Fény és az emberi látás

A virtuális fények használata a számítógépes grafikában elengedhetetlen, ezért a valós fizikai fények és az emberi látás működésének alapvető szintű megértése erősen javasolt.

Az emberi látás a szem, az agy, a környezet és a fények közötti interakció eredménye. Ennek az erősen leegyszerűsített leírása a következő:

A fény

A fény bizonyos szempontból fény-részecskék, úgy nevezett fotonok sokaságaként viselkedik, más szempontból pedig hullámként. (Ennek a kettős természetnek a pontos megértésével most nem foglalkozunk.)

Ha egy fényforrás erősebb, arra tekinthetünk úgy, hogy több fényrészecskét bocsát ki egységnyi idő alatt.

Egy fényrészecske, ha nem találkozik semmivel, mindig egyenes irányba terjed.

A fény terjedésének sebessége (vákuumban) a fénysebesség. Ez a sebesség hihetetlenül nagy. Olyan gyors, hogy a mi szempontunkból, azaz a számítógépes grafikában pillanatszerűnek tekinthető. (A fénysebesség az ismert fizikában egyszerűen túlléphetetlen, azaz tekinthetünk rá úgy is, mint kozmikus sebességhatárra.)

A fény színe

A fény igazából egy elektromágneses hullám, tehát nem különbözik a hőérzetet adó infravörös fénytől, a rádióhullámoktól, röntgensugártól, vagy a mikrosütőnk mikrohullámaitól. (Emlékezzünk, a fény nem csak részecske, egyszerre hullám is.)

Mivel a fény hullám, ezért van hullámhossza és frekvenciája.

Az egyetlen oka, hogy a sokféle elektromágneses sugárzás közül nem látjuk mindet, hogy, az erre kifejlesztett műszerünk, az emberi szem csak egy bizonyos szűk frekvencia vagy hullámhossz tartományban, érzékel. Ezt nevezzük a látható fény tartományának.

A fény színe, az adott fénysugár hullámhosszától vagy frekvenciájától függ.

Newton felismerte, hogy a fehér fény felbontható a szivárvány színeire, például egy prizma segítségével. Sőt arra is rájött, hogy ha ezt a szivárványt egy lencse segítségével újra egy pontra összpontosítjuk, akkor újra fehéret kapunk. Mindebből Newton levonta a helyes következtetést:

A fehér fény nem több, csak az összes látható hullámhossznak az egyenletes keveréke.

A látás

Szemünk az alapján látja a környezetét, hogy milyen irányokból, milyen hullámhosszú (színű) és mekkora mennyiségű fényt kap.

A szemünk lát színeket, de nem képes hatékonyan megállapítani egy fényrészecskéről annak hullámhosszát. Ehelyett csak 3 fajta speciális hullámhosszra érzékeny receptorsejt van a szemünkben. Ezek a színek a 🔴vörös, 🟢zöld és a 🔵kék.

Egyéb színeket az agy úgy határoz meg (számol ki), hogy ezen receptorok egymáshoz képest milyen mértékben stimulálódnak.

Ha azonos szinten érzékelnek fényt a piros, zöld és kék receptoraink, akkor ott fehér, szürke vagy fekete színt látunk függően attól, mennyire erős a stimuláció.

A fekete szín tehát igazából a fény hiánya, ezért fekete fényről nem beszélhetünk.

Fényforrások

Bizonyos tárgyak fényt bocsátanak ki. Ez sok esetben a teljes látható spektrumon történik, azaz a keltett fénysugarak mindenféle hullámhosszú fotont tartalmaznak körülbelül azonos arányban.

Ilyen egy lámpa vagy a Nap maga. Mindezért szemünk ezen objektumok fényét fehérnek látja.

Más fényforrások csak egy bizonyos spektrumon sugároznak fotonokat. Ilyenek a monitorokban lévő apró lámpák, amik függetlenül sugároznak vörös, zöld és a kék színeket. Ha mindegyik fénypont egyszerre világít azonosan erős intenzitáson, akkor fehér színt látunk.

A felületek és a visszaverődés

Kétféle fény juthat a szemünkbe.: közvetlenül a fényforrásból érkező és visszavert. Amikor a fény egy felületet elér, részben elnyelődik, részben visszaverődik róla.

Amikor egy nem fénykibocsátó tárgyra nézünk, akkor az ezen tárgyról visszavert fotonok jutnak a szemünkbe. Ekkor meg tudjuk állapítani az objektum irányát hozzánk képest (hisz a fény egyenes vonalban terjed), és ha fehér fénnyel világítottuk meg, akkor azt is, hogy mi az objektum színe. (A többi elnyelődött.)

Az hogy a fény mekkora része nyelődik el és mekkora része pattan vissza, azt a felület színe (albedó-ja) és a fény színe határozza meg.

Felület színe: Albedó

Egy felület albedója azt adja meg, hogy milyen tartományokban, milyen arányban ver vissza és nyel el fényt a felület. Magas albedó magas visszaverőképességet jelent.

Fehér: Attól fehér egy felület, hogy a látható fény minden hullámhosszát egyformán vissza tudja verni. A teljesen fehér felület tehát mindig olyan színű, amilyen fény megvilágítja. Ha egyszerre világítunk meg egy fehér felületet független vörös, zöld és kék színekkel, akkor azt fehérnek látjuk, hiszen róla mindhárom fényforrás fotonjai egyformán visszaverődnek. A fehér felület albedója tehát magas. Maga az albedó szó is a fehérség latin megfelelőjéből ered.

Fekete: Ezzel szemben a fekete felület elnyel minden fényt. Ha egy felület fekete, akkor nem jut róla a szemünkbe fény, mivel teljesen elnyelte azt.

Szürke: Ezen két véglet között van a szürkének látott felület. Ami ugyan egyenletesen ver vissza minden szint, de úgy, hogy annak egy részét elnyeli. Minél sötétebb a szürke, annál többet nyel el.

A valóságban persze semmilyen felület sem tisztán fehér vagy fekete. Minden felület valamennyi fényt elnyel és valamennyit visszaver. Magasabb albedó világosabb színt jelöl. Ne gondoljunk azonban az albedóra pusztán egy darab százalékértékként, mert egy felület visszaverőképessége hullámhossztól függően is változhat.

Színes felület: Egy nem fekete-fehér felület ezzel szemben azért “színes”, mert különböző hullámhosszú fényt különböző mértékben nyel el és ver vissza. Például egy tökéletesen piros felület a fehér fénynek csak a piros komponensét veri vissza. Ezért teljesen mindegy, hogy fehér vagy piros színnel világítjuk meg. A visszavert szín teljesen piros lesz. Ugyanezen logika szerint, ha egy tisztán piros fényforrás fénye visszaverődik egy több színű objektumról, annak piros felületei tökéletesen fognak látszódni, ezzel szemben a zöld felületei feketének fognak látszani, mert a zöld felület teljesen elnyelte a piros fényt.

Simaság / Diffúzitás

Egy felület simasága, határozza meg, hogy a rá eső fény visszavert része milyen irányba “pattan” tovább.

• A tökéletesen sima felület a tükör. Minden egy irányból érkező fotont ugyanabba az irányba ver vissza.
• A mikroszkopikusan rücskös felületet diffúznak nevezzük. A teljesen diffúz felület visszaver fényt, de nem számít, hogy a beeső fény milyen irányból jött. A visszaverés iránya véltlenszerű. Egy kötött pulcsi felülete közel áll a teljesen diffúzhoz.
• Egy felület simasága a fenti két véglet között bárhol elhelyezkedhet.

Közvetett fényvisszaverés

A fotonok visszaverődése nem csak közvetlen lehet. Mielőtt elérne a szemünkhöz, egy fényrészecske sok objektumot is érinthet. Ezért a valóságban szinte sosem látunk olyan felületet, amiről nem érkezik a szemünkbe fény.

Nézzünk az asztalunk alá vagy a fiókunk belsejébe: valami olyan helyre amihez nem juthatott egyenes vonalon terjedő fény egy fényforrásból. Ezen felületek talán sötétebbek, de nem teljesen feketék. Valami úton módon odajutott némi fény, ami aztán továbbjutott a szemünkbe.

Ezen közvetett “pattogás” az oka annak, hogy színes tárgyak közelében lévő felület enyhén átveszi annak színét. Például egy piros tárgy melletti fehér felület tűnhet pirosasnak, azért mert a közeli tárgyról lepattanó piros fotonok miatt ezen hullámhosszú részecskék túlsúlyban lesznek. Ezért a fehér felületet is több piros foton éri, mint bármi egyéb színű. Ezt a jelenséget színvérzésnek nevezzük.