Диффузное отражение

Диффузным^[3][4][5] отражение становится в том случае, если неровности поверхности имеют порядок длины волны (или превышают её) и расположены беспорядочно^[6][7][8]. Критерием неровности поверхности по отражению является критерий Рэлея:

${\displaystyle h<{\frac {\lambda }{8\cos \phi }},}$

где ${\displaystyle h}$ — высота неровностей;

${\displaystyle \lambda }$ — длина волны падающего света;

${\displaystyle \phi }$ — угол падения на поверхность.

Одна и та же поверхность может быть матовой, диффузно-отражающей для коротковолнового излучения но гладкой и зеркально-отражающей для длинноволнового. В случае смешанного отражения света часть излучения отражается зеркально, а часть — диффузно.

Возможно диффузное отражение и от гладких поверхностей, если в прозрачной среде материала поверхности имеются центры рассеивания света — неоднородности, например, полированный белый мрамор или поверхность молока.

Абсолютное большинство поверхностей отражает диффузно. Диффузное отражение также является основой нашего зрения. Именно рассеянный от объекта свет мы можем наблюдать с разных сторон. Отражённое же излучение может быть зафиксировано лишь под определённым углом.

Для оценок светорассеивающих характеристик реальных объектов вводится коэффициент дифракционного отражения^[2], который вводится как отношение светового потока, отражённого от данной поверхности к световому потоку, отражённому от идеального рассеивателя. Коэффициент диффузного отражения (или альбедо) может быть измерен с помощью:

• Спектрофотометров с интегрирующей сферой — позволяют измерить спектральную зависимость коэффициента отражения (например, для всех длин волн видимого диапазона).
• Двунаправленных рефлектометров — измеряют отражение в конкретном направлении при конкретном угле падения (BRDF — двунаправленная функция распределения отражения).

Спектральный состав, коэффициент дифракционного отражения и индикатриса яркости дифракционного отражения зависит от обеих форм рассеяния — поверхностного и объёмного.

Идеально рассеивающая поверхность^[9][10] (идеально матовая) имеет яркость во всех направлениях одинаковую, не зависящую от условий освещения. Такая поверхность также называется Ламбертовской поверхностью, так как описывается законом Ламберта^[11]:

${\displaystyle I=I_{0}\cos(\theta )}$

Здесь ${\displaystyle I_{0}}$- максимальная интенсивность света, то есть сила света, наблюдаемая в направлении нормали к рассеивающей поверхности. ${\displaystyle I}$ — интенсивность света, наблюдаемая под углом ${\displaystyle \theta }$ к нормали.

Из приведённой выше формулы вытекает, что для Ламбертовской поверхности существует простая связь между светимостью ${\displaystyle M}$ и яркостью ${\displaystyle L}$:

${\displaystyle M=\pi *L}$.

${\displaystyle M}$ (светимость) — это полный световой поток, излучаемый с единицы площади поверхности во всех направлениях.

${\displaystyle L}$ (яркость) — это сила света, излучаемая с единицы площади в заданном направлении. Ключевое свойство ламбертовской поверхности в том, что её яркость постоянна и не зависит от угла наблюдения.

Также яркость поверхности, которая рассеивает свет по Ламберту, можно рассчитать по формуле:

${\displaystyle L=(\rho *E)/\pi }$.

${\displaystyle \rho }$ (альбедо) — это коэффициент, который показывает, какая часть падающего света рассеивается поверхностью (от 0 для абсолютно чёрного тела до 1 для абсолютно белого).

${\displaystyle E}$ — это освещённость, создаваемая падающим на поверхность светом.

Отражение от реальных объектов всегда содержит как диффузную, так и зеркальную составляющую. Кроме того, индикатриса рассеяния зависит от характера шероховатости. Поэтому помимо модели рассеяния Ламберта в физических расчётах и в компьютерной графике могут использоваться и другие. Среди них эмпирические модели Фонга и Блинна-Фонга, а также модели Кука-Торренса и Орена-Найара.