von der Sonne, zweitens vom Himmel selbst und drittens von allen nahegelegenen Objekten, die Licht reflektieren und beeinflussen, wie die Szene erscheinen wird.

 

Bewölkter Tag

Wenn es bewölkt ist, durchläuft das Sonnenlicht, bevor es uns erreichen kann, eine Wolke. 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 ins All reflektriert und ein Teil dringt tiefer in die Wolke ein. Während es durch die Wolke wandert, findet mehr Streuung statt, so dass Sie auf dem Weg nach draußen ein ziemlich gleichmäßiges Licht erhalten. Dies macht Wolken im Grunde zur Hauptlichtquelle an einem bewölkten Tag, und wenn es sehr bewölkt ist, erscheinen sie gräulich.

 

[Abbildung 19: Licht von der Sonne wird von Wassertröpfchen (7.) einer Wolke gestreut. Dadurch ist das von den Wolken abgestrahlte Licht gleichmäßig.

Abbildung 20: Die Sonne strahlt viel Licht aus, und das gleichmäßige Licht, das aus den Wolken kommt, wird schwächer. ]

 

 

Betrachten wir den vorherigen Aufbau mit Bällen, wie in Abbildung 21 gezeigt. Wir können sehen, dass die Kanten sehr deutlich sind und das Licht in der Umgebung gleichmäßig und schwach ist. Unter jedem Ball haben wir einen dunklen Schatten, weil das Licht dort kaum hingelangt. Das Hinzufügen einer Wand dahinter, wie in Abbildung 22, verändert das Erscheinungsbild des Lichts nicht wesentlich, aber es hellt die Schatten der Bälle und die Seiten der Bälle, die dieser Wand zugewandt sind, leicht auf.

[Abbildung 21: dieselben drei Bälle an einem bewölkten Tag

Abbildung 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 wären sie gleichmäßiger beleuchtet. Die Kanten von Objekten werden immer noch scharf erscheinen, da Ihre Sinne Bildinformationen klarer lesen können.

[Gif 1: Vergleich sonniger Tag und bewölkt]

 

Nebeliger/rauchiger Tag

Bisher haben wir nur darüber gesprochen, wenn das Medium zwischen dem Betrachter und den Objekten in der Szene nur Luft ist. Luft verursacht Lichtstreuung in der Atmosphäre, aber nur über eine sehr lange Distanz kann man die Auswirkungen solcher Streuung sehen. Sehr weit entfernte Objekte, wie die nahe am Horizont, könnten bläulich erscheinen. Das ist ziemlich weit. Aber wenn wir größere (aber immer noch sehr kleine) Partikel in der Luft haben, wie die Partikel, die Nebel, Rauch oder Verschmutzung ausmachen, ändert sich die Sichtbarkeit. Sie werden unter solchen Bedingungen wahrscheinlich überhaupt keinen Horizont sehen. Solche größeren Partikel in der Luft streuen Licht sehr gleichmäßig, unabhängig von seiner Farbe, was zu einer gleichmäßigen Beleuchtung der Umgebung führt.

 

Wie in Abbildung 23 gezeigt, ist bei solchen großen Partikeln in der Luft die Wahrscheinlichkeit höher, dass Licht von einem Objekt durch sie gestreut wird. Wenn Licht viele Schichten solcher Partikel durchdringen muss, wird der größte Teil des Lichts gestreut. Je weiter Sie von einem Objekt entfernt sind, desto weniger Licht werden Sie von ihm wahrnehmen.

 

In Abbildung 24 sehen wir eine Darstellung davon. Nebel erzeugt einen weißen Hintergrund, weil er Licht gleichmäßig streut und kein Licht absorbiert. Die Helligkeit des Nebels im Hintergrund hängt also davon ab, wie viel Licht in der Gegend vorhanden ist. In diesem Bild betrachten wir nur Licht an einem bewölkten Tag, daher gibt es nicht viel Licht und der Nebel ist gleichmäßig beleuchtet. Wie Sie sehen können, wird Licht vom weit entfernten Ball stark gestreut und dieser Ball hat unscharfe Kanten. Näher gelegene Bälle haben dagegen immer deutlichere Kanten.

 

[Abbildung 23: Bewölkter Tag, Nebel (8.). Beobachtung von 3 Bällen in verschiedenen Entfernungen zum Beobachter. Licht vom roten Ball erreicht das Auge kaum.

Abbildung 24: dieselben drei Bälle wie in Abbildung 21, unter nebligen Wetterbedingungen.]

 

 

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

 

[Abbildung 25: dieselben 3 Bälle bei rauchigem Wetter

Abbildung 26: dieselben 3 Bälle im Nebel, zum Vergleich]

 

 

Die Art und Weise, wie Ihre Sichtbarkeit 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 ist in Gif 2 dargestellt, wenn wir die Dichte des Nebels erhöhen.

 

[Gif 2: zunehmende Nebeldichte ]

 

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

 

 

Wenn große Partikel in der Luft sind, beeinträchtigen sie die Sichtbarkeit. Kanten weit entfernter Objekte erscheinen verschwommen in der Umgebung. Objekte verschwinden in geringerer Entfernung, als sie es an einem klaren Tag tun würden. Licht wird gestreut, wodurch eine gleichmäßige Beleuchtung entsteht. Transparente Partikel, wie Wasser, in der Luft werden nicht viel Licht absorbieren, aber Feststoffe, wie in Rauchpartikeln, werden Licht absorbieren und dazu führen, dass weniger Licht in der Szene verfügbar ist.

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

Alles wurde in Clip Studio Paint gezeichnet und animiert.