Хореография света: новый алгоритм контролирует световые линии, организуя их в полноценные изображения

Перед вами простая прозрачная акриловая пластина, не имеющая никакого имплантированного изображения или рисунка. Но поместите её между белой стеной и источником света — и при определённом угле расположения пластины на стене появится, например, лицо Алана Тьюринга, отца компьютерной науки.

Конечно же, никакой магии тут нет, а есть только рельеф на поверхности пластины и природный феномен, известный как каустики. Контролировать их и научились исследователи из Лаборатории компьютерной графики и геометрии при Федеральном политехническом институте Лозанны (Швейцария).

Слева — каустики от обычной электрической лампочки, справа — каустики от плексигласа, рельеф поверхности которого был рассчитан по специальному алгоритму. (Фото fir0002/flagstaffotos.com.au и Alain Herzog.)

Каустический эффект, о котором идёт речь, хорошо известен даже на бытовом уровне: ранним летним утром, когда лучи молодого солнца проходят сквозь стеклянный стакан с холодной колодезной водой, на пластиковой (отражающей) поверхности стола появляется интересный рисунок; солнечный свет, освещающий неспокойную гладь водной поверхности бассейна, рождает забавный танец световых линий и пятен на керамической плитке. Все эти волнообразные линии очевидно случайны и генерируются в момент прохождения света через нерегулярную поверхность. Эффект, который обладает высокой мобильностью и «изменчивостью», если в его формировании участвуют подвижные жидкости, продуцирует статические рисунки в случае твёрдых прозрачных материалов, таких как стекло или акрил (плексиглас).

С научной точки зрения явление объясняется рефракцией (преломлением) света. После того как лучи соприкоснутся с прозрачной поверхностью, они продолжат свой путь, но по несколько иным траекториям, суть функциям как геометрии поверхности, так и оптических свойств материала. В результате свет, проходящий сквозь материал, теряет равномерность: в некоторых точках можно наблюдать концентрацию лучей, образующих целые зоны с более высокой интенсивностью освещения, другие области могут выглядеть темнее.

Учёные занялись детальным изучением феномена перераспределения лучей и освещённости, что позволило идентифицировать параметры кривых и волнообразных линий, которые необходимо нанести на прозрачную поверхность, чтобы направить лучи в нужную область находящегося за пластиной экрана. После первых простых экспериментов был создан целый алгоритм, позволяющий с очень высокой точностью рассчитать траектории проходящего сквозь материал света и, следовательно, сформировать полноценное изображение.

Авторы работы полагают, что такие пластины найдут применение в архитектуре в качестве «необычного декоративного светового элемента в орнаменте».

Подготовлено по материалам Федерального политехнического института Лозанны.