假如这个世界只有“漫反射”,会产生什么物理

作者: 数理科学  发布:2019-11-17

中学物理光学知识告诉我们,我们之所以看到不发光的物体,是因为物体身上反射的光线进入我们的眼睛,人眼逆着反射光线看过去,就看到了该物体。

    人眼能看到不发光的物体,是因为光射到物体表面发生了反射。不同的物体表面对光的反射特性不同,在相同的光照下有的明亮刺眼,有的黯淡无光。例如,晴天时,湖面上波光粼粼,但在路面上就没有这样的现象。

  1. 当光线照射到物体上时,发生了两个重要现象:
    (1)根据光源和光线方向,物体不同表面的明暗程度变得不一致。
    (2)根据光源和光线方向,物体向地面投下了影子

生活中,我们会发现,如果把阳光照射到镜子上,逆着反射光的方向去看的话,我们会看到刺眼的光,但是在其他方向却看不到反射的阳光。而如果阳光照射到白纸上,我们无论从哪个方向去看,都能看到纸被照亮,但却不会感到刺眼。这是为什么呢?

再比如,傍晚在台灯下写作业时,你会发现台面上的玻璃好像能发出刺眼的亮光,而书放在同样的位置,就不会有这样的现象。

图片 1

请看这个真实物理现象:

对比物体的表面,水面和玻璃表面比较平滑,而路面比较粗糙,书本表面看似平滑,但用放大镜仔细观察,就会看到其表面仍是凹凸不平的。

  1. 着色和阴影
    着色(shading):根据光照条件重建“物体各表面明暗不一的效果”的过程。
    阴影(shadowing):物体向地面投下影子的现象。

  2. 真实世界中的光的类型:
    (1)平行光(directional light),类似于自然中的太阳光。平行光线相互平行,具有方向,可以用一个方向和一个颜色来定义。
    (2)点光源光(point light),类似于人造灯泡的光。点光源光是从一个点向周围的所有方向发出的光,需要指定点光源的位置和颜色。光线的方向将根据点光源的位置和被照射之处的位置计算出来。
    (3)环境光(ambient light),模拟非直射光,也就是由光源发出后经过墙壁或其他物体反射后的光。环境光(间接光)是指那些经光源(点光源或平行光源)发出后,被墙壁等物体多次反射,然后照到物体表面上的光。环境光从各个角度照射物体,其强度都是一致的。环境光不用指定位置和方向,只需指定颜色即可。
    (4)聚光灯光(spot light),模拟电筒、车前灯等。

第一幅反射图:手电筒光从镜子左侧照射,从前方看,镜面是完全漆黑。而纸张却能够被清晰地看出白色。

用一束平行光射到光滑的镜面上,其每一点的法线方向都相同,因此反射光线相互平行。当物体发生镜面反射时,我们只会在某一方向上感觉很亮甚至是刺眼,而其他位置看到这个物体却很暗。

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当一束平行光射到粗糙物体表面时,粗糙面上各点的法线方向不一致,因此反射光线向不同方向无规则射出,我们可以从不同位置看到不发光的物体,而且亮度基本没有变化。

  1. 反射光的颜色,取决于:入射光(方向、颜色)和物体表面的类型。

  2. 物体表面反射光线的方式:

我们来做个实验,在暗室中的桌面上铺一张白纸,把一个小平面镜向上放在白纸上,用一盏台灯正对着平面镜照射,从侧面看上去,平面镜较黑,而白纸较亮。

(1)漫反射(diffuse relection)
针对平行光或点光源,漫反射的反射光在各个方向上是均匀的。

这是因为在平面镜上发生了镜面反射,反射光线向上,从侧面看没有光线射入人眼,因此看起来比较暗。而在白纸上发生了漫反射,各个方向都有反射光线,从侧面看有光线射入人眼,因此白纸看起来比平面镜要亮。

图片 4

如果我们移动视线,迎着镜面反射的反射光来看,就会感觉特别刺眼,这就是我们通常说的反光,例如:用久的黑板会因反光而看不清上面的字,而较新的黑板表面比较粗糙,会发生漫反射,坐在教室里任何角度都能看清黑板上的字。

漫反射光颜色 = 入射光颜色 × 表面基底色 × cosa
cosa = 光线方向 · 法线方向
漫反射光颜色 = 入射光颜色 × 表面基底色 × (光线方向 · 法线方向)

你知道为什么金属看上去会有光泽吗?就是因为金属表面比较光滑,会发生镜面反射。

(2)环境反射(enviroment/ambient reflection)
针对环境光,环境反射的反射光的方向可以认为是入射光的反方向。在各个方向均匀。

你知道为什么玻璃幕墙在晴天会特别刺眼?是因为在玻璃表面发生了镜面发射,它可能会干扰到路上驾驶员的正常开车,因此属于现代城市中的光污染之一。

图片 5

你知道皮鞋擦过油为什么还要用鞋刷或软布反复擦几下才能越擦越亮吗?因为反复擦可以使鞋油填平皮革表面的凹坑,增加镜面反射效果。

环境反射光颜色 = 入射光颜色 × 表面基底色

雨后天晴的晚上,你走在有积水的路上,该如何让自己不踩到地上的积水呢?迎着月光走和背着月光走看到的路面一样吗?

注:表面基底色是物体本来的颜色,也就是物体在白光下的颜色
当漫反射和环境反射同时存在时,将两者加起来,就会得到物体最终被观察到的颜色

月光照在坑洼的路面上发生的是漫反射。照在积水上发生的是镜面反射,漫反射光线比较分散,反射光线较弱;镜面反射,光束较集中,反射光线比较强。

表面的反射光颜色 = 漫反射光颜色 环境反射光颜色

我们看到物体的明暗程度,由进入人眼的光线多少决定的。

  1. 归一化(normalization):将一个矢量的长度调整为1,同时保持方向不变的过程。

  2. 平面的法向量唯一,即平面上的任意一点都具有相同的法向量。

  3. 逆转置矩阵(inverse transpose matrx)
    变换后的法向量 = 法向量 × 模型矩阵的逆转置矩阵

迎着月光走,水面发生镜面反射和路面发生漫反射的光,都有射入人眼,但因为水面反射的光较强,因此水面较亮,路面较暗。

求逆转置矩阵的两个步骤:
(1)求原矩阵的逆矩阵 Matrix4.setInverseOf(m)
(2)将上一部求得的逆矩阵进行转置 Matrix4.transpose()

而当背对着月光走,水面发生镜面反射的光不会射入人眼,而地面发生的漫反射光可以射入人眼,相比而言,水面暗一些,路面亮一些。

通过以上事例,你应该已经能区分镜面反射和漫反射了吧,我们再来总结一下,镜面反射和漫反射的相同点与不同点。

镜面反射和漫反射,他们的共同点是:都属于光的反射现象,都遵循光的反射定律。

它们的不同点有:

1.反射面不同。镜面反射的反射面比较光滑,例如镜子、水面还有玻璃。漫反射的反射面比较粗糙。有些看似平滑的物体,用放大镜看,也是粗糙的。例如白纸和墙面。

2.反射光线不同。平行光入射时,反射光线依然平行的是镜面反射,平行光入射时反射光线射向各个方向的是漫反射。

3.观察到的现象不同。发生镜面反射时,在反射光方向上很刺眼,而其他方向比较暗淡。发生漫反射的物体,各个方向看到的亮度基本相同。

4.发生镜面反射的物体一般可以成像。例如镜子、湖面、光滑的大理石地面。发生漫反射的物体一般不能成像,只能看到物体本身的颜色。

这是一张雨后路灯下的地面,你能判断出哪里是积水哪里是路面了吗?

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