好了,不多说了,开始正文。
1. 生活中常见材质和他们的特性
在说到材质前,首先要明白的是,为什么我们能够看到东西。我们之所以能看到东西,是因为太阳、电灯这样的光源所发射出来的光线,打到物体上,发生了类似反射、折射、散射这样的光学现象后,最终到达我们眼睛里的视网膜,视网膜上的两种视神经细胞受到光线的刺激后,产生红绿蓝三种彩色电信号(在光线较强时为主)和灰度电信号(在光线较弱时)由视神经传达到大脑,产生视觉。所以说,产生视觉的两大因素是光源和物体;没有光源就没有光线产生,没有物体光就不会由于发生光学现象进入到我们的眼睛里。
生活中,我们能看到每个物体都带有不同的材质。比如虽然都是白色,但白色的墙面和白色的洗衣机看起来却不一样。产生这种现象的原因是因为不同的物体,由于表面凹凸、纹理的细微不同和物质本身的物理光学特性不同,光线与之交互时所发生的光学现象不同,导致了我们看到的物体虽然可能都是一种颜色,但却给人不同的材质感。
在本次教程中,我们先归纳总结材质的物理特性。日常生活中的材质多种多样,不过根据我个人的经验,绝大多数材质(不是全部)可以归纳为以下六种材质,或这六种材质之间的组合:
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以上的图片就是六种不同材质的物体在不同环境下的表现(由计算机模拟生成),下面逐一介绍这些材质的物理特性。从左到右,从前到后:
最前面的左数第一个物体的材质是生活中最常见到的材质。在生活中,绝大多数物体的表面在微观上并不是十分光滑,或者表层物质有较强的散射特性,因此光线在打到这些物体的表面后,被反射、散射到了各个方向上,这种现象称之为「漫反射」。原理大致如图:
类似这样的物体最典型的就是未抛光的石膏,纸张、墙面这些。观察上面给出的四张材质对比图片,可以看到这样的材质有以下几个视觉特性:
第一排左二就是常见的镜面金属材质了。由于这样的材质,即使从微观上看,表面依然比较光滑,并且几乎没有散射特征。光线打到这样的表面上后,绝大多数会沿按入射方向法线对称的角度反射出,因此看上去有这些视觉特征:
第一排第三个的材质也是生活中较为常见的,即「玻璃」材质。「玻璃」材质不仅仅包含玻璃,还包括类似聚乙烯塑料、钻石这样的材质,甚至水也可以看作是「玻璃」材质,因此在这里「玻璃」材质打上了引号。「玻璃」材质的特点可以归纳如下:
后一排左一物体的材质,在很多白色家电上可以看到,类似的还有光滑的瓷砖、木地板等等,iPhone 4 的前、背面面板也类似这样。这种材质很像漫反射物体表面材质,不过却隐约能看到物体表面类似镜面反射那样,带有环境镜像。这通常是由于这样的物体表面实际上有两层,下面的那层材质特性类似于漫反射材质,在漫反射层上面有一个很薄的光滑、透明表层,可以令大部分光线透过这一层,照射到下面的漫反射层。不过透明层本身会将照射过来的少许光线反射回去。这样的物体材质视觉特性看起来,兼备漫反射和镜面反射的特性:
后一排左二是粗糙金属材质,类似于一些金属栏杆把手,MacBook 铝合金外壳这样的。这样的材质看起来既不像光滑金属镜面表面,又不像漫反射材质,有这些特点:
最后一个材质有些意思,因为光线打到这个材质上时,不会一下子全都反射出来,也不会一下子全进入物体内部,而是有一部分光线被表面反射出来,进入物体内部的光线则在物体内部传播,但由于物体材质的微观物理特性,传播时发生了散射现象,被散射到各个方向。有的光线散射后继续朝物体内部传播,有的光线则在散射后角度发生很大的偏折,返回射出物体表面。这样,使得一些光线虽然能够透过物体,但物体看起来不像玻璃那样晶莹剔透,而是显得里面是「混沌」的。这样的物体非常多,生活中很多有机物都有类似这样的光学特性,比如人的皮肤、蜡烛、大多数塑料、象牙、凝胶;另外,像瓷器、玉石这样的无机物也有类似特征。
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