ส่วนสว่างจัดจ้า

ส่วนสว่างจัดจ้า  คือ ภาพสะท้อนแบบในกระจกของแหล่งกำเนิดแสงซึ่ง แสงจากแหล่งกำเนิดแสงจะสะท้อนกับพื้นผิวที่มีความวาว
หากแหล่งกำเนิดแสงเป็นจุด และเป็นพื้นผิวเรียบ ๆ เช่น ทรงกลม ส่วนสว่างจัดจ้าจะปรากฏเป็นจุดวงรีโดยมีขอบเบลอเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม หากพื้นผิวมีความซับซ้อนหรือแหล่งกำเนิดแสงมีความซับซ้อนส่วนสว่างจัดจ้าที่ปรากฏขึ้นจะมีความซับซ้อนมากขึ้น
การทำสร้างจำลองส่วนสว่างจัดจ้าเป็นสิ่งสำคัญในคอมพิวเตอร์กราฟิกส์สามมิติ ส่วนประกอบนี้มีผลอย่างชัดเจนในการแสดงถึงรูปร่างของวัตถุหรือตำแหน่งของวัตถุเทียบกับแหล่งกำเนิดแสงในฉาก
สีของส่วนสว่างจัดจ้า.
ส่วนสว่างจัดจ้ามักจะสะท้อนสีของแหล่งกำเนิดแสง โดยไม่ขึ้นอยู่กับสีของวัตถุที่สะท้อน ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเนื่องจากวัสดุหลายชนิดมีชั้นวัสดุโปร่งใสบาง ๆ อยู่บนพื้นผิวสี ตัวอย่างเช่น พลาสติกทำจากเม็ดบีทสีอ่อนที่ห่อหุ้มด้วยโพลิเมอร์ใส หรืออย่างเช่นผิวหนังของมนุษย์ซึ่งมักมีชั้นน้ำมันและเหงื่อบาง ๆ อยู่ด้านบนของเซลล์ที่มีสีอยู่ วัสดุดังกล่าวจะแสดงส่วนสว่างจัดจ้าโดยเป็นแสงที่สะท้อนแต่ละช่วงสเปกตรัมออกมาอย่างเท่าเทียมกัน อย่างไรก็ตาม สำหรับบนวัสดุโลหะ เช่น ทองคำ ส่วนสว่างจัดจ้าจะสะท้อนสีของวัสดุ
ส่วนสว่างจัดจ้าในตัวคน.
ส่วนสว่างจัดจ้าบนดวงตา มีอิทธิพลอย่างมากต่อความประทับใจในการวาดภาพเหมือน และภาพถ่ายบุคคล ดังนั้นในการถ่ายภาพบุคคล ส่วนสว่างจัดจ้าจึงเป็นปัจจัยสำคัญอีกอย่างนอกเหนือไปจากแหล่งกำเนิดแสง ตำแหน่งและความเข้มของแหล่งกำเนิดแสงได้รับการจัดลำดับความสำคัญตามสภาพแสง แต่เนื่องจากรูปร่างของแหล่งกำเนิดแสงไม่สำคัญต่อการจัดแสง จึงอาจเลือกโดยขึ้นอยู่กับประเภทของส่วนสว่างจัดจ้าบนลูกตาที่ต้องการสร้าง
นอกจากนี้ เนื่องจากส่วนสว่างจัดจ้าจะเกือบเหมือนกันในภาพถ่ายเดียว จึงเป็นองค์ประกอบหนึ่งที่สามารถใช้เพื่อมองแยกแยะภาพตัดต่อออกจากภาพถ่ายจริงได้
พื้นผิวในระดับจุลภาค.
การสะท้อนแสงจัดจ้า หมายถึง การสะท้อนแสงซึ่งสะท้อนจากแหล่งกำเนิดแสงไปยังผู้สังเกตการณ์โดยสมบูรณ์ในลักษณะที่เหมือนเป็นกระจกเงา การสะท้อนแสงจัดจ้าจะมองเห็นได้ก็ต่อเมื่อแนวฉากพื้นผิวนั้นอยู่กึ่งกลางระหว่างทิศทางการตกกระทบของแสงกับทิศทางของผู้สังเกตพอดี ซึ่งหมายความว่าภาพของแหล่งกำเนิดแสงจะสะท้อนอย่างคมชัดและสมบูรณ์แบบ ดังนั้นพื้นผิวที่สะท้อนแสงจัดจ้าจะเกิดส่วนสว่างจัดจ้าขึ้น อย่างไรก็ตามสำหรับวัตถุที่ไม่ได้สะท้อนเหมือนกระจกอย่างสมบูรณ์แบบแล้ว ส่วนสว่างจัดจ้าที่ปรากฏขึ้นจะมีลักษณะพร่ามัว
ปรากฏการณ์นี้สามารถอธิบายได้โดยการสันนิษฐานถึงสภาพพื้นผิวในระดับจุลภาค สมมุติว่าพื้นผิวของวัตถุนั้นไม่ได้เรียบอย่างสมบูรณ์ แต่ประกอบด้วยผิวเล็ก ๆ จำนวนมาก ซึ่งแต่ละผิวเกิดการสะท้อนแสงจัดจ้าอย่างสมบูรณ์แบบ ระดับความแตกต่างระหว่างแนวฉากของผิวในระดับจุลภาคกับแนวฉากของพื้นผิวเรียบลื่นจะแตกต่างกันไปตามความเรียบลื่นของพื้นผิว
สำหรับจุดบนวัตถุที่เรียบซึ่งมีพื้นผิวแนวฉากอยู่ประมาณกึ่งกลางระหว่างทิศทางที่ตกกระทบและทิศทางของผู้สังเกตการณ์ ส่วนสว่างจัดจ้าจะสว่างขึ้นเนื่องจากแนวฉากส่วนใหญ่บนพื้นผิวระดับจุลภาคจะอยู่ในทิศกึ่งกลางระหว่างมุมสังเกตการณ์และแหล่งกำเนิดแสง ในที่นี้ หากจุดกึ่งกลางของส่วนสว่างจัดจ้าเลื่อนออกไป ทิศทางของแนวฉากพื้นผิวและทิศทางของมุมมองจะคลาดเคลื่อนไป ทำให้แนวฉากของพื้นผิวระดับจุลภาคส่วนใหญ่ไม่ได้อยู่กึ่งกลางระหว่างมุมมองกับมุมของแหล่งกำเนิดแสงอีกต่อไป ความสว่างของส่วนสว่างจัดจ้าจึงลดลงจนเข้าใกล้ 0
แบบจำลองพื้นผิวในระดับจุลภาค.
มีหลายแบบจำลองที่แตกต่างกันสำหรับการจำลองการกระเจิงของพื้นผิวระดับจุลภาค ส่วนใหญ่จะมองว่าแนวฉากของผิวในระดับจุลภาคนั้นมีการแจกแจงอย่างสม่ำเสมอรอบแนวฉากของพื้นผิวระดับมหภาค แบบจำลองแบบนี้เรียกว่า ไอโซทรอปิก (isotropic) ถ้าแนวฉากของพื้นผิวในระดับจุลภาคมีการแจกแจงไปตามทิศทางใดทิศทางหนึ่งมากกว่าภายใต้การตั้งค่าบางอย่าง แบบจำลองการแจกแจงเรียกว่า แอนไอโซทรอปิก (anisotropic)
การแจกแจงแบบฟ็อง.
ในแบบจำลองการสะท้อนแบบฟ็อง ความสว่างของส่วนสว่างจัดจ้าคำนวณได้โดย
 <math>k_\mathrm{spec} = \|R\|\|V\|\cos ^n\beta = (\hat{R} \cdot \hat{V})^n</math>
โดยที่ "R" คือเวกเตอร์ที่ชี้ไปยังมุมที่มีการสะท้อนแสงจัดจ้าแบบสมบูรณ์ ส่วน "V" คือเวกเตอร์ที่ชี้ไปยังมุมมอง ค่าคงตัว "n" คือเลขชี้กำลังของฟ็อง ซึ่งเป็นค่าที่ให้ผู้ใช้เลือกได้ซึ่งจะควบคุมสมบัติความเรียบลื่นปรากฏของพื้นผิว
ในแบบจำลองการสะท้อนแบบบลิน–ฟ็องความสว่างของส่วนสว่างจัดจ้าคำนวณได้โดย
 <math>k_\mathrm{spec} = \|N\|\|H\|\cos ^n\beta = (\hat{N} \cdot \hat{H})^n</math>
โดย "N" คือแนวฉากของพื้นผิวเรียบลื่น และ "H" คือมุมกึ่งกลางระหว่างเวกเตอร์รังสี "L" และเวกเตอร์มุมมอง "V"
สมการเหล่านี้บ่งบอกเป็นนัยว่าการแจกแจงของแนวฉากพื้นผิวในระดับจุลภาคมีการแจกแจงแบบปรกติ หรือมีการแจกแจงแบบเพียร์สันประเภท 2 อย่างไรก็ตาม แม้ว่าแบบจำลองนี้จะพิสูจน์ได้ว่ามีประโยชน์และให้ผลลัพธ์ที่น่าเชื่อถือ แต่ก็ไม่ใช่แบบจำลองที่ยืนพื้นจากทฤษฎีทางฟิสิกส์
การแจกแจงแบบปกติ.
สามารถสร้างแบบจำลองการแจกแจงของแนวฉากพื้นผิวในระดับจุลภาคที่ดีขึ้นเล็กน้อยโดยใช้ การแจกแจงแบบปกติ โดยความสว่างของส่วนสว่างจัดจ้าสามารถคำนวณได้โดยใช้ฟังก์ชันนี้
 <math>k_{spec} = e^{- \left (\frac{\angle (N, H)}{m} \right)^2}</math>
โดยที่ "m" คือค่าคงตัวที่มีค่าระหว่าง 0 ถึง 1 ซึ่งแสดงถึงความเรียบลื่นปรากฏของพื้นผิว
การแจกแจงแบบเบ็กมัน.
แบบจำลองพื้นผิวในระดับจุลภาคที่ยืนพื้นตามหลักฟิสิกส์คือการแจกแจงแบบเบ็กมัน (Beckmann distribution) แม้ว่าฟังก์ชันนี้จะให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำมาก แต่ก็กินทรัพยากรในการคำนวณมาก
 <math>k_{spec} = \frac{1}{4m^2 \cos ^4 (N, H)} e^{ - \left (\frac{\tan (N, H)}{m} \right)^2 }</math>
โดยที่ "m" คือความเอียงเฉลี่ยของพื้นผิวในระดับจุลภาค
การแจกแจงแบบแอนไอโซทรอปิกของไฮดริช–ไซเดิล.
การแจกแจงแบบแอนไอโซทรอปิกของไฮดริช–ไซเดิล (Heidrich–Seidel anisotropic distribution) เป็นการแจกแจงแบบแอนไอโซทรอปิกอย่างง่ายและอิงตามแบบจำลองของฟ็อง ใช้สำหรับจำลองพื้นผิวที่มีร่องหรือเส้นใยเล็ก ๆ ขนานกัน เช่น โลหะขัดเงา ผ้าต่วน หรือ เส้นผม ความสว่างของส่วนสว่างจัดจ้าที่คำนวณโดยใช้การแจกแจงแบบนี้คือ
 <math>k_{spec} = \left [ \sin(L, T) \sin(V, T) - \cos(L, T) \cos(V, T) \right ] ^n</math>
โดยที่ "n" คือเลขชี้กำลังของฟ็อง "V" คือทิศทางการมอง "L" คือทิศทางของลำแสง และ "T" คือทิศทางของร่องขนานหรือเส้นใยที่จุดหนึ่งบนพื้นผิว
การแจกแจงแบบแอนไอโซทรอปิกของวอร์ด.
การแจกแจงแบบแอนไอโซทรอปิกของวอร์ด (Ward anisotropic distribution) ใช้พารามิเตอร์ที่ผู้ใช้ควบคุมได้สองตัวคือ "αx" และ "αy" สำหรับการควบคุมความเป็นแอนไอโซทรอปิก หากพารามิเตอร์ทั้งสองมีค่าเท่ากัน แสดงว่าเป็นส่วนสว่างจัดจ้าแบบไอโซทรอปิก
สูตรความสว่างสำหรับการแจกแจงแบบนี้คือ
 <math>k_{spec} = \frac{1}{\sqrt{(N\cdot L)(N \cdot V)}}\frac{N\cdot L}{4\alpha_x\alpha_y} \exp \left[ -2 \frac{\left(\frac{H\cdot X}{\alpha_x}\right)^2+\left(\frac{H\cdot Y}{\alpha_y}\right)^2}{1+(H\cdot N)} \right]</math>
ถ้า "N-L" < 0 หรือ "N-E" < 0 แสดงว่าพจน์การสะท้อนแสงจัดจ้าเป็นศูนย์ เวกเตอร์ทั้งหมดในที่นี้เป็นเวกเตอร์หน่วย เวกเตอร์ "V" คือเวกเตอร์จากจุดหนึ่งบนพื้นผิวไปยังจุดสังเกตการณ์ "L" คือทิศทางจากจุดบนพื้นผิวไปยังแหล่งกำเนิดแสง และ "H" คือทิศทางครึ่งมุม "N" คือแนวฉากพื้นผิว ส่วน "X" และ "Y" เป็นเวกเตอร์สองตัวที่ตั้งฉากกับระนาบแนวฉากซึ่งระบุทิศทางของความเป็นแอนไอโซทรอปิก
แบบจำลองของคุก-ทอร์เรนซ์.
แบบจำลองของคุก-ทอร์เรนซ์ (Cook–Torrance model) จะคำนวณส่วนสว่างจัดจ้าในรูปของ
 <math>k_{spec} = \frac{ DFG }{ E\cdot N }</math>
โดยในที่นี้ "D" คือพจน์การแจกแจงของเบ็กมัน
 <math>D=\frac{e^{-\left(\frac{\tan \alpha}{m}\right)^2}}{4 m^2 \cos^4\alpha}</math>
และ "F" คือพจน์ของแฟรแนล
 <math>F=(1.0+E.N)^\lambda\,</math>
"G" คือพจน์การลดทอนเชิงเรขาคณิต ซึ่งอธิบายถึงการให้แสงเงาในตัวเองภายในพื้นผิวระดับจุลภาค ซึ่งคำนวณโดย
 <math>G = \min\left(1,\frac{2(H\cdot N)(E\cdot N)}{E\cdot H},\frac{2(H\cdot N)(L\cdot N)}{E\cdot H}\right)</math>
ในสูตรเหล่านี้ "E" คือเวกเตอร์มุมมองของกล้องหรือจุดสังเกตการณ์ ในขณะที่ "H" คือเวกเตอร์มุมกึ่งกลางระหว่างจุดสังเกตการณ์กับแหล่งกำเนิดแสง ส่วน "L" คือเวกเตอร์ที่ชี้ไปยังแหล่งกำเนิดแสง และ "N" คือเวกเตอร์แนวฉาก ส่วน "α" คือมุมระหว่าง "H" และ "N"
การรวมหลายแบบจำลองเข้าด้วยกัน.
หากมีความจำเป็นเราสามารถคำนวณโดยใช้ค่าเฉลี่ยแบบถ่วงน้ำหนักของการแจกแจงแบบต่าง ๆ ได้ (โดยปกติจะใช้ฟังก์ชันการแจกแจงแบบเดียวกันแต่มีค่า "m" และ "n" ต่างกัน) ตัวอย่างเช่น สร้างแบบจำลองพื้นผิวที่เรียบและมีความขรุขระเล็กน้อยแทนที่จะสร้างแบบจำลองพื้นผิวที่ขรุขระไปทั้งหมด