我們看的不是灰度的世界，而是彩色的世界。事物的樣子以及我們如何解釋它們的外觀是一個複雜的機制，需要大量來自物理學和生物學的背景知識。光的顏色我就不多說了，因為教程太長了我也趕不上deadline（反正我沒趕上:(，因為我是哈薩克人）。主要目標本教程的主要內容是研究光是如何傳播的，以及它在不同天氣條件下對場景的影響。我將主要以灰度光傳播的例子為例，因為我們只會強調光的一般屬性。

光

為了有遠見，我們需要有光。我們感知的圖像是我們的視覺系統處理進入我們眼睛並撞擊我們視網膜的光線的方式。圖 1 顯示了幾束光線如何穿過我們的眼睛，從而產生花朵的感知圖像。當然，光線並非起源於花朵。相反，它們必須來自某種光源。在任何不是漆黑的場景中，都必須有光源，無論是太陽、燈還是您現在正在閱讀的顯示器。

 

[圖 1. 看著一朵花 (A.) 反射出來的光 (B.) 進入我們的眼睛 (C.)。

圖 2. 用燈和幾何對象設置]

 

 

 

讓我們考慮以下場景：一個包含一些物體的房間，一盞燈作為唯一的光源。如圖 2 所示。

 

我們能看到的一切都會被燈照亮。在下面的圖 3 中，我們只點亮了直接面對燈的部分。這張圖片缺少一個重要的物理組件。光線會從它擊中的所有表面反射，使場景中的物體有點發光。如下圖 4 所示，光線會隨機反射，反射量和散射角度取決於表面的屬性。

 

[圖3。設置僅在光線可以到達的區域點亮。

圖 4. 在當前設置下，光線會以復雜的方式反彈。]

 

 

不幸的是，計算整個場景中光線的準確反射程度是一項複雜的任務。一盞燈發出許多光子，它們的軌跡將取決於場景中物體的許多特定屬性。由於這個原因，渲染軟件需要很長時間才能很好地渲染光線。

 

[圖 5. 觀察光線如何反彈的過於簡化的方式。

圖 6. 使用過度簡化的感知重繪陰影以解釋表面反射光]

 

 

讓我們過度簡化這個複雜的過程，以便我們的大腦能夠理解它。更大、更亮或更具反射性的表面為周圍環境貢獻更多的光，在某種程度上起到了光源的作用。在我們的示例中，我們繪製了可笑的反光白色物體，因此它們都平等地反射光。然而，面積較大的亮點比較小的亮點對其周圍環境的影響更大。如圖 5 所示，左邊的牆有一個很大的表面，可以接收到很多來自燈的直射光。從它反射的光會反射到立方體和球體的黑暗部分，以及這些物體投射在地板上的陰影。一般來說，在復雜場景中嘗試繪製光線時，您可以考慮以下問題：

 

*光源在哪裡？

*光源直接照亮哪些表面？

*這些表面如何反射光？

*這種反射光會到達哪裡？

 

像這樣簡單思考的結果，我得到了圖 6。一個人可以花多長時間來考慮計算光的方向，因為現實世界不受我們屏幕的分辨率或我們的大小的限制。刷子。

 

現在讓我們將左右牆壁移近物體，如圖 7 所示。這將導致更多的光線進入球體和立方體的暗面，因為光線不必遠離牆壁。此外，與圖 8 相比，進入投射陰影的光線更少，因為物體現在更靠近左側牆壁，並且來自右側牆壁或地板的光線反射到該陰影中的空間更小。

[圖7：左右牆壁移動到更靠近物體的位置。

圖8：同圖6，對比圖7。]

 

 

 

我們看到的一切都是光，除了漆黑。你觀察到的每一個非黑色物體都會反射光，這種光到達你的眼睛，基本上使物體發光，並對周圍產生一些影響。現在，讓我們看看如何將這一原理應用於不同天氣條件下的光線。

 

晴天

在陽光明媚的日子裡，我們將沒有云，而是明亮的太陽 (1.)，這是主要的光源。讓我們考慮這樣一種情況，在一個陽光明媚的中午，我們在一個空曠的地方有一個球 (2.)。太陽會非常強烈地照亮場景。

【圖9：陽光明媚的一天。

圖10：四面八方的陽光】

 

 

我的意思是非常非常強烈。你可以感覺到太陽在你的皮膚上，你可以感覺到它散發出多少能量，以及它使我們的世界變得多麼溫暖。有時，可能有點不舒服溫暖。

 

這種直射光會產生相當銳利的球陰影 (3.)。但事實證明，室外的陰影不會完全漆黑，即使球後面沒有任何東西會像我們之前看到的場景那樣導致光線反彈。

【圖11：陽光強烈，尖叫。

圖 12：陽光產生投射陰影]

 

 

在到達我們之前，陽光在空間和我們的大氣層中傳播了相當長的距離。在大氣中，會發生散射，大部分暖色光會直接到達我們。冷色光更容易被空氣散射（這種散射稱為瑞利散射）。結果，天空是藍色的，非常明亮。天空發出的光線相當均勻，在陽光充足的戶外環境中會輕輕照亮陰影。

[圖 13：太陽光穿過太空進入大氣層 (4.)。當光穿過大氣中的大量空氣分子時，冷光有機會散射（瑞氏散射）（5.），而暖光幾乎不會散射並以更直接的路徑到達地面（6.）。

圖14：穿過大氣層後，大量冷光散射並最終均勻到達地面（7.），用天藍色的光照亮地面。一些冷光會照亮球的影子。]

 

 

在陽光明媚的日子裡，強烈的陽光會從我們觀察到的物體表面反射回來。這將導致場景看起來非常明亮，因為有很多光要反射。圖 15 是一個例子。在陽光明媚的日子裡，我們在戶外的開放空間裡有一個輕盈的啞光紋理球。正如我們所看到的，有很多光，陰影不是漆黑的，因為有來自天空的光來照亮它們。在靠近地面的球上，您可以觀察到一個光點，因為來自地面的一些光也可以到達那裡。在圖 16 中，我們在球後添加了一堵牆。現在，一些陽光會從牆上反射回來，照亮投射的陰影和球的背面。

【圖15：陽光明媚的露天場地上的淺色啞光球。

圖 16：同一個球，但後面有一堵牆。]

 

 

讓我們在場景中引入更多物體，並觀察太陽如何照亮它們。在圖 17 中，我們有一個黑色啞光球，與前面示例中的球相同，還有一個閃亮的球。黑球吸收了很多光，但不是全部。它仍然反射一些來自地面的光，但比中間的球少，因為暗球比中間的球吸收更多的光。我假設閃亮的球的位置可以反射來自太陽的直射光，從而在白色反射點周圍產生光暈。這是由您眼睛中的光色散和散射引起的，如果您凝視著非常明亮的東西，就會發生這種情況。

 

【圖17：陽光明媚的露天場地，不同顏色和材質比例的球。

圖 18：同樣的球，但後面有一堵牆。]

 

 

所以要點是，在陽光明媚的日子裡，有很多光線，首先來自太陽，其次來自天空本身，最後來自附近所有反射光線並影響場景外觀的物體。

 

陰天

陰天時，在陽光到達我們之前，它會穿過雲層。雲由許多水滴組成，這些水滴大到足以引起大量散射（米氏散射）。由於這種散射，一些陽光會被反射回太空，而另一些則會深入雲層。當它穿過雲層時，會發生更多的散射，所以在出去的路上你會得到相當均勻的光。這基本上使云成為陰天的主要光源，當非常多雲時，它們會顯得灰暗。

 

[圖19：來自太陽的光被雲的水滴（7.）散射。因此，從雲層發出的光是均勻的。

圖20：太陽放出很多光，從雲層中射出的均勻光會變弱。 ]

 

 

考慮之前的球設置，如圖 21 所示。我們可以看到邊緣非常清晰，環境中的光線均勻且微弱。在每個球下方，我們都有一個黑色陰影，因為光線幾乎無法到達那裡。如圖 22 所示，在後面添加一堵牆並不會改變光線的顯示方式，但它確實略微減輕了球的陰影以及面向該牆的球的側面。

【圖21：陰天同三球

圖 22：同樣的三個球，但後面有一堵牆]

 

 

陰天的光線比直射的陽光要弱得多。地面上的東西不會那麼閃亮，陰影會更柔和，地面上的東西會顯得更均勻。物體的邊緣仍然會顯得清晰，因為您的感官可以更清楚地讀取圖像信息。

[Gif 1：晴天和陰天的對比]

 

霧天/大煙天

到目前為止，我們只討論了觀看者和場景中物體之間的媒介只是空氣的情況。空氣會導致大氣中的光發生散射，但只有在很遠的距離才能看到這種散射的影響。所以很遠的物體，比如那些靠近地平線的物體，可能看起來是藍色的。那是相當遠的。但是當我們在空氣中有較大（但仍然非常小）的顆粒時，例如構成霧、煙或污染的顆粒，能見度會發生變化。在這種情況下，您可能根本看不到地平線。空氣中這種較大的顆粒會非常均勻地散射光線，而對其顏色無關緊要，從而為周圍環境提供均勻的光線。

 

如圖 23 所示，當我們在空氣中有這麼大的粒子時，來自物體的光被它散射的可能性更高。如果光需要穿過多層這樣的粒子，大部分光會被散射。你離一個物體越遠，你從中觀察到的光就越少。

 

在圖 24 中，我們看到了這種情況的表示。霧會形成白色背景，因為它會均勻地散射光線並且不吸收任何光線。因此，背景中霧的亮度將取決於該區域的光量。在這張照片中，我們只考慮陰天的光線，所以光線不是很多，霧被均勻點亮。如您所見，來自遠處球的光被嚴重散射，並且該球的邊緣模糊。同時，更近的球具有越來越明顯的邊緣。

 

【圖23：陰天，大霧（8.）。觀察與觀察者不同距離的 3 個球。紅球發出的光幾乎沒有到達眼睛。

圖 24：與圖 21 相同的三個球，在有霧的天氣條件下。]

 

 

與霧相比，煙霧確實會吸收光線，從而導致周圍環境的整體光線較少。更濃的煙霧會使你看到的東西更暗。它甚至可能足夠密集，以至於你根本看不到光。

 

【圖25：煙霧繚繞的同款3球

圖26：霧中同樣的3個球，對比]

 

 

你的能見度受到影響的方式就是物體離你的眼睛有多遠。物體離你的眼睛越遠，它在到達你的眼睛之前需要經過的霧氣就越多。這在 Gif 2 中顯示，因為我們增加了霧的密度。

 

[Gif 2：增加霧的密度]

 

[圖 27：透過霧氣發光的東西，光線會在光源周圍嚴重散射]

 

 

當空氣中有大顆粒時，它們會影響能見度。遠處物體的邊緣會在環境中顯得模糊。物體會在比晴天更近的距離消失。光線會四處散開，形成均勻的照明。空氣中的透明粒子（如水）不會吸收太多光，但固體（如煙霧粒子）會吸收光並導致場景中可用的光變少。

我希望現在您可以更多地考慮不同天氣條件下的光！

一切都是在 Clip Studio Paint 中繪製和動畫的。