Nous ne voyons pas le monde en nuances de gris, mais en couleurs. La façon dont les choses apparaissent et la façon dont nous interprétons leurs apparences est un mécanisme complexe qui nécessite beaucoup de contexte en physique et en biologie. Je ne parlerai pas beaucoup de la couleur de la lumière, car ce serait un tutoriel trop long et je ne serais pas en mesure de respecter la date limite (ce que je n'ai de toute façon pas fait :(, car je suis kazakh). L'objectif principal de ce tutoriel est d'étudier comment la lumière se propage et comment elle impacte la scène sous différentes conditions météorologiques. J'aurai principalement des exemples de propagation de la lumière en nuances de gris, puisque nous n'insisterons que sur les propriétés générales de la lumière.

Lumière

Pour avoir la vision, nous avons besoin de lumière. Les images que nous percevons sont la façon dont notre système visuel traite les rayons lumineux qui entrent dans nos yeux et frappent nos rétines. L'image 1 montre comment quelques rayons lumineux peuvent traverser nos yeux, ce qui entraîne l'image perçue d'une fleur. Bien sûr, les rayons lumineux ne proviennent pas de la fleur. Ils doivent plutôt provenir d'une source de lumière. Dans toute scène qui n'est pas d'un noir absolu, il doit y avoir une source de lumière, que ce soit le soleil, une lampe ou l'écran que vous lisez actuellement.

 

[Image 1. regarder une fleur (A.) la lumière s'en reflétant (B.) entre dans nos yeux (C.).

Image 2. installation avec lampe et objets géométriques]

 

 

 

Considérons la scène suivante : une pièce contenant quelques objets, avec une lampe comme unique source de lumière. Ceci est montré dans l'Image 2.

 

Tout ce que nous pouvons voir sera éclairé par la lampe. Dans l'Image 3 ci-dessous, nous n'éclairons que les parties qui font directement face à la lampe. Cette image manque d'une composante physique importante. La lumière sera réfléchie par toutes les surfaces qu'elle frappe, rendant les objets de la scène un peu lumineux. Comme illustré dans l'Image 4 ci-dessous, la lumière sera réfléchie de manière quelque peu aléatoire, la quantité de réflexion et les angles de diffusion dépendant des propriétés des surfaces.

 

[Image 3. L'installation n'est éclairée que dans les zones où la lumière peut atteindre.

Image 4. Dans l'installation actuelle, la lumière rebondira de manière compliquée.]

 

 

Malheureusement, calculer exactement comment la lumière sera réfléchie dans toute une scène est une tâche compliquée. Une lampe envoie de nombreux photons, et leurs trajectoires dépendront de nombreuses propriétés spécifiques des objets de la scène. Les logiciels de rendu prennent beaucoup de temps pour bien rendre la lumière pour cette raison.

 

[Image 5. Manière trop simplifiée d'observer comment la lumière rebondit.

Image 6. Utiliser une perception trop simplifiée pour redessiner les ombres afin de tenir compte de la lumière réfléchie par les surfaces]

 

 

Simplifions à l'extrême ce processus compliqué pour que nos esprits puissent le comprendre. Les surfaces plus grandes, plus brillantes ou plus réfléchissantes contribuent davantage de lumière à leur environnement, agissant en quelque sorte comme des sources de lumière elles-mêmes. Dans notre exemple, nous avons dessiné des objets blancs ridiculement réfléchissants, de sorte qu'ils réfléchissent tous la lumière de manière égale. Cependant, les taches lumineuses de plus grande surface auront plus d'impact sur leur environnement que les taches plus petites. Comme le montre l'Image 5, le mur de gauche a une grande surface et reçoit beaucoup de lumière directe de la lampe. La lumière qui s'en réfléchit rebondira sur les parties sombres des cubes et de la sphère, ainsi que dans les ombres portées sur le sol par ces objets. En général, vous pouvez réfléchir aux questions suivantes lorsque vous essayez de dessiner la lumière dans une scène complexe :

 

*Où est la source de lumière ?

*Quelles surfaces la source de lumière illumine-t-elle directement ?

*Comment ces surfaces réfléchissent-elles la lumière ?

*Où cette lumière réfléchie atteindra-t-elle ?

 

Après une brève réflexion de ce type, j'ai obtenu l'Image 6. Il n'y a probablement pas de limite au temps que l'on pourrait passer à calculer les directions de la lumière, car le monde réel n'est pas limité par la résolution de nos écrans ou la taille de nos pinceaux.

 

Maintenant, rapprochons les murs droit et gauche des objets, comme le montre l'Image 7. Cela entraînera plus de lumière sur les côtés sombres de la sphère et des cubes, car la lumière n'aura pas à parcourir autant de distance depuis les murs. De plus, moins de lumière atteindra les ombres portées, par rapport à l'Image 8, car les objets sont maintenant plus proches du mur de gauche et il y a moins d'espace pour que la lumière du mur de droite ou du sol rebondisse dans cette ombre.

[Image 7 : Murs gauche et droit rapprochés des objets.

Image 8 : Identique à l'image 6 pour comparer avec l'image 7.]

 

 

 

Tout ce que nous voyons est lumière, sauf le noir absolu. Chaque objet non noir que vous observez réfléchit la lumière, et cette lumière atteint vos yeux, rendant fondamentalement l'objet lumineux et ayant un certain impact sur l'environnement. Voyons maintenant comment nous pouvons appliquer ce principe à la lumière dans différentes conditions météorologiques.

 

Jour ensoleillé

Par une journée ensoleillée, nous n'aurons pas de nuages et un soleil éclatant (1.), qui est la principale source de lumière. Considérons une situation où nous avons une balle (2.) dans un espace ouvert par une journée ensoleillée à midi. Le soleil éclairera la scène très fortement.

[Image 9 : Configuration d'une journée ensoleillée.

Image 10 : Soleil brillant dans toutes les directions]

 

 

Je veux dire très, très fortement. Vous pouvez sentir le soleil sur votre peau, vous pouvez sentir l'énergie qu'il émet et à quel point il rend notre monde plus chaud. Parfois, probablement un peu inconfortablement chaud.

 

Une telle lumière directe créera une ombre assez nette (3.) de la balle. Il s'avère cependant que l'ombre ne sera pas d'un noir absolu à l'extérieur, même s'il n'y a rien derrière une balle qui provoquerait un rebond de la lumière comme dans la scène que nous avons vue auparavant.

[Image 11 : Le soleil brille et crie fortement.

Image 12 : La lumière du soleil crée une ombre portée]

 

 

Avant de nous atteindre, la lumière du soleil parcourt une certaine distance à travers l'espace et notre atmosphère. Dans l'atmosphère, la diffusion se produit, et la lumière de couleur chaude nous parvient directement. La lumière de couleur froide est plus susceptible d'être diffusée par l'air (cette diffusion est appelée diffusion de Rayleigh). En conséquence, le ciel est bleu et très lumineux. La lumière émise par le ciel est assez uniforme et éclairera légèrement les ombres dans un environnement extérieur ensoleillé.

[Image 13 : La lumière du soleil voyage à travers l'espace jusqu'à l'atmosphère (4.). Lorsque la lumière traverse de nombreuses molécules d'air dans l'atmosphère, la lumière froide a la possibilité de se disperser (diffusion de Rayleigh) (5.), tandis que la lumière chaude se disperse à peine et atteint le sol (6.) par un chemin plus direct.

Image 14 : Après avoir parcouru une longue distance à travers l'atmosphère, beaucoup de lumière froide se sera dispersée et aura finalement atteint le sol uniformément (7.), éclairant le sol avec une lumière bleu ciel. Une partie de cette lumière froide éclairera l'ombre de la balle.]

 

 

Par une journée ensoleillée, la forte lumière du soleil sera réfléchie par les surfaces des objets que nous observons. Cela rendra une scène très lumineuse, car il y a beaucoup de lumière à réfléchir. L'image 15 en est un exemple. Ici, nous avons une balle claire, de texture mate, en extérieur dans un espace ouvert par une journée ensoleillée. Comme nous pouvons le voir, il y a beaucoup de lumière et les ombres ne sont pas d'un noir absolu, car il y a de la lumière du ciel pour les éclairer. Plus près du sol sur la balle, vous pouvez observer une tache lumineuse, car une partie de la lumière du sol peut également y parvenir. Dans l'image 16, nous avons ajouté un mur derrière la balle. Maintenant, une partie de la lumière du soleil rebondira sur le mur et éclairera l'ombre portée et l'arrière de la balle.

[Image 15 : Balle mate claire par une journée ensoleillée en espace ouvert.

Image 16 : Même balle mais avec un mur derrière.]

 

 

Introduisons plus d'objets dans notre scène et observons comment le soleil les éclairera. Dans l'image 17, nous avons une balle mate foncée, la même balle que dans l'exemple précédent, et une balle brillante. La balle foncée absorbe beaucoup de lumière mais pas la totalité. Elle réfléchit toujours une partie de la lumière du sol, mais moins que la balle du milieu, car la balle foncée absorbe plus de lumière que la balle du milieu. J'ai supposé que la balle brillante est située de telle manière qu'elle réfléchit la lumière directe du soleil, ce qui entraîne un halo autour d'une tache de réflexion blanche. Ceci est causé par la dispersion et la diffusion de la lumière dans votre œil, ce qui se produit si vous fixez quelque chose de très lumineux.

 

[Image 17 : Balles de différentes couleurs et proportions de matériaux par une journée ensoleillée en espace ouvert.

Image 18 : Même balles mais avec un mur derrière.]

 

 

En résumé, par une journée ensoleillée, il y a beaucoup de lumière, d'abord du soleil, ensuite du ciel lui-même, et enfin de tous les objets proches qui réfléchissent la lumière et influencent l'apparence de la scène.

 

Journée nuageuse

Lorsqu'il fait nuageux, avant que la lumière du soleil ne puisse nous atteindre, elle traverse un nuage. Les nuages sont constitués de nombreuses minuscules gouttelettes d'eau suffisamment grandes pour provoquer une forte diffusion (diffusion de Mie). Grâce à cette diffusion, une partie de la lumière du soleil sera réfléchie vers l'espace et une autre partie s'enfoncera plus profondément dans le nuage. Au fur et à mesure qu'elle traverse le nuage, davantage de diffusion se produit, de sorte qu'en sortant, vous obtiendrez une lumière assez uniforme. Cela fait des nuages la principale source de lumière par temps nuageux, et lorsqu'il fait très nuageux, ils apparaîtront grisâtres.

 

[Image 19 : La lumière du soleil est diffusée par les gouttelettes d'eau (7.) d'un nuage. En conséquence, la lumière émise par les nuages est uniforme.

Image 20 : Le soleil émet beaucoup de lumière, et la lumière uniforme provenant des nuages sera plus faible.]

 

 

Considérons l'installation précédente avec des balles, comme le montre l'image 21. Nous pouvons voir que les bords sont très distincts et que la lumière dans l'environnement est uniforme et faible. Sous chaque balle, nous avons une ombre sombre, car la lumière y atteint à peine. L'ajout d'un mur derrière, comme dans l'image 22, ne change pas beaucoup l'apparence de la lumière, mais il éclaircit légèrement les ombres des balles et les côtés des balles qui font face à ce mur.

[Image 21 : les trois mêmes balles par une journée nuageuse

Image 22 : les trois mêmes balles mais avec un mur derrière elles]

 

 

La lumière par temps nuageux est beaucoup plus faible que la lumière directe du soleil. Les choses au sol ne seront pas aussi brillantes, les ombres seront plus douces et les choses au sol apparaîtront comme si elles étaient éclairées de manière plus uniforme. Les bords des objets apparaîtront toujours nets, car vos sens peuvent lire les informations de l'image plus clairement.

[Gif 1 : comparaison jour ensoleillé et nuageux]

 

Jour brumeux/fumeux

Jusqu'à présent, nous n'avons parlé que du cas où le milieu entre le spectateur et les objets de la scène n'est que de l'air. L'air provoque une diffusion de la lumière dans l'atmosphère, mais ce n'est qu'à très longue distance que l'on peut voir l'impact d'une telle diffusion. Ainsi, les objets très éloignés, comme ceux proches de l'horizon, peuvent apparaître bleuâtres. C'est assez loin. Mais lorsque nous avons des particules plus grandes (mais toujours très petites) dans l'air, comme les particules qui composent le brouillard, la fumée ou la pollution, la visibilité change. Vous ne verrez probablement pas l'horizon du tout dans de telles conditions. Ces particules plus grosses dans l'air diffusent la lumière très uniformément, indifféremment de sa couleur, ce qui entraîne une lumière uniforme fournie à l'environnement.

 

Comme le montre l'Image 23, lorsque nous avons de si grosses particules dans l'air, la probabilité que la lumière d'un objet soit diffusée par celles-ci est plus élevée. Si la lumière doit traverser de nombreuses couches de telles particules, la majeure partie de la lumière sera diffusée. Plus vous êtes loin d'un objet, moins vous observerez de lumière de celui-ci.

 

Dans l'image 24, nous en voyons une représentation. Le brouillard créera un fond blanc, car il diffuse la lumière uniformément et n'absorbe aucune lumière. Ainsi, la luminosité du brouillard en arrière-plan dépendra de la quantité de lumière présente dans la zone. Dans cette image, nous ne considérons la lumière que par temps nuageux, il n'y a donc pas beaucoup de lumière et le brouillard est éclairé uniformément. Comme vous pouvez le voir, la lumière de la balle éloignée est fortement diffusée et cette balle a des bords flous. Pendant ce temps, les balles plus proches ont des bords de plus en plus distincts.

 

[Image 23 : Jour nuageux, Brouillard (8.). Observation de 3 balles à différentes distances de l'observateur. La lumière de la balle rouge atteint à peine l'œil.

Image 24 : les trois mêmes balles que sur l'image 21, par temps brumeux.]

 

 

Comparée au brouillard, la fumée absorbe la lumière, ce qui entraîne globalement moins de lumière dans l'environnement. Une fumée plus dense rendra ce que vous voyez plus sombre. Elle pourrait même être suffisamment dense pour que vous ne voyiez aucune lumière du tout.

 

[Image 25 : les 3 mêmes balles par temps fumeux

Image 26 : les 3 mêmes balles dans le brouillard, pour comparaison]

 

 

La façon dont votre visibilité est impactée dépend de la distance des objets par rapport à vos yeux. Plus l'objet est éloigné de vos yeux, plus il doit traverser de brouillard avant de pouvoir atteindre vos yeux. Ceci est montré dans le Gif 2, à mesure que nous augmentons la densité du brouillard.

 

[Gif 2 : augmentation de la densité du brouillard ]

 

[Image 27 : Quelque chose de lumineux brillant à travers le brouillard, la lumière sera fortement diffusée autour de la source lumineuse]

 

 

Lorsqu'il y a de grosses particules dans l'air, elles auront un impact sur la visibilité. Les bords des objets éloignés apparaîtront flous dans l'environnement. Les objets disparaîtront à une distance plus proche qu'ils ne le feraient par temps clair. La lumière sera diffusée, créant un éclairage uniforme. Les particules transparentes, comme l'eau, dans l'air n'absorberont pas beaucoup de lumière, mais les solides, comme les particules de fumée, absorberont la lumière et entraîneront moins de lumière disponible dans la scène.

J'espère que vous pouvez maintenant réfléchir davantage à la lumière dans différentes conditions météorologiques !

Tout a été dessiné et animé dans Clip Studio Paint.