Nous ne voyons pas le monde en niveaux de gris, mais nous voyons le monde en couleur. L'apparence des choses et la façon dont nous interprétons leurs apparences est un mécanisme complexe qui nécessite beaucoup de contexte de la physique et de la biologie. Je ne parlerai pas beaucoup de la couleur de la lumière, car ce serait trop long d'un tuto et je ne pourrai pas respecter le délai (je n'ai pas respecté de toute façon :(, car je suis kazakh). de ce tutoriel est d'étudier comment la lumière voyage et comment elle impacte la scène dans différentes conditions météorologiques. J'aurai principalement des exemples de voyage de la lumière en échelle de gris, puisque nous ne soulignerons que les propriétés générales de la lumière.

Lumière

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

 

[Image 1. regardant une fleur (A.) la lumière réfléchie par celle-ci (B.) entre dans nos yeux (C.).

Image 2. mise en place avec lampe et objets géométriques]

 

 

 

Considérons la scène suivante : une pièce contenant quelques objets, avec une lampe comme seule 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. Il manque à cette image un élément physique important. La lumière sera réfléchie sur toutes les surfaces qu'elle touche, 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 la configuration actuelle, la lumière rebondira de manière compliquée.]

 

 

Malheureusement, calculer la manière exacte dont 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 simplifiée de voir comment la lumière rebondit.

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

 

 

Simplifions à l'excès ce processus compliqué afin que nos esprits puissent le comprendre. Des surfaces plus grandes, plus lumineuses ou plus réfléchissantes apportent plus de lumière à leur environnement, agissant en quelque sorte comme des sources lumineuses elles-mêmes. Dans notre exemple, nous avons dessiné des objets blancs ridiculement réfléchissants, de sorte qu'ils réfléchissent tous la lumière de la même manière. Cependant, les points lumineux de plus grande surface auront plus d'impact sur leur environnement que les points plus petits. 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 réfléchie par celui-ci rebondira sur les parties sombres des cubes et de la sphère, ainsi que sur les ombres au sol projetées par ces objets. En général, vous pouvez vous poser les questions suivantes lorsque vous essayez d'éclairer une scène complexe :

 

*Où est la source de lumière ?

*Quelles surfaces la source lumineuse éclaire-t-elle directement ?

*Comment ces surfaces réfléchissent-elles la lumière ?

*Où cette lumière réfléchie atteindra-t-elle ?

 

Après avoir brièvement réfléchi comme ça, j'ai obtenu l'image 6. Il n'y a probablement pas de limite au temps que l'on peut consacrer à calculer les directions de la lumière, car le monde réel n'est pas limité par les résolutions de nos écrans ou la taille de nos brosses.

 

Maintenant, rapprochons les murs droit et gauche des objets, comme le montre l'image 7. Cela se traduira par une plus grande quantité de lumière sur les côtés sombres de la sphère et des cubes puisque la lumière n'a pas à voyager aussi loin des 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 gauche et il y a moins de place pour que la lumière du mur droit ou du sol rebondisse dans cette ombre.

[Image 7 : Rapprochement des murs gauche et droit des objets.

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

 

 

 

Tout ce que nous voyons est clair à l'exception du noir absolu. Chaque objet non noir que vous observez reflète la lumière, et cette lumière atteint vos yeux, rendant 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.

 

Journée ensoleillée

Par une journée ensoleillée, nous n'aurons pas de nuages et un soleil brillant (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 très fortement la scène.

[Photo 9 : Mise en place 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 la quantité d'énergie qu'il émet et à quel point il réchauffe notre monde. 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 absolument noire à l'extérieur, même s'il n'y a rien derrière une balle qui fera rebondir la lumière comme dans la scène que nous avons regardée auparavant.

[Photo 11 : le soleil brille fortement et hurle.

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

 

 

Avant de nous parvenir, la lumière du soleil parcourt une assez longue distance dans l'espace et dans notre atmosphère. Dans l'atmosphère, la diffusion se produit et la plupart du temps, la lumière de couleur chaude nous atteindra directement. La lumière colorée froide sera plus susceptible d'être diffusée par l'air (cette diffusion est appelée diffusion Rayleigh). Résultat, 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 voyageant à travers l'espace dans l'atmosphère (4.). Comme la lumière traverse de nombreuses molécules d'air dans l'atmosphère, la lumière froide a une chance de se diffuser (diffusion Rayeigh) (5.), tandis que la lumière chaude se disperse à peine et atteint le sol (6.) dans un chemin plus direct.

Image 14 : Après avoir parcouru une longue distance dans l'atmosphère, une grande quantité de lumière froide se sera dispersée et finira par atteindre le sol uniformément (7.), éclairant le sol d'une lumière bleu ciel. Une partie de cette lumière froide éclairera l'ombre de la balle.]

 

 

Par une journée ensoleillée, une forte lumière du soleil sera réfléchie sur les surfaces des objets que nous observons. Cela rendra la scène très lumineuse, car il y a beaucoup de lumière à réfléchir. L'image 15 est un exemple. Ici, nous avons une boule texturée légère et mate à l'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 noires, car il y a de la lumière du ciel pour les éclairer. Plus près du sol sur la balle, vous pouvez observer un point lumineux, car une partie de la lumière du sol peut également l'atteindre. Dans l'image 16, nous avons ajouté un mur derrière la balle. Maintenant, un peu de lumière du soleil rebondira sur le mur et éclairera l'ombre portée et le dos de la balle.

[Image 15 : Boule mate légère par une journée ensoleillée dans un espace ouvert.

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

 

 

Introduisons plus d'objets dans notre scène et observons comment le soleil les éclairera. Sur l'image 17, nous avons une boule mate foncée, la même boule que dans l'exemple précédent, et une boule brillante. La boule noire absorbe beaucoup de lumière mais pas la totalité. Il réfléchit toujours un peu de lumière du sol, mais moins que la boule au milieu, car la boule sombre absorbe plus de lumière que la boule du milieu. J'ai supposé que la boule brillante était située de telle manière qu'elle réfléchissait la lumière directe du soleil, ce qui produisait un halo autour d'une tache blanche de réflexion. Cela est dû à la dispersion et à la diffusion de la lumière dans votre œil, ce qui se produit si vous fixez quelque chose de vraiment brillant.

 

[Photo 17 : Balles de différentes couleurs et proportions de matériaux par une journée ensoleillée dans un espace ouvert.

Photo 18 : Mêmes boules mais avec un mur derrière.]

 

 

Donc, le point à retenir est que par une journée ensoleillée, il y a beaucoup de lumière, tout d'abord du soleil, ensuite du ciel lui-même, et enfin de tous les objets à proximité qui réfléchissent la lumière et ont un impact sur l'apparence de la scène.

 

Temps nuageux

Lorsqu'il fait nuageux, avant que la lumière du soleil puisse nous atteindre, elle traverse un nuage. Les nuages sont constitués de nombreuses minuscules gouttelettes d'eau suffisamment grosses pour causer beaucoup de diffusion (diffusion de Mie). En raison de cette diffusion, une partie de la lumière du soleil sera réfléchie dans l'espace et une partie pénétrera plus profondément dans le nuage. Au fur et à mesure qu'il se déplace à travers le nuage, plus de diffusion se produit, donc à la sortie, vous obtiendrez une lumière assez uniforme. Cela fait essentiellement des nuages la principale source de lumière par temps nuageux, et quand il fait très nuageux, ils apparaîtront grisâtres.

 

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

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

 

 

Considérez la configuration 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 boule, nous avons une ombre sombre, car la lumière y parvient à peine. L'ajout d'un mur derrière, comme sur l'image 22, ne change pas tellement l'apparence de la lumière, mais éclaircit légèrement les ombres des balles et les côtés des balles qui font face à ce mur.

[Photo 21 : trois mêmes balles par temps nuageux

Photo 22 : les mêmes trois boules mais avec un mur derrière elles]

 

 

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

[Gif 1 : comparant journée ensoleillée et nuageuse]

 

Journée brumeuse/fumée

Jusqu'à présent, nous n'avons parlé que du moment où le support entre le spectateur et les objets de la scène n'est que de l'air. L'air provoque la diffusion de la lumière dans l'atmosphère, mais ce n'est qu'à une très longue distance que vous pouvez voir l'impact d'une telle diffusion. Ainsi, les objets très éloignés, comme ceux proches de l'horizon, peuvent apparaître bleutés. C'est assez loin. Mais lorsque nous avons des particules plus grosses (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 d'horizon du tout dans de telles conditions. De telles particules plus grosses dans l'air diffusent la lumière de manière très uniforme, indifférente à sa couleur, ce qui donne une lumière uniforme 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 celui-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 vous éloignez d'un objet, moins vous en observerez la lumière.

 

Sur 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 dans la zone. Sur 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 de manière uniforme. Comme vous pouvez le voir, la lumière de la boule éloignée est fortement dispersée et cette boule a des bords flous. Pendant ce temps, les balles plus proches ont des bords de plus en plus distincts.

 

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

Photo 24 : mêmes trois balles que sur la photo 21, par temps de brouillard.]

 

 

Par rapport au brouillard, la fumée absorbe la lumière, ce qui entraîne globalement moins de lumière dans les environs. Une fumée plus dense rendra ce que vous voyez plus sombre. Il pourrait même être suffisamment dense pour que vous ne voyiez aucune lumière.

 

[Photo 25 : 3 mêmes balles par temps enfumé

Photo 26 : 3 mêmes balles dans le brouillard, à titre de comparaison]

 

 

La façon dont votre visibilité est affectée dépend de la distance qui sépare les objets de vos yeux. Plus l'objet est éloigné de vos yeux, plus il doit traverser de brouillard avant d'atteindre vos yeux. Ceci est montré dans Gif 2, alors que nous augmentons la densité du brouillard.

 

[Gif 2 : augmentation de la densité du brouillard ]

 

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

 

 

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 dispersée, 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 rendront moins de lumière disponible dans la scène.

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

Tout a été dessiné et animé dans Clip Studio Paint.