2. Svjetlo i sjena

Prije nego što se upustimo u samu problematiku ostvarivanja sjena u stvarnom vremenu, usredotočimo se na razlike između računalnog i realnog svjetla.

U prirodi se svjetlost emitirana iz izvora reflektira tisuću, ako ne i milijun puta prije nego što završi u promatračevu oku. Pri svakoj od tih refleksija gubi se dio svijetlosti. Jedan dio biva upijen, drugi reflektiran u nekom neodređenom smjeru, a ostatak usmjeren prema drugoj površini ili oku promatrača. Taj se proces nastavlja tako dugo dok svijetlo potpuno ne nestane ili ga promatrač ne zapazi.

Očito je da je savršena simulacija prirodnog ponašanja svjetlosti previše vremenski zahtjevna da bi se mogla koristiti za potrebe trodimenzionalne grafike u stvarnom vremenu. Zbog toga, uzimajući brzinu u obzir, računalna grafika samo aproksimira principe svjetlosti iz prirodnog svijeta. Računalna aproksimacija opisuje svijetlo u terminima crvene, zelene i plave komponente koje zajedno tvore završnu boju.

Računalni model dijeli svjetlost u dva tipa: ambijentalnu svjetlost i usmjerenu svjetlost. Svaki tip sadrži različite atribute i različito djeluje s materijalima koji opisuju karakteristike površina. Ambijentalna svjetlost aproksimacija je one, previše raštrkane svjetlosti tako da je njen smjer i izvor nemoguće odrediti (karakterizirana je niskim intenzitetom i djeluje svugdje). Indirektno svjetlo koje koriste fotografi najbolji je primjer ambijentalnog osvjetljenja.

Usmjerena svjetlost generirana je od nekog izvora unutar scene i uvijek ima boju, intenzitet i smjer. Ta svjetlost djeluje s materijalima na površini određujući konačnu boju. Ovisno o smjeru upada na površinu, mijenja se i intenzitet i boja iscrtane površine. Ako se u proračun uzme u obzir i položaj kamere, zrcalni efekt na površini može se lako ostvariti. Uz različite izvore svjetlosti, drugi faktor potreban za proračunavanje osvijetljenosti neke usmjerene točke u prostoru jest materijal koji definira svojstva te točke. Dok izvor svjetlosti ima samo ambijentalnu, difuzijsku i zrcalnu komponentu boje, materijal posjeduje još i emisionu. Konačna se osvijetljenost točke na sceni proračunava uzimanjem u obzir svih tih komponenti i odnosa između njih. Difuzijska komponenta osvjetljenja ovisi o kutu između usmjerenosti točke i smjera zrake svjetlosti, dok odsjajna komponenta ovisi i o položaju kamere.

U računalnoj grafici razlikujemo nekoliko tipova izvora svjetlosti:

- točkasto svjetlo – opisano je bojom i pozicijom, ali ne i nekim smjerom. Širi se u svim smjerovima. Svjetlosna žarulja dobar je primjer točkastog svjetla.

- usmjereno svjetlo – opisano je samo bojom i smjerom, a ne i pozicijom. Emitira paralelne zrake svjetlosti. Dobar primjer takve svjetlosti bi bila Sunčeva svjetlost ( privid beskonačno udaljenog izvora).

- točkasto usmjereno svjetlo – opisano je i bojom i smjerom i pozicijom, ali i sa dva kuta (unutarnjim i vanjskim). Džepna baterija predstavlja dobar primjer takvog svjetla.

Kako su u računalnoj grafici zastupljeni samo točkasti izvori svijetlosti, sjena koju oni mogu proizvesti može biti samo oštra. Meka sjena postiže se korištenjem više zamjenskih izvora svijetlosti koji su ravnomjerno raspodijeljeni po tijelu koje predstavlja izvor svijetlosti. Primjer toga ilustriran je slikom 2.1.

Slika 2.1. Točkasti i površinski izvori svijetlosti

U računalnoj grafici sjena će se ostvarivati tako da se na zasjenjeni dijelovima scene ne propušta difuzijska i zrcalna komponenta svijetla već samo ambijentalna. Ovo je ponekad teško postići kada se koristi više izvora svjetlosti pa se često pribjegava jednostavnijoj metodi zatamnjenja dijelova scene u sjeni. Tada se najveći problemi javljaju s zrcalnom komponentom svijetlosti koja je izrazito vidljiva čak i u zatamnjenom stanju, a uopće se ne bi se trebala nadzirati.