Odbicie · ~4% / powierzchnięPowierzchni · 20–40Z powłoką · ~0,2%Stąd · flara
Rozdział 3 / Światło

Fresnel: dlaczego każda powierzchnia szkła świeci

Niepowlekana powierzchnia szkła odbija cztery procent światła. Obiektyw ma ich trzydzieści. To jedno zdanie wyjaśnia flarę, ghosting i połowę różnicy między szkłem z 1970 a z 2020 roku.

TL;DR
Obserwacja · widzisz to codziennie

Szkło nie jest przezroczyste

Wieczorem, przy zapalonym świetle, spójrz w okno. Widzisz siebie. Nie tak wyraźnie jak w lustrze, ale wyraźnie dość, żeby poprawić włosy. To odbicie nie bierze się z brudu na szybie ani z tego, że za oknem jest ciemno — bierze się stąd, że szkło zawsze odbija część światła, które w nie uderza. W dzień po prostu tego nie zauważasz, bo obraz z zewnątrz jest kilkaset razy jaśniejszy od twojego odbicia.

To samo dzieje się w każdym obiektywie, jaki kiedykolwiek trzymałeś w ręku. Różnica jest wyłącznie taka, że w oknie masz dwie powierzchnie, a w obiektywie kilkadziesiąt — i że w obiektywie to odbite światło nie ucieka do pokoju, tylko zostaje uwięzione w metalowej tubie.

Przyczyna jest prostsza, niż się wydaje, i nie ma nic wspólnego z jakością wykonania. Światło zmienia prędkość, kiedy przechodzi z jednego ośrodka do drugiego — z powietrza do szkła zwalnia mniej więcej półtora raza. Każda taka zmiana jest nieciągłością, a fala, która natrafia na nieciągłość, częściowo przez nią przechodzi, a częściowo zawraca. Dokładnie tak samo zachowuje się fala na sznurze, kiedy dobiega do miejsca, w którym cienki sznur przechodzi w gruby.

Ile dokładnie zawraca, mówi wzór, który w grafice komputerowej znasz z zupełnie innej strony — to ten sam Fresnel, który w shaderze decyduje o tym, że mokry asfalt jaśnieje pod płaskim kątem. Przy padaniu prostopadłym do powierzchni ma najprostszą możliwą postać:

R = ( (n₁ − n₂) / (n₁ + n₂) )² R — ułamek natężenia, który zawraca. n₁, n₂ — współczynniki załamania po obu stronach granicy. Wzór obowiązuje tylko dla padania prostopadłego; kąt zmienia wszystko i wrócimy do tego za dwie sekcje.

Podstaw powietrze i typowe szkło kronowe — n₁ = 1,00, n₂ = 1,52 — i wychodzi 0,0426, czyli 4,3 procent. Ta liczba jest w tej książce ważniejsza niż jakakolwiek inna. Zapamiętaj ją jako „cztery procent na powierzchnię”; wszystko, co dzieje się dalej, jest tylko mnożeniem tej liczby przez liczbę powierzchni i przez liczbę sposobów, na jakie światło może się między nimi odbić.

Granica powietrze–szkłopadanie bliskie prostopadłemu
szkło · n = 1,52 powietrze · n = 1,00 normalna 100% 96% przechodzi 4% zawraca θ θ′
Jedna powierzchnia, jedno rozstanie. Cztery procent nie jest defektem — jest właściwością granicy.

Zwróć uwagę, że nie ma tu żadnego założenia o tym, jak dobre jest szkło. Fresnel nie pyta o cenę obiektywu ani o rok produkcji. Pyta wyłącznie o to, o ile zmienia się współczynnik załamania — a ponieważ wszystkie szkła optyczne mieszczą się mniej więcej między 1,45 a 1,95, wszystkie odbijają podobnie dużo. Szkło o wyższym współczynniku, którego konstruktorzy używają do korygowania aberracji, odbija nawet więcej: dla n = 1,80 wychodzi już 8,2 procent na powierzchnię.

Pełne wzory Fresnela dla obu polaryzacji, z wyprowadzeniem i z przybliżeniem Schlicka używanym w shaderach — Dodatek B.

Rachunek · mnożenie się mści

Trzydzieści powierzchni

Cztery procent na jednej granicy brzmi niegroźnie. Problem w tym, że obiektyw nie ma jednej granicy. Ma ich tyle, ile powierzchni szkła stoi na drodze światła — a ponieważ każda soczewka ma przód i tył, liczba powierzchni to podwojona liczba soczewek, minus te, które konstruktor skleił ze sobą.

Prosty portretowy obiektyw z lat pięćdziesiątych ma sześć albo siedem soczewek, czyli kilkanaście powierzchni. Współczesna jasna stałka ma ich dziesięć do trzynastu. Kinowy zoom potrafi mieć dwadzieścia dwie soczewki, a po odjęciu sklejek i tak zostaje ponad trzydzieści granic powietrze–szkło. Sklejanie dwóch soczewek balsamem albo klejem optycznym nie jest wyłącznie zabiegiem korekcyjnym — to także sposób na skasowanie dwóch powierzchni, bo granica szkło–klej–szkło odbija dziesięć razy słabiej niż granica szkło–powietrze.

Przepuszczalność liczy się przez mnożenie. Każda powierzchnia przepuszcza 95,7 procent tego, co do niej dotarło, więc dla czternastu powierzchni dostajesz 0,957 podniesione do czternastej potęgi:

Obiektyw bez powłok, 7 soczewek

powierzchni = 7 × 2 = 14

przepuszczalność jednej = 1 − 0,043 = 0,957

przepuszczalność całości = 0,95714 = 0,54

strata = 46% światła

Sprawdzenie na jasności: obiektyw oznaczony f/1,4 przepuszczający 54% światła zachowuje się jak T/1,9 — prawie cała przysłona różnicy. To nie jest zaokrąglenie, to jest jedna z tych liczb, przez które operator wybiera szkło.

Dla zoomu z trzydziestoma powierzchniami ten sam rachunek daje 0,95730 = 0,27. Dwadzieścia siedem procent. Trzy czwarte światła zostaje w tubie. Zoom bez powłok byłby więc nie tyle ciemny, co bezużyteczny — i to jest dokładny powód, dla którego przed drugą wojną światową zoomów praktycznie nie budowano, a obiektywy z ośmioma soczewkami uchodziły za konstrukcje ekstrawaganckie.

Stos soczewekbez powłok, straty narastają
100% 92% 84% 77% 71% 65% 59% 54% 7 soczewek · 14 powierzchni · zero powłok
Każda soczewka zabiera po dwa razy. Wiązka nie tyle się rozprasza, co jest sukcesywnie okradana.

I teraz najważniejsze zdanie tego rozdziału: te czterdzieści sześć procent nie znika. Energia nie ma dokąd zniknąć. Odbite światło leci z powrotem w głąb obiektywu, trafia na kolejną powierzchnię, znowu się częściowo odbija — i tak dalej, dopóki nie zostanie pochłonięte przez czernioną ściankę tubusu albo nie wyjdzie tam, gdzie nie powinno: na matrycę.

Kąt · dlaczego flara przychodzi z boku

Cztery procent to najlepszy przypadek

Wzór z pierwszej sekcji miał gwiazdkę: obowiązuje tylko dla światła padającego prostopadle. Im bardziej promień kładzie się na powierzchni, tym więcej się odbija — a przy kącie bliskim dziewięćdziesięciu stopni odbija się praktycznie wszystko. Dlatego widzisz odbicie chmur w kałuży, choć woda pod stopami jest przezroczysta, i dlatego szyba oglądana pod ostrym kątem staje się lustrem.

Przesuń suwak i zobacz, jak niewinne cztery procent zachowuje się przy większych kątach. Zwróć uwagę na dwie rzeczy: krzywa jest płaska aż do jakichś czterdziestu stopni, a potem rośnie gwałtownie — oraz na to, że światło o dwóch różnych polaryzacjach zachowuje się zupełnie inaczej.

Odbicie w funkcji kąta padaniagranica powietrze–szkło, n = 1,52
15°
0% 25% 50% 75% 100% 0° 30° 60° 90° kąt padania Brewster światło niespolaryzowane polaryzacja s polaryzacja p
Przy 15° odbija się 4,3% światła — praktycznie tyle samo co przy padaniu prostopadłym.

Ta krzywa wyjaśnia obserwację, którą znasz z planu, nawet jeśli nigdy nie nazwałeś jej po imieniu: obiektyw flaruje najmocniej wtedy, gdy słońce jest tuż poza kadrem, a nie wtedy, gdy świeci prosto w oś. Światło wpadające pod dużym kątem odbija się od pierwszej powierzchni kilka razy silniej niż to z centrum kadru, a przy okazji wchodzi w tubus pod kątem, przy którym z dużym prawdopodobieństwem trafi w ściankę, w oprawę przysłony albo w krawędź soczewki. Osłona przeciwsłoneczna nie jest gadżetem — jest narzędziem, które odcina dokładnie ten zakres kątów.

Punkt, w którym fioletowa krzywa dotyka zera, to kąt Brewstera: dla szkła 56,7 stopnia. Padające pod tym kątem światło odbija się wyłącznie spolaryzowane w jednej płaszczyźnie — i to jest cała tajemnica filtra polaryzacyjnego, którym ścinasz odblaski z wody i z szyb. Filtr nie usuwa odbicia; ustawia się w poprzek jego polaryzacji.

Jeśli pracowałeś kiedykolwiek z shaderem PBR, ta krzywa jest twoją starą znajomą pod inną nazwą. To jest to samo, co robi fresnelSchlick w każdym rendererze: podnosi odbicie przy krawędziach obiektu, bo tam patrzysz na powierzchnię pod płaskim kątem. Różnica polega wyłącznie na tym, że tam liczysz ją dla powierzchni obiektu w scenie, a tutaj — dla powierzchni szkła, przez które ta scena jest oglądana.

Konsekwencja · gdzie ląduje reszta

Dokąd leci te cztery procent

Światło odbite od którejś z wewnętrznych powierzchni ma dwie drogi. Może odbić się jeszcze raz i wrócić na kurs w stronę matrycy — wtedy dociera tam, ale w złym miejscu i po złej drodze. Albo może rozproszyć się na matowej krawędzi soczewki, na gwincie oprawy, na listku przysłony — i wtedy rozlewa się po całym kadrze bez kształtu.

Te dwie drogi to dwa zjawiska, którym poświęcona jest cała Część V. Pierwsza daje ghosty: konkretne, policzalne plamy o kształcie przysłony, ułożone w linii przechodzącej przez środek kadru. Druga daje veiling glare: równomierną mgiełkę, która nie ma kształtu, za to podnosi czerń i zjada kontrast.

Tor ghostadwa odbicia, powrót na matrycę
S1 S2 matryca obraz główny ghost · 0,043 × 0,043 = 0,18% ląduje gdzie indziej
Ghost powstaje z parzystej liczby odbić — nieparzysta odesłałaby światło z powrotem przed obiektyw.

Ghost potrzebuje parzystej liczby odbić, żeby wrócić na kurs w stronę matrycy — najczęściej dokładnie dwóch. Ile jest takich możliwości? Tyle, na ile sposobów da się wybrać dwie powierzchnie z wszystkich dostępnych:

Ile ghostów potrafi dać jeden obiektyw

powierzchni N = 30

pary powierzchni = N × (N − 1) / 2 = 30 × 29 / 2 = 435

jasność jednego = 0,043 × 0,043 = 0,0018, czyli 0,18%

Pojedynczy ghost o jasności 0,18% jest niewidoczny na zdjęciu dnia. Staje się widoczny dokładnie wtedy, gdy w kadrze jest źródło tysiąc razy jaśniejsze od reszty sceny — słońce, reflektor, latarnia. Dlatego flara jest zjawiskiem kontrastu, nie jasności.

Czterysta trzydzieści pięć potencjalnych ghostów w jednym obiektywie. Większość z nich nigdy nie trafia na matrycę, bo geometria im na to nie pozwala — ale kilkanaście trafia, i to właśnie one układają się w charakterystyczny sznur plam, po którym rozpoznaje się konkretny model obiektywu. Sznur ghostów jest podpisem konstrukcji, tak samo indywidualnym jak układ soczewek, który go wytwarza.

Czym się z tym walczy — powłoka ćwierćfalowa, stosy wielowarstwowe i ich cena — w Dodatku B.

Z praktyki

Jeśli dokładasz flarę w compie, dokładaj też stratę kontrastu. Najczęstszy błąd przy podrabianiu flary polega na dodaniu ghostów i pozostawieniu czerni tam, gdzie były. W prawdziwym obiektywie te dwie rzeczy zawsze idą w parze, bo mają jedno źródło: światło, które zeszło z kursu. Ghost bez podniesionego czarnego wygląda jak naklejka — i wygląda tak nawet wtedy, gdy sam ghost narysowany jest bez zarzutu.

Rachunek na T-stopę robi się w głowie. Podziel liczbę f przez pierwiastek z przepuszczalności. Nowoczesna stałka z powłokami wielowarstwowymi traci kilka procent, więc f/1,4 daje mniej więcej T/1,5 — i tak też jest oznaczana. Jeśli w danych obiektywu widzisz f/2,0 i T/2,4, wiesz od razu, że przepuszczalność wynosi około 70 procent, a to z kolei mówi ci, że masz do czynienia z konstrukcją wielosoczewkową, ze starymi powłokami albo z jednym i drugim.

Renderer domyślnie nie wie o niczym z tego rozdziału. Kamera w Arnoldzie, Cyclesie czy Karmie to dziurka bez szkła: zero strat, zero odbić wewnętrznych, zero flary. Renderujesz obraz, który przyszedł z obiektywu doskonałego, jakiego nikt nigdy nie zbudował — i to jest dokładnie ten „zbyt czysty” wygląd, który zdradza CG, zanim widz zdąży się zastanowić dlaczego. Czym to uzupełnić i na którym etapie, rozstrzygamy w Rozdziale 34.

Słowniczek
współczynnik załamania (n)
Liczba mówiąca, ile razy wolniej światło porusza się w danym ośrodku niż w próżni. Powietrze ma praktycznie 1,00, szkła optyczne od 1,45 do 1,95. To jedyna właściwość materiału, o którą pyta wzór Fresnela.
współczynnik odbicia (R)
Ułamek natężenia światła, który zawraca na granicy dwóch ośrodków. Zależy od obu współczynników załamania i od kąta padania — nigdy od jakości wykonania powierzchni.
powierzchnia powietrze–szkło
Każda granica, na której światło wchodzi ze szkła w powietrze albo odwrotnie. Kluczowa jednostka liczenia w tym rozdziale: soczewka pojedyncza daje dwie, sklejka z dwóch soczewek — także dwie, bo granica wewnętrzna prawie nie odbija.
przepuszczalność
Ułamek światła, który przechodzi przez cały układ. Liczona przez mnożenie przepuszczalności kolejnych powierzchni, dlatego spada wykładniczo z ich liczbą.
kąt Brewstera
Kąt padania, przy którym światło odbite jest w pełni spolaryzowane w jednej płaszczyźnie. Dla granicy powietrze–szkło wynosi 56,7°. Podstawa działania filtra polaryzacyjnego.
powłoka przeciwodblaskowa
Cienka warstwa nałożona na szkło, która wygasza odbicie przez interferencję. Grubość rzędu ćwierci długości fali, czyli około stu nanometrów — tysiąc razy cieńsza od włosa.
ghost
Plama powstała z parzystej liczby odbić wewnątrz obiektywu, która mimo wszystko trafiła na matrycę. Ma kształt przysłony i leży na linii przechodzącej przez środek kadru.
veiling glare
Bezkształtna mgiełka z rozproszonego światła wewnętrznego, podnosząca poziom czerni w całym kadrze. Nie widać jej jako obiektu — widać ją jako brak kontrastu.
Idź głębiej
Dodatek B — Wzory Fresnela i powłoka ćwierćfalowa