Heijastuksia luonnosta

Vietimme päivän veneretkellä pari tuntia Thirasia saaren vanhassa satamassa, jossa on paljon meren herkkuihin erikoistuneita ravintoloita poukamassa, jonka vesi on erityisen kirkasta tulivuoren muodostaman kivipohjan ansiosta. Syötyämme ehdin vielä pikaisesti tallentaa meren visuaalisia herkkuja ja polarisaatiosuodin toimi tässä veden pinnan heijastusten poistamiseen, joten veden kirkkaus tulee paremmin esille. Joissakin kohdissa meren pohja oli vielä vaaleampaa ja auringon suunnalta olisi saanut hieman paremman lopputuloksen, mutta halusin kuvaan myös yhden rannassa olleista värikkäistä veneistä.

Viime postauksessa esitimme yksinkertaisen mallin ympäristön valon laadun hahmottamiseen silmämääräisesti. Tällä kertaa yritämme ymmärtää miten tämä ympäristöstä tuleva valo heijastuu kohteesta digitaalikameran sensoriin. Normaalin valokuvauksen kannalta ei ole tarpeellista hahmottaa kvanttimekaniikkaa, vaan jälleen tietokonegrafiikan historiasta kaivamme makrotason havaintoihin sovitetun yksinkertaisen Phongin valaistusmallin.

Kyseinen valaistusmalli jakaa kappaleesta heijastuvan valon yleistason lisäksi 1. diffuusin heijastuksen (en tiedä näiden oikeita suomenkielisiä vastineita) ja 2. spekulaarin heijastuksen summaksi kullekin pistemäiselle valonlähteelle. Superpositioperiaate fysiikasta pätee normaalitilanteiden rajoissa eli voimme jakaa fotonit eri tavoin komponenteiksi, käsitellä näiden käyttäytyminen erikseen ja lopuksi summata vaikutukset kamerassa. Esimerkiksi eri valonlähteitä tai taajuusalueita, jotka vaikuttavat nähtyyn väriin, voidaan tarkastella itsenäisesti. Kuten edellisessä kirjoituksessa totesimme, normaaleissa tilanteissa emme voi ajatella valon tulevan vain muutamasta pistemäisestä lähteestä, mutta lineaarisuuden nojalla voisimme kuvitella integroivamme infinitesimaalisista osista koko ympäristön ”valokartan” vaikutuksen.

Phongin mallissa diffuusin heijastuksen voidaan ajatella vastaavan mattapintaisen kappaleen värin muodostavaa säteilyä. Sen voimakkuus kullekin valonlähteelle riippuu lineaarisesti kussakin pinnan pisteessä normalisoidun pintanormaalin ja pinnasta valonlähteeseen kohdistuvan normalisoidun vektorin pistetulosta. Diffuusi heijastus jakautuu tasaisesti joka suuntaan eikä siis riipu kameran paikasta. Toiseksi, eri pintarakenteet absorboivat eri taajuuksia valosta ja jäljelle jäävä taajuusjakauma määrittää kappaleelle ominaisen värin (, joka tietenkin riippuu myös valonlähteestä tulevista taajuuksista). Pistetulo on helppo tulkita siten, että pinnan kirkkaus kuhunkin suuntaan riippuu siitä, kuinka suuri vuo valoa kulkee yksikköpinta-alaa kohden pinnan läpi eli kirkkaimmillaan pinta on kohtisuoraan valonlähteeseen ja tummenee kulman kosinin mukaan, kun pinta kääntyy sivulle valosta. Läpinäkymättömän kappaleen varjopuolelle valoa ei saavu. Aivomme osaavat mm. tämän sävytyksen perusteella antaa kappaleille niiden ominaisen kolmiulotteisen muodon, kun valo ei tule tasaisesti joka suunnasta, jolloin kappale olisi yksivärinen ja lättänä.

Spekulaari heijastus taas vastaa kiiltävien kappaleiden heijastuksia, jotka riippuvat jokaiselle valonlähteelle kunkin pinnan pisteen normalisoidun kameran suuntaisen vektorin ja peilimäisesti heijastuneen valonsäteen suuntaisen normalisoidun vektorin pistetulosta. Toisin sanoen tämä heijastuksen komponentti muuttuu, kun kameraa liikutetaan, eikä siten vaikuta ihmissilmälle olevan olion itsensä ominaisuus kuten diffusoituneen heijastuksen aikaansaama väri. Spekulaari heijastus voi myös tietystä kulmasta olla huomattavasti voimakkaampi kuin diffusoitunut heijastus, koska valo ei ole jakaantunut tasaisesti eri suuntiin. Tästä syystä spekulaarit heijastukset ovatkin usein ei-toivottuja valokuvauksessa, koska haluaisimme valottaa kuvan mahdollisimman kirkkaaksi hyödyntäen sensorin dynaamisen alueen kuitenkaan ylivalottamatta kirkkaita kohtia. Esimerkiksi salama saattaa heijastua taustalla olevasta lasipinnasta häiritsevästi tai jossain määrin kiiltävä pinta voi palaa puhki. Tällöin kameran kulmaa muuttamalla voi yrittää vähentää haitallisia heijastuksia. Yleensä näiltä heijastuksilta ei voi täysin välttyä ja tietyissä tilanteissa ne saattavat olla toivottujakin. Kuitenkin, pienet pistemäiset spekulaarit heijastukset ovat usein niin kirkkaita, että on mahdotonta olla yhdellä valotuksella ylivalottamatta niitä ellei halua koko kuvan muuttuvan pimeäksi muilta osin. Tästä syystä näiden pienten heijastusten annetaan tyypillisesti vain yksinkertaisesti ylivalottua ja kun pyritään valottamaan kuva tietyn kohteen mukaan, diffuusi heijastus mitataan pistemittauksella kohteen kohdalta esimerkiksi keskiharmaalla tai valkoisella kortilla kirkkaimman valon suuntaan. Tämä takaa, että kyseisen kappaleen ominaisuuksia heijastavat diffuusit heijastukset valottuvat kuvassa oikein kyseisessä kohdassa kuvattavaa paikkaa. Koska diffuusi heijastus ei riipu kameran suunnasta, voidaan tällaisessa tilanteessa kamera asettaa manuaalivalotukselle, säätää valotus kerran kohteelle ja kuvata vapaasti mielivaltaisista kulmista ja ympäristöistä kohteen valottuen sensorille vakiokirkkaudella, olettaen, että ympäristön valaistuksessa ei ole tapahtunut muutoksia, kuten vaikkapa pilven siirtymistä auringon eteen.

Voidaan siis ajatella, että yhdistämme diffuusin heijastuksen itse heijastavan kappaleen ominaisuuksiin, etenkin kun näkösysteemimme osaa automaattisesti korjata valon värin vaikutusta eri pinnoille, mistä syystä tarvitsemme kuvissakin valkotasapainoasetuksen ja fysikaalista tilannetta vastaava väri vaikuttaisi ruudulta katsoen eri kontekstissa epäluonnolliselta. Joskus tosin voidaan käyttää esimerkiksi keskipäivän valon valkotasapainoa vaikkapa ilta-auringon valaisemassa tilanteessa korostamaan tunnelmaa.

Arvatakseni läpinäkyvät aineet kuten vesi ja ilma voidaan ajatella kussakin kohdassa jakautuvan heijastuvan valon ja läpi menevän valon komponentteihin riippuen aineen läpinäkyvyyden asteista. Yritin valottaa yllä olevan kuvan mahdollisimman kirkkaaksi, jotta pääosassa oleva meri tulisi paremmin esiin, joten veneen auringon puoleinen sivu aavistuksen ylivalottui, vaikka polarisaatiosuodin mielestäni auttaa jonkin verran näihinkin heijastuksiin. Koska veneen sivu on kuitenkin lähes yksivärinen, ei se ehkä kuitenkaan täysin pilaa tätä kuvaa ja pienellä jälkikäsittelyllä ongelman voi tehdä lähes huomaamattomaksi.