Модели освещения и алгоритмы затенения в компьютерной графике

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

А.Г. ЗАДОРОЖНЫЙ 

МОДЕЛИ ОСВЕЩЕНИЯ 

И АЛГОРИТМЫ ЗАТЕНЕНИЯ 
В КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКЕ 

Утверждено 

Редакционно-издательским советом университета 

в качестве учебного пособия 

НОВОСИБИРСК 

2020 

УДК 004.92(075.8) 
         З-156

Рецензенты: 

канд. техн. наук, доцент В.С. Карманов 
доктор техн. наук, профессор М.Э. Рояк 

Работа подготовлена на кафедре прикладной математики НГТУ 

Задорожный А.Г. 

З-156      Модели освещения и алгоритмы затенения в компьютерной 

графике: учебное пособие / А.Г. Задорожный. – Новосибирск: 
Изд-во НГТУ, 2020. – 80 с. 

ISBN 978-5-7782-4308-8 

В данном учебном пособии рассмотрены элементы теории освещения в 

компьютерной графики, включая модели локального освещения и алгоритмы 
затенения. Также рассмотрены и соответствующие функции графической библиотеки OpenGL, приведены соответствующие примеры. Пособие может быть 
рекомендовано как для самостоятельного изучения курса «Компьютерная графика», так и для подготовки к практическим и расчетно-графическим заданиям. 

УДК 004.92(075.8) 

ISBN 978-5-7782-4308-8
 Задорожный А.Г., 2020

 Новосибирский государственный

технический университет, 2020

ФИЗИЧЕСКОЕ ОСВЕЩЕНИЕ 

Создание реалистичного освещения в сцене является одной из са
мых больших проблем при разработке трехмерной графики. В реальности падающий луч света претерпевает огромное количество отражений и преломлений, что при компьютерном моделировании повторить 
нереально. Тем не менее, освещение в трехмерной сцене все же можно 
приблизить к реальному как за счет продвинутых моделей освещения, 
так и за счет развития аппаратного обеспечения. 

Зрение (зрительное восприятие) – это способность воспринимать 

информацию путем преобразования энергии электромагнитного излучения светового диапазона, осуществляемая зрительной системой. 
В частности, цвет предметов есть результат интерпретации света, отраженного от предметов. 

Обработка светового сигнала начинается на сетчатке глаза, проис
ходит возбуждение фоторецепторов, далее идет передача и преобразование зрительной информации в нейронных слоях с формированием в 
затылочной доле коры больших полушарий зрительного образа. 

Весь этот процесс проходит множество этапов восприятия, на ка
ждом из которых возникают разного рода искажения, которые мозг и 
пытается нивелировать. Так устраняются сферическая и хроматическая 
аберрации, эффекты слепого пятна, проводится цветокоррекция, и 
многое другое. В тех же случаях, когда подсознательная обработка 
информации недостаточна либо избыточна, и возникают оптические 
иллюзии. В связи с этим видимое разумом изображение не вполне соответствует реальности.  

Соответственно, созданием изображения является процесс форми
рования светового образа на сетчатке глаза таким образом, чтобы он 
интерпретировался мозгом как требуемый объект, и разнообразие вариантов освещения является одним из вариантов увеличения количества необходимой для этого информации. 

На рис.1 приведен пример отображения куба и сферы в различных 

режимах визуализации. Видно, что переход в режим цветных граней 

немного улучшает восприятие фигур, но не дает достаточно информации о трехмерности. Переход в каркасный режим с одной стороны 
улучает восприятие трехмерности, а с другой – затрудняет из-за обилия вспомогательных деталей. И только включение освещения позволяет мозгу классифицировать эти фигуры не как плоские (многоугольники и круг), а как трехмерные (куб и сфера). 

 

 

Рис.1. Куб и сфера в различных режимах отображения. 

ВИДИМОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ 

В физической оптике, занимающейся изучением света, под светом 

понимается видимое излучение – электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. В широком же смысле под светом 
часто называют любое оптическое излучение с длинами волн  
порядка 10−9 − 10−4 метра, что включает в себя как ультрафиолетовый (10-400 нм) диапазон, так и инфракрасный (0.7-2000 мкм).  

Видимое излучение является частью оптического окна – области 

спектра электромагнитного излучения, практически не поглощаемого 
земной атмосферой с длинами волн порядка длин волн 300—1500 нм. 
В ультрафиолетовой области прозрачность ограничена поглощением 
ультрафиолета озоновым слоем и водой, а в инфракрасной области — 
поглощением водой. Поэтому на сравнительно узкую видимую область 
спектра приходится более 40% энергии излучения Солнца у поверхности. В частности, небо выглядит голубым потому, что чистый воздух 
рассеивает синий свет лучше, чем, например, красный (у которого 
большая длина волны). 

Чувствительность человеческого глаза к электромагнитному излу
чению зависит от длины волны излучения. Максимум чувствительности приходится на зеленый участок диапазона с длиной волны 555 нм, 
при удалении от которого чувствительность постепенно спадает до 
нуля, однако невозможно указать точные границы спектрального диапазона видимого излучения. Поэтому обычно в качестве коротковолновой границы спектрального диапазона света, принят участок с длинами волн в вакууме 380-400 нм, а в качестве длинноволновой границы – участок 760-780 нм. 

При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в 

котором излучения разных длин волн преломляются под разными углами. Цветам, входящие в этот спектр, соответствует излучение с малым разбросом длин волн – монохроматическое излучение. Основные 
спектральные цвета и их характеристики, представлены в табл.1. Такие 
цвета, как розовый или бежевый образуются только в результате сме

шения нескольких монохроматических излучений с различными длинами волн. 

В отличие от человека, в животном мире диапазон видимого излу
чения существенно шире, например, видеть в ультрафиолетовом диапазоне могут различные насекомые, птицы, рыбы, кошки и собаки. Но 
вот созданий, способных видеть в инфракрасном диапазоне, до сих пор 
не обнаружено, а под инфракрасным зрением обычно понимают способность воспринимать специальными сенсорами (терморецепторами) 
тепловое излучение, что свойственно некоторым видам змей и летучих 
мышей, в этом случае в мозгу формируется несфокусированное изображение теплых объектов. 

Т а б л и ц а  1  

Основные спектральные цвета 

Цвет
Диапазон волн, нм

Фиолетовый
≤ 450

Синий
450 ÷  480

Голубой
480 ÷  510

Зеленый
510 ÷  550

Салатовый
550 ÷  570

Желтый
570 ÷  590

Оранжевый
590 ÷  630

Красный
≥ 630

СВЕТОВОЙ ПОТОК 

Свет состоит из фотонов – квантов электромагнитного излучения. 

Фотонов испускается огромное количество, например, обычная 
стоватная лампочка накаливания испускает порядка 1021 фотонов в 
секунду. Исходя из этого, свет можно рассматривать как непрерывный 
поток энергии и применять к нему статистические законы. Соответственно, в компьютерной графике свет рассматривается как непрерывный прямолинейный поток несталкивающихся между собой частиц. 

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ПОВЕРХНОСТЬЮ 

Когда луч света попадает на поверхность, он теряет часть своей 

энергии (физически, этот эффект связан с нагревом поверхности) и 
отражается под некоторым углом (reflection).  

Если поверхность абсолютно гладкая, то лучи отражаются под тем 

же углом, под каким упали, в результате появляется эффект блеска 
(shininess), что можно наблюдать у любой глянцевой поверхности. Если же поверхность абсолютно шершавая, лучи отражаются по всем 
направлениям – эффект рассеивания (diffuse), он характерен для матовых поверхностей. В реальности каждый материал так или иначе, но 
обладает свойствами блеска и диффузии, при этом эффект блеска проявляется лишь при определенной позиции наблюдателя.  

В зависимости от свойств поверхности свет может не только отра
зиться, но и проникнуть сквозь поверхность, в этом случае он переходит из одной среды в другую, меняя свое направление – эффект преломления (refraction). 

После  взаимодействия с поверхностью, луч света продолжает 

свой путь, достигая других объектов, пока не растеряет всю свою энергию или не вылетит за пределы пространства.  

Эти многочленные взаимодействия  весьма трудоемки  для моде
лирования даже при использовании современного программного и аппаратного обеспечения. 

ЗАТУХАНИЕ С РАССТОЯНИЕМ 

С момента включения источника свет начинает распространяться в 

разные стороны от источника, образуя в общем случае сферу, радиус 
которой растет по мере удаления от источника. 

Если рассмотреть пучок лучей, то момент времени 𝑡1 он осветит 

некоторый участок сферы. В момент времени 𝑡2 размер сферы увеличится – соответственно, увеличится и освещаемый данным пучком 
участок (рис.2). А поскольку плотность фотонов в пучке неизменна, 
второму участку достается меньше фотонов, в результате чего его яркость снизится по сравнению с первым участком. 

Поскольку площадь поверхности сферы прямо пропорциональна 

квадрату ее радиуса (𝑠 = 4 ∙ 𝜋 ∙ 𝑟2), то яркость освещения 𝐼 фрагмента 
сферы обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника: 

2
k
I
r

, 

где 𝑘 – величина, зависящая от яркости источника.  

Данный закон справедлив в тех случаях, когда размер источника 

пренебрежимо мал.  

 

Рис.2. Распространение света во времени. 

ПРОБЛЕМА ВЫБОРА ОСВЕЩЕНИЯ 

Проблема правильного освещения в изображениях возникла за
долго до появления компьютерной графики: первыми с этой задачей 
столкнулись еще художники, позже – фотографы и кинооператоры.  

Выбор освещения зависит множества моментов: материалы объек
тов, геометрия сцены, действия в сцене, тип и цвет осветителя. В частности, прожекторный осветитель позволяет сконцентрировать внимание на каком-то определенном объекте, а фоновый или точечный – осветить сцену целиком. Также важен и цвет осветителя: искусственное 
освещение обычно имеет голубой или желтоватый оттенок, а уличное 
зависит от времени суток (например, красный свет во время заката). 

РЕКОМЕНДАЦИИ 

Существует множество приемов, с помощью которых можно осве
тить сцену таким образом, чтобы скрыть мелкие недостатки и подчеркнуть важные детали. Например, чтобы придать объем трехмерной 
модели, ее достаточно подсветить сзади – в этом случае появится отчетливая граница, визуально отделяющая объект от фона. А если требуется осветить половину объекта, то вторая его половина должна 
быть также подсвечена источником света с меньшей интенсивностью, 
в противном случае затененный участок будет скрыт в неестественной 
темноте (в реальности свет должен отразиться от множества поверхностей и хотя бы слабо, но подчеркнуть контур затененной стороны). 

Существуют и общие рекомендации, как не нужно освещать сце
ну. Неудачное расположение осветителей может создать слишком 
темные участки в сцене, а сами объекты могут быть плохо видны из-за 
недостаточной или избыточной освещенности. Избыточное количество 
осветителей приводит к засвечиванию соответствующих участков сцены и появлению паразитных теней. 

ТРЕХТОЧЕЧНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ 

Самым распространенным способом освещения важных объектов 

сцены является освещение из трех точек (трехточечная система).  

В данном подходе источники света в кадре играют три различные 

роли. Для каждой из ролей может быть создано несколько осветителей, 
но общий эффект должен быть таким, как будто в сцене существуют 
основной (ключевой) источник света, более мягкий заполняющий осветитель и источник контрового света, отделяющего объекты от фона 
(рис.3).  

 
 

 

Рис.3. Схема освещения с трех точек.