Widmo · 380–750 nmFoton · 1,65–3,26 eVAtom · 0,1 nmModele · fala i porcja
Rozdział 1 / Światło

Czym właściwie jest światło

W rendererze światło to liczba RGB na promieniu. W świecie to fala pola elektromagnetycznego o długości kilku tysięcy średnic atomu, która na dodatek przychodzi porcjami — i oba te fakty będą ci potrzebne.

TL;DR
Co widzisz · pryzmat i lampa sodowa

Fala, która niesie kolor

Przełóż białe światło przez pryzmat i rozłoży się w ciągłą wstęgę barw, od fioletu do czerwieni, bez żadnych przerw. Zapal obok lampę sodową uliczną i przełóż jej światło przez ten sam pryzmat — dostaniesz jedną, ostrą, pomarańczową kreskę. Prawie żadnego innego koloru. Ten kontrast jest pierwszym śladem tego, czym naprawdę jest światło.

Białe światło żarówki to mieszanka fal elektromagnetycznych o wszystkich długościach naraz, w proporcjach opisanych ciągłą krzywą. Lampa sodowa emituje niemal wyłącznie jedną długość, 589 nanometrów, bo elektrony w atomach sodu przeskakują między dwoma konkretnymi poziomami energii i nic innego po drodze im się nie zdarza — do tego przeskoku wrócimy w rozdziałach o atomie. Na razie ważne jest samo pojęcie: światło jest falą, a długość tej fali, λ, jest tym, co fizycznie odróżnia jedną barwę od drugiej.

Żarówka: widmo ciągłe, wszystkie długości fali naraz.

Różnica między tymi trzema widmami nie jest kwestią gustu producenta lampy. Żarówka grzeje włókno do żaru — a rozgrzane ciało stałe emituje wszystkie długości fali naraz, bo drgania atomów w sieci krystalicznej nie są ograniczone do kilku ściśle wybranych częstotliwości. Sód i neon w rurce wyładowczej to osobne atomy w gazie, każdy z własnym, dyskretnym zestawem dozwolonych poziomów energii — dlatego świecą tylko na tych kilku długościach, które akurat pasują do różnicy między poziomami, i na żadnej innej.

Fala ma też częstotliwość f — liczbę drgań na sekundę — i obie wielkości wiąże ze sobą prędkość, z jaką fala się porusza:

c = λ · f c — prędkość światła w próżni, λ — długość fali, f — częstotliwość. Im krótsza fala, tym wyższa częstotliwość — iloczyn jest stały.

Dla zieleni przy 550 nanometrów wychodzi f ≈ 5,45·10¹⁴ Hz — pole zmienia kierunek pięćset bilionów razy na sekundę, czyli co T ≈ 1,8 femtosekundy. Żaden układ elektroniczny nie zarejestruje pojedynczego drgania tej fali; wszystko, co matryca albo oko mierzy, jest już uśrednione po miliardach takich okresów.

Widmo elektromagnetyczneskala logarytmiczna długości fali
550 nm
gamma rentgen UV podczerwień fale radiowe widzialne · 380–750 nm wąska szczelina w całym widmie długie fale, mała energia fotonu krótkie fale, duża energia fotonu
550 nm · światło widzialne — f ≈ 5,45·10¹⁴ Hz, T ≈ 1,82·10⁻¹⁵ s, E_γ ≈ 2,25 eV.

Zwróć uwagę, jak wąski jest pasek światła widzialnego na tle całego widma — kilkanaście pikseli na rysunku obejmującym trzynaście rzędów wielkości. Radio, mikrofale, podczerwień, ultrafiolet, rentgen i gamma to dokładnie ta sama fala EM, różniąca się tylko λ i f. Fakt, że akurat ten wąski wycinek jest dla nas „światłem”, nie jest przypadkiem — wraca w bloku „Zaawansowane” niżej.

Skala · fala kontra atom

Fala jest ogromna wobec tego, co mija

Atom ma średnicę rzędu 0,1 nanometra; jego jądro jest jeszcze pięćdziesiąt tysięcy razy mniejsze. Fala widzialna o długości 550 nanometrów jest więc od pojedynczego atomu większa o czynnik rzędu pięciu tysięcy. To nie jest drobna różnica skali — to jest różnica, która decyduje, jak fala „widzi” materię.

Dla fali o takiej długości pojedynczy atom jest niewidoczny — zbyt mały, żeby cokolwiek z nim „zrobić” osobno. Fala reaguje dopiero na uporządkowane zbiorowości atomów, warstwy grubości ułamka swojej długości. To dlatego szkło, mimo że zbudowane z dyskretnych atomów oddalonych od siebie o dziesiąte części nanometra, zachowuje się dla światła jak ośrodek gładki i ciągły — a nie jak chmura drobnych przeszkód rozpraszających je we wszystkie strony. Do tej właśnie różnicy skali wrócimy w rozdziale o tym, dlaczego szkło jest przezroczyste, a mgła nie.

Ta sama proporcja — rozmiar przeszkody względem λ — wraca w tej książce bez końca i rozstrzyga rzeczy z pozoru odległe od siebie: dlaczego niebo jest niebieskie, a mgła biała (Rozdział 13), i dlaczego przymykanie przysłony w pewnym momencie przestaje poprawiać ostrość (Tom 2, Rozdział 10).

Skale, które się porównująoś logarytmiczna
0,1 nm 10 nm 1 µm 100 µm 1 cm atom · 0,1 nm N₂ · 0,3 nm wirus · 100 nm λ światła · 550 nm włos · 70 µm każdy krok w prawo to dziesięciokrotność
Fala światła jest tysiące razy większa od atomu i tysiące razy mniejsza od włosa — dokładnie pośrodku między dwiema skalami, którymi zwykle myślisz.
Porcje · foton

Ta sama fala, policzona w porcjach

Fala tłumaczy dyfrakcję, interferencję i polaryzację — wszystko, co spotkasz w dalszej części tomu. Nie tłumaczy jednak jednej rzeczy: dlaczego matryca albo oko rejestrują światło ziarniście, jakby przychodziło porcjami, a nie ciągłym strumieniem. Przy bardzo słabym oświetleniu czujnik nie rejestruje coraz słabszego sygnału — rejestruje coraz rzadsze, pojedyncze zdarzenia. Ta porcja nazywa się fotonem.

Foton nie jest kulką lecącą po torze — to najczęstszy błąd w wyobrażaniu go sobie. Jest to po prostu ilość energii, jaką fala danej częstotliwości może oddać albo zabrać za jednym razem, i nic więcej. Energia jednego fotonu rośnie wprost proporcjonalnie do częstotliwości fali:

E_γ = h · f = hc / λ E_γ — energia fotonu, h — stała Plancka, f — częstotliwość, c — prędkość światła, λ — długość fali. Wygodna wersja liczbowa: E_γ[eV] ≈ 1240 / λ[nm].

Dla granic widma widzialnego wychodzi 1,65 eV przy 750 nm i 3,26 eV przy 380 nm — zielone 550 nm daje 2,25 eV. To skala energii chemicznych wiązań, nie przypadkiem: przekonasz się o tym w bloku „Zaawansowane” niżej i w rozdziałach o tym, jak materia w ogóle reaguje na światło. Matryca w kamerze dosłownie liczy te porcje — każdy piksel zlicza fotony, które w niego trafiły w czasie ekspozycji, a szum, który widzisz w cieniach nocnego ujęcia, jest w dużej mierze statystyką zliczania zbyt małej ich liczby. Mechanizm tego liczenia rozwija Tom 2, Rozdział 27.

Fala i foton nie są dwiema konkurującymi teoriami światła między którymi trzeba wybrać. Są dwoma opisami tej samej rzeczy, każdy wygodny do innych pytań: fala odpowiada, gdzie światło trafi i jak się rozłoży w przestrzeni, foton — ile energii niesie pojedyncze zdarzenie rejestracji. Renderer spektralny i matryca w kamerze używają obu opisów naraz, bez sprzeczności — i nie ma tu żadnego głębszego paradoksu, o którym trzeba filozofować. „Falo-cząstkowy dualizm” brzmi tajemniczo tylko dopóki nie zapytasz wprost, do czego akurat potrzebujesz odpowiedzi: do rozkładu energii w przestrzeni, czy do tego, jak duże porcje ta energia tworzy.

Warto też z góry odrzucić drugi obrazek, równie kuszący co błędny: że foton jest małą kulką, która leci po prostej niczym pocisk, tyle że bardzo mała. Ten model natychmiast psuje się przy pierwszym pytaniu o dyfrakcję czy interferencję — zjawiskach, które wymagają fali z fazą, a nie punktowej cząstki. Bezpieczniejszy obraz w głowie: to zawsze jest fala, a „foton” to tylko nazwa dla tego, w jak dużych porcjach ta fala oddaje albo pobiera energię przy oddziaływaniu z materią.

Kolor · wielkość, nie nazwa

Kolor to nie długość fali

Skoro λ jest fizyczną miarą barwy, kuszące jest powiedzieć, że „kolor to długość fali”. To skrót, który w tej książce trzeba od razu odrzucić. Prawdziwe światło, poza laserem czy lampą sodową, niesie całe widmo naraz — mieszankę wielu długości fali w różnych proporcjach. To, co nazywasz kolorem, jest odpowiedzią twojego oka (albo matrycy) na tę całą mieszankę, skompresowaną do zaledwie trzech liczb.

Oko ma trzy typy czopków, każdy z inną krzywą czułości na długość fali — w przybliżeniu krótkofalowy, średniofalowy i długofalowy. Matryca robi dokładnie to samo trzema filtrami barwnymi przed pikselami. Dowolne widmo, choćby najbardziej poszarpane, sprowadza się do trzech liczb: ile odpowiedziała każda z trzech krzywych.

Widmo → trzy odpowiedzi → jeden kolorkształt krzywych, nie ich barwa
WIDMO WEJŚCIOWE 380 750 nm TRZY CZUŁOŚCI OKA / MATRYCY S M L WYNIK jeden kolor sRGB trzy liczby zamiast widma
Krzywe czułości są tu narysowane w kolorze raster, bo liczy się ich kształt jako filtra — nie fizyczna barwa, której same nie mają.

Stąd bierze się metameria: dwa różne widma, które dają identyczną trójkę odpowiedzi, wyglądają dla ciebie jako dokładnie ten sam kolor, mimo że fizycznie są zupełnie różnymi mieszankami fal. To codzienność w produkcji — próbka farby dopasowana pod światło dzienne potrafi „zejść” pod żarówką LED, bo widma są różne, choć w jednym oświetleniu dawały ten sam odczyt. Ten temat, łącznie z tym, jak renderery reprezentują kolor i dlaczego trzy kanały czasem nie wystarczają, rozwija lookdev-book.

Konsekwencje dla rendererów widmowych kontra RGB — Rozdział 16 (dyspersja) i Rozdział 24 (powłoki), Tom 2.

Z praktyki

Renderer RGB kontra spektralny: co tracisz przy trzech „długościach fali”. Renderer trzykanałowy udaje, że każdy piksel niesie dokładnie trzy liczby — czerwień, zieleń, błękit jako reprezentanci trzech pasm. To wystarcza, dopóki liczysz proste odbicia. Zaczyna kłamać, gdy w scenie pojawia się coś, co reaguje na widmo w sposób nieliniowy w wąskim zakresie: dyspersja w pryzmacie albo szkle o dużej mocy, cienkowarstwowa powłoka, sód uliczny. Renderer spektralny dzieli widmo na kilkanaście do kilkudziesięciu pasm i dopiero na końcu konwertuje do RGB — drożej, ale poprawnie.

Lampa sodowa jest pułapką przy zgraniu koloru. Ponieważ emituje niemal jedną długość fali, żadna korekcja bilansu bieli nie odtworzy pod nią neutralnych kolorów — nie ma tam widma, z którego dałoby się je „wydobyć”. Jeśli w kadrze jest lampa sodowa, licz się z tym, że wszystko poza jej wąskim pasmem po prostu wyjdzie martwe.

Kiedy licznik fotonów w rendererze zaczyna szumieć, to nie bug. Przy niskich poziomach światła zliczasz dosłownie pojedyncze porcje energii — im mniej próbek na piksel, tym bliżej jesteś realnego szumu śrutowego matrycy, nie artefaktu silnika.

Słowniczek
widmo elektromagnetyczne
Pełny zakres fal EM od radiowych po gamma, różniących się wyłącznie długością fali i częstotliwością. Światło widzialne to wąski wycinek: 380–750 nm.
długość fali (λ) i częstotliwość (f)
Dwie powiązane miary fali: c = λ·f. Krótsza fala oznacza wyższą częstotliwość i wyższą energię fotonu.
foton i elektronowolt (eV)
Foton to porcja energii niesiona przez falę o danej częstotliwości, E_γ = hc/λ. Elektronowolt jest wygodną jednostką energii w tej skali — światło widzialne mieści się między 1,65 a 3,26 eV.
kolor ≠ długość fali
Kolor jest odpowiedzią trzech typów czopków (albo trzech kanałów matrycy) na całe widmo naraz, nie fizyczną wielkością samego światła. Dwa różne widma mogą dać identyczny kolor — to metameria.
Idź głębiej
Dodatek A — Maxwell bez strachu Dodatek M — Słownik pojęć Tomu 1 PL–EN