Bu yazımızda ışığın çeşitli cisimlerle girdiği etkileşimleri ve sonuçlarını ele alacağız.
Işığın, renklerin oluşum ve özelliklerini bir önceki yazımızda biraz fizik ağırlıklı teorik olarak açıklamaya çalıştık. Gözden geçirmek için tıklayınız.
Şimdi daha algılanabilir, gözlemlenebilir bir konuya geçiyoruz. Yine bir miktar fizik yardırmak zorunda kalacağız. Başlayalım.
Işık, bir cisme çarptığında/etkileşime girdiğinde ortaya çıkan sonucun en önemli etkeni maddenin yapısıdır. Işık, hava, su, toprak, tahtayla farklı etkileşimler gösterir. Madde ışık geçirgenliğine göre üçe ayrılır :
Opak (Opacity) - Işığı geçirmez (taş, tahta, demir, beyzbol sopası vb. )
Saydam (Transparency) - Işığı geçirir (cam, kristal, deniz anası, su, hava, taht..)
Yarı Saydam (Transluceny) - Işığı az miktarda geçirirken doğrultusunu bozarak saçar (kağıt, taze sıkılmış portakal suyu, amerikan tipi plastik süt şişeleri, seramik, mermer!)
Işık bu maddelerden biriyle karşılaştığında yönü temel iki şekilde değişir.
Opak bir cisme çarptığında ışık yansır, geri döner. (Reflection)
Saydam bir cisme çarptığında hafif veya ağır bir rota sapmasıyla içinden geçer, kırılır (Refraction). Saydam cismin kırılma indeksi (Index of Refraction, IOR) ışığın yönü üzerindeki en önemli etkidir. Refraction bahsinde anlatılacaktır.
Yarı saydam, sinsi bir cisme çarptığında içine girer fakat saydamdan daha yoğun bir ortamla karşılaştığından dolayı cismin içinde çok fazla saçılmaya, dağılmaya hatta duruma göre dalga boylarının ayrışmasına maruz kalır ve cismin içeriği, kalınlığı gibi etkenlere göre ışığın çok az kısmı, cismin az yoğun bölgelerinden kaçmayı başarır, bir kısmı geri yansır.
Reflection (Yansıma)
Reflection aslında Refractiondur. Daha anlaşılır yapalım, Yansıma aslında kırılmadır. Olmadı açıklayalım. Temel olarak ışığın yön değiştirmesi kırılmadır. Eğer dik gelen ışık bir cisme çarptığında 90 derece ve daha fazla açıda kırılıyorsa buna yansıma denir. Yansıma da Diffuse ve Specular olmak üzere ikiye ayrılır.
Diffuse Reflection
Işık demetleri doğrusal olarak ilerler. Eğer çaptığı yüzeyde mikro hatta atomik ölçekte düzensizlikler, pürüzler varsa ışık demetleri bu pürüzlerin arasında çokça yansıyarak doğrusallığı bozulur ve saçılma şeklinde birçok demet yansır, geri döner. Taş, odun, ağaç, ham metal birkaç örnektir.
Specular Reflection
Mükemmel derecede pürüzsüz cisim yoktur. Ama bir cisim mükemmele yakın bir şekilde pürüzsüzleştirilirse gelen ışık demetleri saçılmadan geldiği gibi doğrusal bir şekilde, şiddetini kaybetmeden geri döner. Ayna, su, cam, aluminyum-krom gibi işlenmiş metaller birer örnektir. Bunlardan doğal olanı sadece sudur. Akışkanlığı, moleküler yapısı gereği dingin, mükemmel bir yüzey olmaya eğimlidir. Diğer bütün örnekler cila gibi işlemlerden geçirilerek pürüzsüzleştirilir.
Gündelik hayattan bir örnekle bu iki yansıma tipini anlatalım. Gece arabanızla asfalt bir yolda ilerlediğinizi düşünün. Karşıdan gelen arabaların farları biraz gözünüzü alır fakat yolunuza fazla rahatsız olmadan devam edersiniz. Bir de aynı yolda gece yağmur sonrası ilerlediğinizi düşünün. Bu durumda karşıdan gelen her aracın farı gözünüze işkence olacaktır. Bunun sebebi yağmurla gelen suyun bahsettiğimiz mikro pürüzleri doldurarak asfalt yüzeyini diffuse'ten specular'a doğru çekmesidir. Bu sayede zeminden gelen yansıma çılgın bir ışımaya dönüşerek farlarla birlikle tehlikeli bir kombo yaparlar. Aşağıdaki resimde basit bir şekilde gösterilmiştir.
Son olarak hatırlatmakta fayda var. Hava da bir maddedir. Kırılma indeksi listelerine baktığınızda bir çoğunda havanın değeri 1 olarak kabul edilir. Bu değere göre ışık hiç kırılmadan yoluna devam eder. Fakat havanın asıl kırılma indeksi 1.000293 tür. Bu yüzden hava da ufak bir miktar da olsa ışığı kırar.
Anisotropy
Bu değer yansımanın belirli yönlerde gerilmesi, bakılan açıya göre yön değiştirmesi gibi özellikler için kullanılır. Pratik uygulamaları genelde fırçalanmış metal türleridir. Yön olarak map de atanabilir.
Dairesel olarak fırçalanmış tencere dibi iyi bir Anisotropy örneğidir. Radial Brushed Metal diye arama yapıp çıkan görsellerden birini Anisotropy kanalına atarsanız benzer bir sonuç elde edebilirsiniz.
Farklı fırçalama türleri...
Refraction (Kırılma)
Kırılma çok kapsamlı bir meseledir. Bazı konuların üstünden kabaca geçmeye çalışacağız. Yukarıda da bahsettiğimiz gibi kırılma ışık demetlerinin bir cisimle etkileşime girerek yönünü değiştirmesidir. Reflection bağlamından koparıp 3d yazılım mantığına göre devam edersek dik gelen ışık 90 derecenin altında kırılırsa bu refraction olarak tanımlanır. Bunun da anlamı ışığın saydam veya yarı saydam bir cisimle etkileşime girdiğidir. Refraction ile ilgili en belirleyici husus kırılma indeksidir (IOR).
Index Of Refraction (IOR)
Yüksek kırılma indeksi, hassas, köşeli kesim paterni ve dispersion* bileşimiyle beni paraya boğ diyen bir elmas.
* Dispersion az aşağıda...
Kırılma indeksi kısaca ışık demetlerinin bir ortama girdiğinde/bir cisimle etkileştiğinde ne kadar yön değiştireceğini belirtir. Snell kanununa göre matematiksel formülü şöyledir :
n1 sinθ1 = n2 sinθ2
Anlaşıldı mı ? Ben anlamadım. Çünkü sözelciydim.
İndeks değerinde 1, vakum ortamını temsil eder ve kırılma yoktur. Değer arttıkça kırılma miktarı artar. Kullanacağınız materyallerde gerçekçi gitmek istiyorsanız belli başlı cisimlerin kırılma indekslerine göz atmanızda fayda var. Liste için tıklayınız.
Total Internal Reflection (TIR)
Toplam iç yansıma da Refraction'ın özel durumlarından biridir. Geniş bir matematiksel açıklaması vardır. Basitleştirilmiş haliyle, ışık demetlerinin farklı kırılma indeksleri olan saydam cisimlerden geçerken kritik bir açıyı aşarak artık kırılma değil yansıma olarak geri dönmesidir.
Resmi açıklayarak gidelim. Incident ray suyun içinden gelen ışık demeti. Refracted ray suyun yüzeyindeki kırılma indeksine göre yön değiştirerek sudan çıkan ışık. Critical angle gelen ışık demetinin açısının kırılma indeksiyle birleşince yansımaya dönmeye başlayacağı açı. 90 dereceden daha önce bahsetmiştik. Nihayetinde gelen ışığın açısı IOR ile birleşip kritik açıyı geçtiğinde içinde bulunduğu ortam saydam olmasına rağmen artık refraction reflectiona yani kırılma yansımaya döner.
Bunun pratikteki bazı örnekleri havuz veya su dolu akvaryumdur. Yüksek derecede saydam olan camın içinde yine benzer saydamlıkta olan su bulunur. Suyun içinde balıklar esaret altında yüzerler. Normal gibi görünen şartlarda ışığın iki saydam ortamı da aşıp geçmesi beklenirken akvaryuma belirli bir açıdan baktığınızda yüzen balığın normal halini ve yansımasını görürsünüz. Ortada iki tane balık vardır. İlgincinize gider, çok mu içtim de çift görüyorum diye düşünmeye başladığınızda aklınıza TIR gelsin.
Bazı örnek görseller daha iyi anlaşılmasına yardımcı olacaktır :
Dispersion (Ayrışma)
Şimdiye kadar ışığın bütüncül hareketlerinden kırılmasından yansımasından bahsettik. Araya fitne sokup ışığın birliğini bozmanın vakti geldi. Daha önce beyaz ışığın veya güneş ışığının bütün ana renklerin dalga boylarını ve frekanslarını içerdiğini anlatmıştık. Göz atmak için tıklayınız. Işık belirli kırılma indeksleri olan ortamlarla etkileşime girdiğinde (ki konumuz gereği saydam cisimler üzerinden gidiyoruz ama IOR, TIR, Dispersion gibi özellikler saydam olmayan cisimler için de geçerlidir) renk frekansına göre kırılma açısı hafifçe değişiklik gösterir. Işığın 300.000 km/sn gibi sabit bir hızı olsa da içerdiği frekanslar arasında da hafif hız farkları vardır. Hız da bir maddenin başka bir maddeye çarptığında ne kadar yön değiştireceğinin en önemli etkenidir. Örneğin kırmızı en düşük frekansa sahip olan renk olduğundan kırılma açısı diğer frekanslara göre daha düşüktür. Mor en yüksek frekansa sahip renk olduğundan kırılma açısı daha yüksek olur. Aradaki renkler de kendi frekanslarına uygun açıda kırıldığında beyaz gelen ışığı ana renklere ayrıştırmış oluruz. Renklere ayrılmış ışık demetleri girdiği ortamdan çıkarken tekrar IOR'a maruz kalınca ayrışma iyice belirginleşmiş olur. Bu durum Dispersion, Abberation (Abbe) olarak da geçer. Bu yüzden yazılım veya kullandığınız render motoruna göre ismi değişiklik gösterebilir.
Dispersion'a örnek olarak yukarıda görülen üçgen prizmayı, gökkuşağını (her yağmur ya da çiy damlası prizma işlevi görür) ve fotoğraf makinası lenslerinde (dandik ucuz lensler) köşelerde kendini gösteren, Chromatic Abberation denilen, istenmeyen, fakir fotoğrafçıların nefret ettiği etkiyi sayabiliriz. (Diyaframı kısma boşuna lensin dandik, git az paraya kıy sağlam ED,ELD,ULD Prime lens al)
Şimdilik nokta koyalım. Sıradaki yazımızda maddenin ve ışığın Translucency/Sub Surface Scattering (SSS) özelliklerinden bahsedeceğiz.
Selametle kalın.
Comments