Fotogerçekçi 3D oluşturma bilimi (bölüm 5). Şeffaflık, kırılma, yüzeyaltı saçılma, dağılım.

elma

Fotogerçekçi 3D oluşturma bilimi yazı serisinin önceki bölümleri:
Bölüm 1: Fotogerçekçi 3D oluşturma bilimi
Bölüm 2: 3D’de Aydınlatma bilimi
Bölüm 3: Bilgisayar grafiğinde gölge, caustic, parlaklık
Bölüm 4: Bilgisayar grafiklerinde yansıma türleri, BRDF

İlk önce yansımalar hakkında öğrenilen dersleri pekiştirelim.

Yansıma ve kırılmalar diffuse rengi kesiyor.

Elinizde çok yansıtan malzeme, örneğin metal varsa, bu diffuse (yaygın) rengin hiç görünmeyeceği anlamına gelir. Bu nedenle %100 yansıma = %0 diffuse renk. %100 şeffaflığın anlamı – yansıma olabilir ama diffuse renk hiç yok. İletkenler (metaller) diffuse bileşene sahip değiller, bu yüzden metaller için biz yaygın rengi %0 yapıyoruz (siyah renk).

yansima-kirilma-diffuse
HERBİR yüzey yansıtıyor.

Dünyada mevcut olan en az yansıtan gerçek malzeme, üzerine düşen ışığı % 0.045 kadar yansıtıyor. Böylece, hatta “tamamen siyah” bir yüzey yine de ışığın bir kısmını yansıtır.
Birçok yüzey parlak yansımaya sahip. Tam aynasal yansımalı yüzeylere ise nadir rastlıyoruz.

En yansıtıcı malzeme – Spectralon. O ışığın yaklaşık %99 yansıtıyor. Görünüş olarak Lamberta göre BRDF malzemesine benziyor, ama değil.

Beyaz kâğıt aşağı yukarı ışığın %80 yansıtır.

Bu yüzden gerçekçi bir sonuç elde etmek istiyorsanız, yansıma haritasını istisnasız olarak tüm malzemelere eklemelisiniz.

Yansıma galiba, global aydınlatmadan sonra fotogerçeklik için önemine göre ikinci bir faktördür ( teknik olarak yetenek ve tecrübe’ de önemli).

Aşağıda yansımayla ve yansımasız görselleşen resim gösterilmiş. Baksanıza, yansımalı resim ne kadar da daha zengin görünüyor.

yansima
Mimari görselleştirme uzmanlarının sürekli kullandıkları şey – Fresnel yansımalar. Çünkü gerçek dünyada yansımaların çoğu aynasal değil, bulanıklar.

specula-and-glossy
Aynı şeyi net ve bulanık gölgeler hakkında da söyleyebiliriz. Devamlı yumuşak gölgeleri kullanırsanız hata bırakmış olmazsınız.

Ortalama az çok erişimli olan en koyu malzeme ışığın %3 yansıtıyor. Elbette, sadece ışığın %1 yansıtan malzeme oluşturmak olur, ama gerçek hayatta böyle malzemeye sadece laboratuvarda rastlayabilirsiniz.

Fikir şu: gerçek malzemeler bayağı çok yansıtır. Fakat yalıtkanlarda yansıma fresnel zayıflamaya (Fresnel falloff) sahip olmalıdır, bu konuda daha sonra konuşacağız.

2. İletim (Transmission)

Mikro strüktür düzeyinde şeffaflık, ışık enerjisinin ısı enerjisine dönüşmediği (sonuncu siyah veya koyu malzemelere özgün) ve malzemenin ışığı tamamen ilettiği anlamına geliyor.

Şeffaf veya yarı şeffaf malzeme herhangi bir renge boyanmışsa, o zaman o ışığın belirli bir dalga boylarını emer, o herhangi bir renk ise engel olmadan geçer. Diğer renkler ise böğle malzemeden geçmezler.

isigin-gecisi

Işığın yüzey içinden geçmesi veya yansıması ışığın geliş açısına ve malzemenin kırılma endeksine bağlı. Biz bunu Fresnel denklemesini kullanarak simüle ediyoruz. Genelde, yalıtkan yüzeye dik düşen ışık neredeyse tam içeriye geçer, kayma açısı ile düşen ışık ise – nerdeyse tamamen yansır.

Belli bir fotonun başına yukarıda belirtilen olaylardan sadece biri gelebilir: o ya malzemenin içine nüfuz eder, ya da tamamen yansır. Ama biz sonsuz miktarda fotonlar için genel sonuç simüle ediyoruz. Bu nedenle belli bir yüzey için simüle ettiğimiz zaman, herhangi bir etkileşime uğrayan fotonların faiz oranları ile uğraşıyoruz.

Böylelikle metal, üzerine düşen fotonların %50’ni yansıtır ve kalan %50’ni emer. Cam simüle etmek gerekirse, üzerine dik düşen fotonların %90’nı geçirir, %5’ni yansıtır ve kalan %5’ni emer deriz.

Kırılma (Refraction)

Bu etki geçirme ile ilgili.

Kırılma iki ortamın (malzemenin) ortak sınırından geçen ışık ışınlarının eğilmesidir (yön değişikliğidir). Her ortam farklı bir şekilde kırılır, bu kırılma emsali adlanıyor – IOR.

IOR sıfırsa şeffaf nesne görünmüyor demek (ışın eğilmesi yok, her iki ortam aynı yoğunlukta). Mesela, camı yalnız ışık ışınlarının kırılması ve kısmi emilmesi sayesinde görebiliyoruz. Kırılma sebebi – ortamların farklı yoğunluğu. Işık daha yoğun ortamdan geçtiği zaman daha yavaş hareket eder.

Düz açı oluşturacak biçimde suya atılmış bir taş düşünün – o yönünü değişmez, sadece hızı yavaşlar. Ama taşı dar açı oluşturacak biçimde atarsak, suya girerken suyun hava ile karşılaştırmada daha yüksek yoğunluğu olduğu için o uçuş yönünü değişir.

Sırf bu yüzden cam şişeye baktığınızda onun ön tarafını âdeta görmüyorsunuz, yalnız kırılmış siluet görüyorsunuz.

kirilan-dagilim
Aynı zamanda hemen hemen her zaman beraber olan yansıyan kırılma ve kırılma yansıması emsali mevcut (yani, yansıyan kırılma değeri hep kırılan yansımaya beraber).

IOR hem kırılma emsali hem de yansıma emsaline bağlı, çünkü hem birinci hem de ikinci parametre malzemeden geçerken fotonların sapmasını tasvir eder. IOR hem de ışık enerjisine bağlı, yani bu enerjinin malzeme tarafından emilmeği durdurduğunu ve ondan yansıdığını gösteriyor. Bu yüzden tüm malzemelerin her türlü ışık davranışına tesir eden: her tür yansıma ve kırılmaların kendi IOR değeri var.

Bu konunun bilimsel tarafını iyi bilmek isterseniz yansıma ve kırılma değerlerinin aynı olduklarını bilmelisiniz. Kesin rakamları uygun tablolarda bulabilirsiniz.

Mental Ray her iki değeri tek bir parametre ile kontrol etmeyi sağlıyor – IOR (Fresnel`e göre yansıma), VRay ise iki ayrı parametre kullanıyor – Reflection bölümünde IOR ve Refraction bölümünde Fresnel IOR.

Herhangi bir malzemeye ışık düştüyse, emilmesi meydana geliyor. Emme değeri belli bir malzemeden asılı, daha doğrusu ışığın malzeme içerisinde nasıl yayıldığından. Mesela, cam içine ışık onun kalınlığı içerisinden doğru hareket eder ve içerisinden geçtiği zaman dağılmaz. Tam da bu nedenle cam bize yarı şeffaf değil de, şeffaf görünüyor. Tabii ki, emilme oluyor ama çok az miktarda. Sırf bu yüzden camdan gördüğünüz görüntüler çok az gölgelenmiş gibi görünüyor (camsız baktığımızdan daha renksizler).

Dağılım (Dispersion)

Dağılım gibi etkileme de mevcut, bu zaman malzeme üzerine düşen ışık parçalanıyor. Dağılım malzemelerin farklı uzunluklarda elektromanyetik (ışık) dalgalarını farklı açılarda kırma niteliğine sahip oldukları için meydana geliyor. Dağılım gökkuşağı gibi renk olaylarının meydana gelmesinin sebebidir.

Bu pek yaygın bir etkidir. Siz sürekli olarak su veya elmasın caustic dağılımını gözlüyorsunuz. Örneğin, Newton ışık parçalanmasını göstermek için cam prizmanı başarılı bir şekilde kullanmış.

Yarı saydamlık (Translucency)

Yarı saydamlık – saydamlıkta sık sık rastladığımız bir olay.

Yüzey mikro geometrisi ışığın farklı yönlere dağılmasına neden oluyor. Bu etki yaygın ve parlak yansımlar için nitelik açısından özdeş. İşte bu etki buzlu camdan ışık geçirgenliğine sebep oluyor.
Geçerliğin yüzey altı pürüzlüğün değerine bağlı olduğunu anlamalısınız. Aynalı ve yaygın yansımalar yüzey pürüzlüğünün sonucudur. Bu nedenle süt cam normal camdan daha pürüzlü yüzey altı yapıya sahiptir. Bunun üzerine malzemeye ne derece derin nüfuz edeceğini tasvir eden parametre de eklemek lazım, çünkü ben yüzey altı pürüzlüğün kendisinin ışığın içeri girmesini durdurabileceğine emin değilim.

Mikro strüktür düzeyde: yarı saydamlık – yüzey altı bir etkidir. Aşağıda anlatacağımın resmî bir terminolojisi olup olmadığına emin değilim, ama ışığın malzemenin içerisine nüfuz ettiği, dağıldığı ve içeride yansıyarak nüfuz ettiği yerden çıkma süreci için şahsen ben “yüzey altı” yansıma terimini kullanıyorum. Hem de ışığın malzemeye bir yandan nüfuz edip içeride dağılıp yansıyarak nesnenin karşı tarafından çıktığı etki için “yüzey altı geçerliliği” kavramını kullanıyorum.

Malzemenin içinde oluşanlar olağanüstü karmaşık bir süreçtir. Genelde bunu rastgele yürüyüş gibi modelleyebiliriz – yani, foton malzeme içinde atomla çarpışmadan önce çok kısa bir mesafe kateder, bu çarpışma zamanı enerjisinin yarısını kaybederek bu atomdan diğer bir tarafa sıçrar ve her şey baştan defalarca tekrarlanır.

Yüzey altı dağılma geçidin özel durumudur ve o böğle oluyor: Işık malzemeye nüfuz eder, atomlar tarafından defalarca yansır ve dışarıya nüfuz ettiği yerden çıkmaz.

Malzeme içinde ışık ve atomlar arasındaki etkileşim enerjinin bir kısmının emilimesine sebep olur. Genelde farklı dalga boyu için emme farklıdır. Bu yüzden ışık malzemeden geri çıktığında biraz sönük ve farklı bir tonda oluyor.

Yüzey altı yansıma sadece yalıtkanlarda oluyor. Sırf bu yüzden metalik olmayan malzemeler belli bir renge sahipler (yalıtkanların akisleri her zaman beyaz). Yani, renkli nesneyi her gördüğünüzde şunu bilin ki, bu metal değil, çünkü ışık malzemeye girer, içeride sıçrar, bu süreçte birazcık “renklenir” ardından ise malzemeni başka noktadan terk eder.

Birçok malzeme katı oldukları için giriş ve çıkış noktasının koordinatları neredeyse aynı ve bu nedenle biz malzemenin görsel olarak katı (sert) olduğunu görüyoruz.
Ölçülen BSSRDF’ i büyük iç dağılımına sahip malzemeler için kullanmak mümkün, organik malzemeler gibi, örneğin, deri.

Siz büyük iç dağılım sürecini BRDF`in yardımı ile simüle edemeyeceksiniz, çünkü BRDF tanım gereği, ışığın malzemeye aynı noktadan nüfuz edip çıktığını hesaba alıyor ( bu birçok malzemeler için adilane bir varsayım).

Maxwell gibi izleyiciler ( gerçekçi render) BSSRDF` i hiç kullanmazlar ama onun yerine yüzey altı dağılımın hesabı için rastgele yürüyüşü doğrudan simüle ederler.

Diffuse ve SSS/Translucency shader’lerinin özelliklerinin farkı ışığın yüzey altı yayılmasındadır. Veya başka deyişle, fotonun malzemeye nüfuz etme noktasının aynı fotonun dışarıya çıkma noktasından ne kadar uzakta bulunduğunda. Böylece taş duvara düşen ışık onun yüzey altı katından giriş noktasına o kadar yakın çıkar ki, shader bu değerin sıfıra beraber olduğunu sayar. Fakat deriye düşen ışık genelde giriş noktasından belirli uzaklıkta çıkar. Ve bu nedenle de bunu görmezden gelemeyiz, aksi takdirde deri ölü görünecektir. Yüzey altı yayılma (SSS) shader’ ine ihtiyaç bunun için.

3. Emme (Absorption).

Elektromanyetik dalga enerjisi ısı enerjisine dönüşür ve “kaybolur”. Elbette, o gerçekten kaybolmuyor ama görüntüyü görselleştirdiğimiz zaman biz ısıya değil, ışığa konsantre oluyoruz. Bu, uygulamada hiçbir malzeme düşen ışığın %100′ ü hiçbir zaman yansıtmamalı demek, eğer onun gerçekçi görünmesini istiyorsanız.

Yüzey beyazsa o tüm dalgaları yansıtır, eğer boyalıysa – demek sadece gördüğünüz belli bir ışık dalgalarını yansıtır. Sizin için bu bir anlama gelmeli, bazı renkli yüzeyler renkli aydınlatmalar ile sizin hiç beklemediğiniz bir şekilde etkileşebilirler.

Pürüzsüz bir yüzeye düşerek (mikro düzeyde pürüzsüz) foton yansır ve kaybolur. Ama pürüzlü bir yüzeye düştüğünde fotonun başına bir sürü seçenekler gelebilir: yansıya ve kaybolabilir, mikro pürüzlüklerden birkaç kere yansıya ve kaybolabilir ve nihayet emile bilir.

Işık yüzey tarafında emildiği zaman biz onu koyu görüyoruz ( bu yüzden koyu giysiler beyaz giysilerden her zaman daha sıcak).

%100 siyah %0 yansıma demek, buysa gerçek hayatta hiçbir zaman olmuyor. TÜM malzemeler HER ZAMAN herhangi bir derecede yansıtırlar.

Renk – seçenekli emme ve seçenekli yansımanın sonucudur.

Bazı dalgaları emdikleri için yüzeyler karşımızda boyanmış görünüyorlar (görmediğiniz renk), bazı dalgalar ise yansır (gördüğümüz renk). Böylece, %0 yaygın bileşen (siyah) hangi şiddetle parlasa parlasın hiçbir rengin yansımayacağı anlamına gelir, çünkü siz malzemeye ışığı tamamen emmesini söylediniz. Sırf bu yüzden hiçbir zaman diffuse için %0 yapmamalısınız (siyah renk Diffuse slotunda), hatta çok koyu bir malzeme oluşturuyor olsanız bile.

Sonuç

Işık yansımadıysa, yüzey içinden geçer, eğer geçmediyse, ısıya dönüşür (emilir) ve bir sonuç olarak karşımızda koyu malzeme görünür (görünür ışık bilgisi yok). Işık tamamen malzeme içine nüfuz ettiyse (geçirgenlik) nüfuz ettiği noktadan çıkar (yüzey altı yansıma). Renk – her zaman emme olayıdır, ister saydamlı isterse de saydamsız malzemede, yani, dalga boyunun belirli bir emilimi. Siyah- tüm dalgalar emiliyor, beyaz – yansıyor demek.

Yazıda kullanılan elma resmi Andrey Kobushenko tarafından yapıldı. Kullanılan programlar 3D Max + Corona Render + AE

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Bugün dünden daha iyiyiz!

Dersler
Anket

İşlemci seçiminiz

Sonuçları Göster

Yükleniyor ... Yükleniyor ...