ส วนสว างจ ดจ า specular highlight ค อ ภาพสะท อนแบบในกระจกของแหล งกำเน ดแสงซ ง แสงจากแหล งกำเน ดแสงจะสะท อนก บท ม ความวา

ส่วนสว่างจัดจ้า (specular highlight) คือ ภาพสะท้อนแบบในกระจกของแหล่งกำเนิดแสงซึ่ง แสงจากแหล่งกำเนิดแสงจะสะท้อนกับที่มีความวาว

ส่วนสว่างจัดจ้าบนผิวทรงกลมที่สร้างใน 3DCG

ส่วนสว่างจัดจ้าทรงกลมแบบสมจริงในลูกโบว์ลิ่ง

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

k_{\mathrm {spec} }=\|R\|\|V\|\cos ^{n}\beta =({\hat {R}}\cdot {\hat {V}})^{n}

โดยที่ R คือเวกเตอร์ที่ชี้ไปยังมุมที่มีการสะท้อนแสงจัดจ้าแบบสมบูรณ์ ส่วน V คือเวกเตอร์ที่ชี้ไปยังมุมมอง ค่าคงตัว n คือเลขชี้กำลังของฟ็อง ซึ่งเป็นค่าที่ให้ผู้ใช้เลือกได้ซึ่งจะควบคุมสมบัติความเรียบลื่นปรากฏของพื้นผิว

ในความสว่างของส่วนสว่างจัดจ้าคำนวณได้โดย

k_{\mathrm {spec} }=\|N\|\|H\|\cos ^{n}\beta =({\hat {N}}\cdot {\hat {H}})^{n}

โดย N คือแนวฉากของพื้นผิวเรียบลื่น และ H คือมุมกึ่งกลางระหว่างเวกเตอร์รังสี L และเวกเตอร์มุมมอง V

สมการเหล่านี้บ่งบอกเป็นนัยว่าการแจกแจงของแนวฉากพื้นผิวในระดับจุลภาคมีการแจกแจงแบบปรกติ หรือมี อย่างไรก็ตาม แม้ว่าแบบจำลองนี้จะพิสูจน์ได้ว่ามีประโยชน์และให้ผลลัพธ์ที่น่าเชื่อถือ แต่ก็ไม่ใช่แบบจำลองที่ยืนพื้นจากทฤษฎีทางฟิสิกส์

การแจกแจงแบบปกติ

สามารถสร้างแบบจำลองการแจกแจงของแนวฉากพื้นผิวในระดับจุลภาคที่ดีขึ้นเล็กน้อยโดยใช้ การแจกแจงแบบปกติ โดยความสว่างของส่วนสว่างจัดจ้าสามารถคำนวณได้โดยใช้ฟังก์ชันนี้

k_{spec}=e^{-\left({\frac {\angle (N,H)}{m}}\right)^{2}}

โดยที่ m คือค่าคงตัวที่มีค่าระหว่าง 0 ถึง 1 ซึ่งแสดงถึงความเรียบลื่นปรากฏของพื้นผิว

การแจกแจงแบบเบ็กมัน

แบบจำลองพื้นผิวในระดับจุลภาคที่ยืนพื้นตามหลักฟิสิกส์คือการแจกแจงแบบเบ็กมัน (Beckmann distribution) แม้ว่าฟังก์ชันนี้จะให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำมาก แต่ก็กินทรัพยากรในการคำนวณมาก

k_{spec}={\frac {1}{4m^{2}\cos ^{4}(N,H)}}e^{-\left({\frac {\tan(N,H)}{m}}\right)^{2}}

โดยที่ m คือความเอียงเฉลี่ยของพื้นผิวในระดับจุลภาค

การแจกแจงแบบแอนไอโซทรอปิกของไฮดริช–ไซเดิล

การแจกแจงแบบแอนไอโซทรอปิกของไฮดริช–ไซเดิล (Heidrich–Seidel anisotropic distribution) เป็นการแจกแจงแบบแอนไอโซทรอปิกอย่างง่ายและอิงตามแบบจำลองของฟ็อง ใช้สำหรับจำลองพื้นผิวที่มีร่องหรือเส้นใยเล็ก ๆ ขนานกัน เช่น โลหะขัดเงา หรือ เส้นผม ความสว่างของส่วนสว่างจัดจ้าที่คำนวณโดยใช้การแจกแจงแบบนี้คือ

k_{spec}=\left[\sin(L,T)\sin(V,T)-\cos(L,T)\cos(V,T)\right]^{n}

โดยที่ n คือเลขชี้กำลังของฟ็อง V คือทิศทางการมอง L คือทิศทางของลำแสง และ T คือทิศทางของร่องขนานหรือเส้นใยที่จุดหนึ่งบนพื้นผิว

การแจกแจงแบบแอนไอโซทรอปิกของวอร์ด

การแจกแจงแบบแอนไอโซทรอปิกของวอร์ด (Ward anisotropic distribution) ใช้พารามิเตอร์ที่ผู้ใช้ควบคุมได้สองตัวคือ α_x และ α_y สำหรับการควบคุมความเป็นแอนไอโซทรอปิก หากพารามิเตอร์ทั้งสองมีค่าเท่ากัน แสดงว่าเป็นส่วนสว่างจัดจ้าแบบไอโซทรอปิก

สูตรความสว่างสำหรับการแจกแจงแบบนี้คือ

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]

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

k_{spec}={\frac {DFG}{E\cdot N}}

โดยในที่นี้ D คือพจน์การแจกแจงของเบ็กมัน

D={\frac {e^{-\left({\frac {\tan \alpha }{m}}\right)^{2}}}{4m^{2}\cos ^{4}\alpha }}

และ F คือพจน์ของแฟรแนล

F=(1.0+E.N)^{\lambda }\,

G คือพจน์การลดทอนเชิงเรขาคณิต ซึ่งอธิบายถึงการให้แสงเงาในตัวเองภายในพื้นผิวระดับจุลภาค ซึ่งคำนวณโดย

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)

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

อ้างอิง

Richard Lyon, "Phong Shading Reformulation for Hardware Renderer Simplification", Apple Technical Report #43, Apple Computer, Inc. 1993 PDF
(ed). An Introduction to Ray Tracing. San Diego: Academic Press Ltd, 1989. p. 148.
Foley et al. . Menlo Park: Addison-Wesley, 1997. p. 764.
R. Cook and K. Torrance. "A reflectance model for computer graphics". Computer Graphics (SIGGRAPH '81 Proceedings), Vol. 15, No. 3, July 1981, pp. 301–316.

อ่านเพิ่ม

[1] Richard Lyon, "Phong Shading Reformulation for Hardware Renderer Simplification", Apple Technical Report #43, Apple Computer, Inc. 1993 PDF

[2] (ed). An Introduction to Ray Tracing. San Diego: Academic Press Ltd, 1989. p. 148.

[3] Foley et al. . Menlo Park: Addison-Wesley, 1997. p. 764.

[CookTorrance-4] R. Cook and K. Torrance. "A reflectance model for computer graphics". Computer Graphics (SIGGRAPH '81 Proceedings), Vol. 15, No. 3, July 1981, pp. 301–316.