拡散反射

拡散反射：鏡面反射ではない光の反射

拡散反射とは、鏡面反射のような滑らかな表面での反射ではなく、非金属の表面で起こる光の反射現象です。鏡面反射が特定の方向に光を反射するのに対し、拡散反射は様々な方向に均一に光を拡散させるのが特徴です。表面の凹凸が大きい場合、乱反射と呼ばれることがありますが、乱反射には鏡面反射成分が含まれるため、拡散反射とは厳密に異なります。

拡散反射は、光が入射した表面の下に透過し、内部で何度も反射や散乱を繰り返すことで発生します。この過程で、特定の波長の光は吸収されるため、拡散反射スペクトルは透過スペクトルと類似した特性を示します。一方で、金属表面では自由電子が光の侵入を妨げるため、拡散反射は起こりません。

ゼリーやロウのように、光を多く透過する物質では、光が内部深くまで侵入し、拡散・散乱するため、入射点から離れた場所から光が出射します。このような現象は、拡散反射というよりも、表面下散乱と呼ばれ、区別されます。

拡散反射の理論

拡散反射スペクトルの強度を再現する理論として、クベルカとムンクによって導かれたクベルカ-ムンク関数が知られています。この関数は、無限の厚みを持つサンプルにおける絶対拡散反射率(R∞)、吸収係数(K)、散乱係数(S)の関係を表し、以下の式で表されます。

\(f(R_∞) \equiv \frac{(1-R_∞)^2}{2R_∞} = \frac{K}{S}\)

ここで、f(R∞)はクベルカ-ムンク関数です。この式は、拡散反射スペクトルを解析し、物質の光学的特性を評価する上で重要な役割を果たします。

拡散反射の近似

拡散反射を簡略化してモデル化する際には、ランバート反射が用いられることが多いです。ランバート反射は、光束が半球状に一様に分布すると仮定した最も単純なモデルです。より現実的なモデルとしては、表面の凹凸を考慮したオーレン・ネイヤー反射があります。オーレン・ネイヤー反射は、ランバート反射よりも複雑ですが、より正確な拡散反射のシミュレーションが可能です。

拡散相互反射

拡散相互反射は、物体の表面で拡散反射した光が、周囲の他の物体に当たって再び反射される現象です。つまり、光源からの直接光だけでなく、間接光も考慮する必要があります。これは、つや消しやマットな質感の物体において特に重要になります。例えば、地面や壁、織物などの表面では、拡散相互反射が顕著に見られます。これらの表面の色は、拡散相互反射によって周囲の物体の色にも影響を与えます。

3DCGでは、この拡散相互反射はグローバルイルミネーションの重要な要素であり、よりリアルなレンダリングを実現するために、ラジオシティ法やフォトンマッピングなどの手法が用いられています。

まとめ

拡散反射は、鏡面反射とは異なる重要な光の反射現象です。その特性や理論的な背景、そして近似モデル、さらに拡散相互反射との関連性などを理解することで、物質の光学的性質や、よりリアルな画像生成技術への理解を深めることができます。

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