私たちは世界をグレースケールで見るのではなく、カラーで見ています。物事がどのように見えるか、そしてその外観をどのように解釈するかは、物理学と生物学からの多くのコンテキストを必要とする複雑なメカニズムです。光の色についてはあまり説明しません。チュートリアルが長すぎて締め切りに間に合わないからです (私はカザフ人なので、とにかく間に合いませんでした :()。主な目標このチュートリアルの目的は、光がどのように移動し、さまざまな気象条件の下でシーンにどのように影響するかを調べることです.光の一般的な特性のみを強調するため、主に光の移動の例をグレースケールで示します.

光

ビジョンを持つためには、光が必要です。私たちが知覚する画像は、目に入って網膜に当たる光線を視覚系が処理する方法です。図 1 は、数本の光線がどのように私たちの目を通過し、その結果、花のイメージが知覚されるかを示しています。もちろん、光線は花から出ているわけではありません。むしろ、それらは何らかの光源から来ているに違いありません。真っ暗でないシーンには、太陽、ランプ、今読んでいるディスプレイなど、光源がなければなりません。

 

[図 1. 花を見る (A.) 花に反射した光 (B.) 目に入る (C.)。

写真 2. ランプと幾何学的オブジェクトのセットアップ]

 

 

 

次のシーンを考えてみましょう: 部屋にいくつかのオブジェクトがあり、ランプが唯一の光源です。これは図 2 に示されています。

 

私たちが見ることができるすべてのものは、ランプによって照らされます。下の写真3では、ランプに正対する部分だけを照らしています。この図には、重要な物理コンポーネントが欠けています。光は当たるすべての表面で反射され、シーン内のオブジェクトが少し明るくなります。下の図 4 に示されているように、光は表面の特性に応じて反射量と散乱角度で多少ランダムに反射されます。

 

【写真3.光が届く範囲だけライトアップしたセットアップ。

写真 4. 現在のセットアップでは、光が複雑に跳ね返ります。]

 

 

残念ながら、シーン全体で光がどの程度正確に反射されるかを計算するのは複雑な作業です。ランプは多くのフォトンを放出し、その軌道はシーン内のオブジェクトの多くの特定のプロパティに依存します。このため、レンダリング ソフトウェアがライトを適切にレンダリングするには長い時間がかかります。

 

[写真 5. 光がどのように跳ね返るかを単純化しすぎた方法。

図 6. 表面からの反射光を考慮して影を再描画するために過度に単純化された知覚を使用する]

 

 

この複雑なプロセスを単純化して、私たちの頭が理解できるようにしましょう。より大きく、より明るく、より反射性の高い表面は、周囲により多くの光をもたらし、光源自体として機能します。この例では、途方もなく反射する白いオブジェクトを描いたので、それらはすべて光を均等に反射します。ただし、面積の大きい明るいスポットは、小さいスポットよりも周囲に大きな影響を与えます。写真5のように、左側の壁は面が大きく、ランプからの直射光を多く受けます。そこから反射した光は、立方体と球体の暗い部分、およびこれらのオブジェクトによって投じられた床の影に跳ね返ります。一般に、複雑なシーンで光を描画しようとするときは、次の質問について考えることができます。

 

※光源はどこ？

*光源が直接照らすのはどの表面ですか?

*これらの表面はどのように光を反射しますか?

※この反射光はどこに届くのでしょうか？

 

そんな風に簡単に考えた結果、写真6になりました。 現実世界は画面の解像度や画面の大きさに制限されないので、光の方向を計算するのにどれだけの時間を費やすことができるかということにおそらく制限はありません。ブラシ。

 

次に、図 7 に示すように、左右の壁をオブジェクトに近づけてみましょう。これにより、光が壁から遠くまで移動する必要がないため、球体と立方体の暗い側面に到達する光が増えます。また、図 8 と比較すると、キャスト シャドウに到達する光が少なくなります。これは、オブジェクトが左の壁に近くなり、右の壁または床からの光がその影に跳ね返る余地が少なくなるためです。

[写真 7: 左右の壁をオブジェクトに近づけました。

図8: 図7と比較するために、図6と同じ。]

 

 

 

私たちが目にするものはすべて、真っ暗以外は明るいです。観察するすべての黒くないオブジェクトは光を反射し、この光が目に届き、基本的にオブジェクトを明るくし、周囲に何らかの影響を与えます.では、この原理をさまざまな気象条件の光に適用する方法を見てみましょう。

 

晴れた日

晴れた日には、雲がなく、主な光源である明るい太陽 (1.) があります。晴れた日の正午にオープン スペースでボール (2.) を持っている状況を考えてみましょう。太陽はシーンを非常に強く照らします。

【写真9：晴れた日の設営。

写真 10: 四方八方を照らす太陽]

 

 

私は非常に、非常に強く意味します。肌で太陽を感じることができ、それがどれだけのエネルギーを放出し、どれだけ私たちの世界を暖かくしているかを感じることができます.時々、おそらく少し不快なほど暖かいです。

 

このような直接光は、ボールのかなりシャープな影 (3.) を作成します。ただし、前に見たシーンのようにボールの後ろに光が跳ね返る原因が何もない場合でも、影は屋外で完全に真っ暗になるわけではありません。

【画像11】太陽が強く照りつけて悲鳴を上げる。

写真 12: 日光が影を作る]

 

 

私たちに到達する前に、太陽光はかなりの距離を宇宙と大気を通過します。大気中では散乱が起こり、主に暖色系の光が直接私たちに届きます。寒色の光は、空気によって散乱される可能性が高くなります (この散乱はレイリー散乱と呼ばれます)。その結果、空は青く、とても明るいです。空から放射される光は非常に均一で、日当たりの良い屋外環境で影を軽く照らします。

[写真 13: 宇宙を通って大気に入る太陽光 (4.)。光が大気中の多くの空気分子を通過するとき、冷たい光は散乱する可能性があります (Rayeigh 散乱) (5.) 一方で、暖かい光はほとんど散乱せず、より直接的な経路で地面に到達します (6.)。

Picture 14: 大気中を長距離移動した後、多くの冷たい光が散乱し、最終的に均一に地面に到達し (7.)、空色の光で地面を照らします。このクールな光の一部がボールの影を照らします。]

 

 

晴れた日には、私たちが観察している物体の表面に強い太陽光が反射します。これにより、反射する光が多くなるため、シーンが非常に明るくなります。写真15は一例です。ここでは、晴れた日の屋外のオープン スペースに、軽くてマットな質感のボールがあります。ご覧のとおり、空からの光で照らされているため、多くの光があり、影は真っ暗ではありません。ボールの地面に近づくと、地面からの光の一部がそこにも到達するため、光スポットを観察できます。写真 16 では、ボールの後ろに壁を追加しました。これで、日光が壁に反射し、キャスト シャドウとボールの背面が明るくなります。

[写真 15: 晴れた日のオープン スペースでライト マット ボール。

Picture 16: 同じボールだが背後に壁がある]

 

 

シーンにさらにオブジェクトを導入し、太陽がそれらをどのように照らすかを観察しましょう。画像 17 には、前の例と同じ暗いつや消しのボールと、光沢のあるボールがあります。暗いボールは多くの光を吸収しますが、すべてではありません。地面からの光はまだいくらか反射しますが、暗いボールは中央のボールよりも多くの光を吸収するため、中央のボールよりも反射しません。光沢のあるボールは、太陽からの直接光を反射するように配置されていると想定しました。その結果、反射の白いスポットの周りにハローが生じます。これは、非常に明るいものを見つめたときに発生する、目の光の分散と散乱によって引き起こされます。

 

[写真 17: オープン スペースの晴れた日に、色と素材の比率が異なるボール。

Picture 18: 同じボールだが背後に壁がある]

 

 

つまり、晴れた日には、まず太陽から、次に空自体から、最後に光を反射してシーンの見え方に影響を与える近くのすべてのオブジェクトから、たくさんの光があるということです。

 

曇りの日

曇っているときは、太陽の光が私たちに届く前に、雲を通り抜けます。雲は、多数の散乱 (ミー散乱) を引き起こすのに十分な大きさの多数の小さな水滴で構成されています。この散乱により、一部の太陽光は反射して宇宙に戻り、一部は雲の奥深くに入ります。雲の中を移動するにつれて、より多くの散乱が発生するため、途中でかなり均一な光が得られます.これにより、基本的に雲が曇りの日の主な光源になり、非常に曇っている場合は灰色がかって見えます。

 

[写真 19: 太陽からの光は、雲の水滴 (7.) によって散乱されます。その結果、雲から放出される光は均一になります。

Picture 20: 太陽は多くの光を放ち、雲から出てくる均一な光は弱くなります。 ]

 

 

画像 21 に示すように、ボールを使用した前の設定を考えてみましょう。エッジが非常にはっきりしていて、環境内の光が均一で弱いことがわかります。各ボールの下には、光がほとんど届かないため、暗い影があります。写真 22 のように後ろに壁を追加しても、光の見え方はそれほど変わりませんが、ボールの影とその壁に面するボールの側面がわずかに明るくなります。

【画像21】曇りの日の同じ3球

Picture 22: 同じ 3 つのボールの後ろに壁がある]

 

 

曇りの日の光は、直射日光よりもはるかに弱いです。地面にあるものは光沢がなくなり、影が柔らかくなり、地面にあるものはより均一に照らされているように見えます。感覚は画像情報をより明確に読み取ることができるため、オブジェクトのエッジは依然としてシャープに見えます。

【Gif1：晴れと曇りの比較】

 

霧/煙の日

ここまでは、視聴者とシーン内のオブジェクトとの間の媒体が単なる空気である場合についてのみ説明してきました。空気は大気中で光の散乱を引き起こしますが、そのような散乱の影響を確認できるのは非常に長い距離だけです。そのため、地平線に近いオブジェクトなど、非常に遠いオブジェクトは青みがかって見える場合があります。それはかなり遠いです。しかし、霧、煙、または汚染を構成する粒子のように、空気中に大きな (ただし非常に小さい) 粒子があると、可視性が変化します。このような状況では、水平線がまったく見えない可能性があります。空気中のこのような大きな粒子は、その色に関係なく非常に均一に光を散乱させ、周囲に均一な光を与えます.

 

図 23 に示すように、空気中にこのような大きな粒子があると、物体からの光が散乱される可能性が高くなります。光がそのような粒子の多くの層を通過する必要がある場合、ほとんどの光は散乱されます。オブジェクトから離れれば離れるほど、そこから観測される光は少なくなります。

 

図 24 に、これを示します。霧は光を均一に散乱させ、光を吸収しないため、白い背景になります。そのため、背景の霧の明るさは、領域内の光の量によって異なります。この写真では、曇りの日の光だけを考えているので、光が少なく、霧が均一に照らされています。ご覧のとおり、遠くのボールからの光は大きく散乱し、そのボールのエッジはぼやけています。一方、より近いボールは、ますます明確なエッジを持っています。

 

[画像23：曇りの日、霧(8.)。観察者からさまざまな距離にある 3 つのボールを観察します。赤い球からの光はかろうじて目に届きます。

写真 24: 写真 21 と同じ 3 つのボール、霧の天候下で。]

 

 

霧と比較すると、煙は光を吸収するため、周囲の光が全体的に少なくなります。より濃い煙は、あなたが見るものをより暗くします。光がまったく見えないほど密度が高い場合もあります。

 

【画像25】スモーキー天気の同3球

Picture 26: 比較のため、霧の中の同じ 3 つのボール]

 

 

視界がどのように影響を受けるかは、物体が目からどれだけ離れているかにかかっています。オブジェクトが目から遠ざかるほど、目に到達する前に通過する必要のある霧が多くなります。これは、フォグの密度を上げているため、Gif 2 に示されています。

 

[Gif 2: 霧の密度が高くなる]

 

[写真 27: 霧の中で何か明るいものが輝いている。光源の周りに光が激しく散らばっている]

 

 

空気中に大きな粒子があると、視界に影響を与えます。遠くのオブジェクトのエッジは、環境にぼやけて表示されます。オブジェクトは、晴れた日よりも近い距離で消えます。光が散乱し、均一な照明になります。空気中の水のような透明な粒子はあまり光を吸収しませんが、煙の粒子などの固体は光を吸収し、シーンで利用できる光が少なくなります。

さまざまな気象条件での光についてもっと考えていただければ幸いです。

すべてCLIP STUDIO PAINTで描いてアニメーションさせました。