No vemos el mundo en escala de grises, pero vemos el mundo en color. Cómo se ven las cosas tal como son y cómo interpretamos sus apariencias es un mecanismo complejo que necesita mucho contexto de la física y la biología. No hablaré mucho sobre el color de la luz, porque sería un tutorial demasiado largo y no podré cumplir con el plazo (no lo logré de todos modos :(, porque soy kazajo). El objetivo principal de este tutorial es estudiar como viaja la luz y como impacta la escena bajo diferentes condiciones climáticas, tendré principalmente ejemplos de viajes de luz en escala de grises, ya que solo enfatizaremos las propiedades generales de la luz.

Luz

Para tener visión, necesitamos tener luz. Las imágenes que percibimos son la forma en que nuestro sistema visual procesa los rayos de luz que ingresan a nuestros ojos y golpean nuestras retinas. La imagen 1 muestra cómo unos pocos rayos de luz pueden viajar a través de nuestros ojos, dando como resultado la imagen percibida de una flor. Por supuesto, los rayos de luz no se originan en la flor. Más bien, deben provenir de alguna fuente de luz. En cualquier escena que no sea completamente negra, debe haber una fuente de luz, ya sea el sol, una lámpara o la pantalla que estás leyendo ahora.

 

[Imagen 1. mirando una flor (A.) la luz reflejada en ella (B.) entra en nuestros ojos (C.).

Imagen 2. Montaje con lámpara y objetos geométricos]

 

 

 

Consideremos la siguiente escena: una habitación que contiene algunos objetos, con una lámpara como única fuente de luz. Esto se muestra en la imagen 2.

 

Todo lo que podamos ver será iluminado por la lámpara. En la Imagen 3 a continuación, iluminamos solo las partes que miran directamente a la lámpara. A esta imagen le falta un componente físico importante. La luz se reflejará en todas las superficies que golpee, haciendo que los objetos en la escena sean un poco luminosos. Como se ilustra en la Imagen 4 a continuación, la luz se reflejará de manera algo aleatoria, con la cantidad de reflexión y los ángulos de dispersión dependiendo de las propiedades de las superficies.

 

[Imagen 3. El montaje se iluminó solo en las zonas donde llega la luz.

Imagen 4. En la configuración actual, la luz rebota de forma complicada.]

 

 

Desafortunadamente, calcular cómo se reflejará exactamente la luz en toda una escena es una tarea complicada. Una lámpara envía muchos fotones y sus trayectorias dependerán de muchas propiedades específicas de los objetos en la escena. El software de renderizado tarda mucho tiempo en renderizar bien la luz por este motivo.

 

[Imagen 5. Una forma demasiado simplificada de ver cómo rebota la luz.

Imagen 6. Uso de una percepción demasiado simplificada para volver a dibujar sombras para tener en cuenta la luz reflejada en las superficies]

 

 

Simplifiquemos demasiado este complicado proceso para que nuestras mentes puedan comprenderlo. Las superficies más grandes, más brillantes o más reflectantes aportan más luz a su entorno, actuando como fuentes de luz en sí mismas. En nuestro ejemplo, hemos dibujado objetos blancos ridículamente reflectantes, por lo que todos reflejan la luz por igual. Sin embargo, los puntos brillantes de área más grande tendrán más impacto en su entorno que los puntos más pequeños. Como se muestra en la Imagen 5, la pared de la izquierda tiene una gran superficie y recibe mucha luz directa de la lámpara. La luz reflejada en él rebotará en las partes oscuras de los cubos y la esfera, así como en las sombras que proyectan estos objetos en el suelo. En general, puede pensar en las siguientes preguntas cuando intente atraer la luz en una escena compleja:

 

*¿Dónde está la fuente de luz?

*¿Qué superficies ilumina directamente la fuente de luz?

*¿Cómo reflejan la luz estas superficies?

*¿Hasta dónde llegará esta luz reflejada?

 

Como resultado de pensar así brevemente, obtuve la Imagen 6. Probablemente no haya límite en cuanto a cuánto tiempo se puede pasar pensando en calcular las direcciones de la luz, ya que el mundo real no está limitado por las resoluciones de nuestras pantallas o el tamaño de nuestros cepillos

 

Ahora, acerquemos las paredes derecha e izquierda a los objetos, como se muestra en la Imagen 7. Esto hará que entre más luz en los lados oscuros de la esfera y los cubos, ya que la luz no tiene que viajar tan lejos de las paredes. Además, llegará menos luz a las sombras proyectadas, en comparación con la Imagen 8, ya que los objetos ahora están más cerca de la pared izquierda y hay menos espacio para que la luz de la pared derecha o del piso rebote en esa sombra.

[Imagen 7: Paredes izquierda y derecha movidas más cerca de los objetos.

Imagen 8: Igual que la imagen 6 para comparar con la imagen 7.]

 

 

 

Todo lo que vemos es luz excepto la oscuridad total. Cada objeto que no sea negro que observe refleja luz, y esta luz llega a sus ojos, básicamente haciendo que el objeto sea luminoso y tenga algún impacto en el entorno. Ahora, veamos cómo podemos aplicar este principio a la luz en diferentes condiciones climáticas.

 

Día soleado

En un día soleado, no tendremos nubes y un Sol brillante (1.), que es la principal fuente de luz. Consideremos una situación en la que tenemos una pelota (2.) en un espacio abierto en un día soleado al mediodía. El sol iluminará la escena con mucha fuerza.

[Imagen 9: Puesta en marcha de un día soleado.

Imagen 10: Sol brillando en todas direcciones]

 

 

Quiero decir muy, muy fuertemente. Puedes sentir el sol en tu piel, puedes sentir cuánta energía emite y cuánto más cálido hace nuestro mundo. A veces, probablemente un poco incómodamente cálido.

 

Tal luz directa creará una sombra bastante nítida (3.) de la pelota. Sin embargo, resulta que la sombra no será absolutamente negra al aire libre, incluso no hay nada detrás de una pelota que haga que la luz rebote como en la escena que vimos antes.

[Imagen 11: el sol brilla con fuerza y grita.

Imagen 12: la luz del sol crea una sombra proyectada]

 

 

Antes de llegar a nosotros, la luz del sol viaja una gran distancia a través del espacio y de nuestra atmósfera. En la atmósfera, se produce la dispersión y, en su mayoría, la luz de colores cálidos nos llegará directamente. Es más probable que la luz de colores fríos se disperse por el aire (esta dispersión se denomina dispersión de Rayleigh) . Como resultado, el cielo es azul y muy luminoso. La luz emitida desde el cielo es bastante uniforme e iluminará ligeramente las sombras en un ambiente exterior soleado.

[Imagen 13: Luz solar viajando a través del espacio hacia la atmósfera (4.). A medida que la luz pasa a través de muchas moléculas de aire en la atmósfera, la luz fría tiene la posibilidad de dispersarse (dispersión de Rayeigh) (5.), mientras que la luz cálida apenas se dispersa y llega al suelo (6.) en un camino más directo.

Imagen 14: Después de viajar una gran distancia a través de la atmósfera, una gran cantidad de luz fría se habrá dispersado y eventualmente alcanzado el suelo de manera uniforme (7.), iluminando el suelo con una luz azul celeste. Parte de esta luz fría iluminará la sombra de la pelota.]

 

 

En un día soleado, la luz solar intensa se reflejará en las superficies de los objetos que observamos. Esto hará que la escena se vea muy brillante, ya que hay mucha luz que reflejar. La imagen 15 es un ejemplo. Aquí tenemos una bola ligera con textura mate al aire libre en un espacio abierto en un día soleado. Como podemos ver, hay mucha luz y las sombras no son completamente negras, ya que hay luz del cielo para iluminarlas. Más cerca del suelo en la pelota, puede observar un punto de luz, ya que algo de luz del suelo también puede llegar allí. En la Imagen 16 hemos agregado una pared detrás de la pelota. Ahora un poco de luz del sol rebotará en la pared e iluminará la sombra proyectada y la parte posterior de la pelota.

[Imagen 15: Bola mate clara en un día soleado en un espacio abierto.

Imagen 16: Misma pelota pero con una pared detrás.]

 

 

Introduzcamos más objetos en nuestra escena y observemos cómo los iluminará el sol. En la imagen 17, tenemos una bola mate oscura, la misma bola del ejemplo anterior y una bola brillante. La bola oscura absorbe mucha luz pero no toda. Todavía refleja algo de luz del suelo, pero menos que la bola en el medio, ya que la bola oscura absorbe más luz que la bola del medio. Asumí que la bola brillante está ubicada de tal manera que refleja la luz directa del sol, lo que da como resultado un halo alrededor de un punto blanco de reflexión. Esto es causado por la dispersión y la dispersión de la luz en el ojo, lo que sucede si miras fijamente algo muy brillante.

 

[Imagen 17: Pelotas con diferentes colores y proporciones de materiales en un día soleado en un espacio abierto.

Imagen 18: Mismas bolas pero con una pared detrás.]

 

 

Entonces, la conclusión es que en un día soleado hay mucha luz, en primer lugar del sol, en segundo lugar del cielo mismo y, por último, de todos los objetos cercanos que reflejan la luz e impactan en cómo aparecerá la escena.

 

Día nublado

Cuando está nublado, antes de que la luz del sol pueda alcanzarnos, atraviesa una nube. Las nubes consisten en muchas gotitas de agua que son lo suficientemente grandes como para causar una gran dispersión (dispersión de Mie). Debido a esta dispersión, parte de la luz solar se reflejará de nuevo en el espacio y parte se adentrará más en la nube. A medida que viaja a través de la nube, se produce más dispersión, por lo que al salir obtendrá una luz bastante uniforme. Básicamente, esto hace que las nubes sean la principal fuente de luz en un día nublado, y cuando está muy nublado, aparecerán grisáceas.

 

[Imagen 19: La luz del sol es dispersada por las gotas de agua (7.) de una nube. Como resultado, la luz emitida por las nubes es uniforme.

Imagen 20: El sol emite mucha luz y la luz uniforme que sale de las nubes será más débil. ]

 

 

Considere la configuración anterior con bolas, como se muestra en la imagen 21. Podemos ver que los bordes son muy distintos y la luz en el entorno es uniforme y débil. Debajo de cada bola, tenemos una sombra oscura, porque la luz apenas llega allí. Agregar una pared detrás, como en la imagen 22, no cambia mucho la apariencia de la luz, pero aclara ligeramente las sombras de las bolas y los lados de las bolas que miran hacia esa pared.

[Imagen 21: las mismas tres bolas en un día nublado

Imagen 22: las mismas tres bolas pero con una pared detrás]

 

 

La luz en un día nublado es mucho más débil que la luz solar directa. Las cosas en el suelo no serán tan brillantes, las sombras serán más suaves y las cosas en el suelo aparecerán como si estuvieran iluminadas de manera más uniforme. Los bordes de los objetos seguirán apareciendo nítidos, ya que sus sentidos pueden leer la información de la imagen con mayor claridad.

[Gif 1: comparando día soleado y nublado]

 

Día con niebla/humo

Hasta ahora, solo hemos hablado de cuando el medio entre el espectador y los objetos en la escena es solo aire. El aire provoca la dispersión de la luz en la atmósfera, pero solo a una distancia muy larga se puede ver el impacto de dicha dispersión. Así que los objetos muy lejanos, como los que están cerca del horizonte, pueden parecer azulados. Eso es bastante lejos. Pero cuando tenemos partículas más grandes (pero aún muy pequeñas) en el aire, como las partículas que forman la niebla, el humo o la contaminación, la visibilidad cambia. Probablemente no verá el horizonte en absoluto en tales condiciones. Tales partículas más grandes en el aire dispersan la luz de manera muy uniforme, indiferente a su color, lo que da como resultado que se brinde una luz uniforme a los alrededores.

 

Como se muestra en la Imagen 23, cuando tenemos partículas tan grandes en el aire, la probabilidad de que la luz de un objeto sea dispersada por ellas es mayor. Si la luz necesita pasar a través de muchas capas de tales partículas, la mayor parte de la luz se dispersará. Cuanto más lejos esté de un objeto, menos luz observará de él.

 

En la imagen 24 vemos una representación de esto. La niebla creará un fondo blanco porque dispersa la luz uniformemente y no absorbe ninguna luz. Por lo tanto, la claridad de la niebla en el fondo dependerá de la cantidad de luz que haya en el área. En esta imagen, solo consideramos la luz en un día nublado, por lo que no hay mucha luz y la niebla se ilumina de manera uniforme. Como puede ver, la luz de la bola lejana se dispersa mucho y esa bola tiene bordes borrosos. Mientras tanto, las bolas más cercanas tienen bordes cada vez más definidos.

 

[Foto 23: Día nublado, Niebla (8.). Observando 3 bolas a varias distancias del observador. La luz de la bola roja apenas llega al ojo.

Imagen 24: las mismas tres bolas que en la imagen 21, en condiciones de niebla.]

 

 

En comparación con la niebla, el humo absorbe la luz, lo que resulta en menos luz general en los alrededores. Un humo más denso hará que lo que veas sea más oscuro. Incluso podría ser lo suficientemente denso como para que no veas ninguna luz.

 

[Imagen 25: las mismas 3 bolas en tiempo de humo

Imagen 26: las mismas 3 bolas en niebla, para comparar]

 

 

La forma en que su visibilidad se ve afectada depende de qué tan lejos están los objetos de sus ojos. Cuanto más lejos esté el objeto de tus ojos, más niebla tendrá que atravesar antes de que pueda llegar a tus ojos. Esto se muestra en el Gif 2, a medida que aumentamos la densidad de la niebla.

 

[Gif 2: aumento de la densidad de la niebla]

 

[Imagen 27: Algo brillante brillando a través de la niebla, la luz estará muy dispersa alrededor de la fuente de luz]

 

 

Cuando hay partículas grandes en el aire, afectarán la visibilidad. Los bordes de los objetos lejanos aparecerán borrosos en el entorno. Los objetos desaparecerán a una distancia más cercana de lo que lo harían en un día despejado. La luz se dispersará alrededor, creando una iluminación uniforme. Las partículas transparentes, como el agua, en el aire no absorberán mucha luz, pero los sólidos, como las partículas de humo, absorberán la luz y harán que haya menos luz disponible en la escena.

¡Espero que ahora puedas pensar más sobre la luz en diferentes condiciones climáticas!

Todo fue dibujado y animado en Clip Studio Paint.