Light Scattering due to  Particles

光は物体表面で反射、透過（屈折）を生じる。物体が粒子の場合は、散乱、吸 収を生じる。ＣＧにおいて、大気の色や、雲の色など多くの自然現象の表示には光の散乱・吸収を考慮するようである。また霞は大気中の粒子の吸収(波長によ り影響）により生じる。、

光の散乱を考える場合の要素は、上のように、位相関数、多重散乱、粒子を照 射す る光源、および粒子の密度分布である。
散乱を考慮する場合、散乱光の分布を表すのに、位相関数がある。
散乱には2つのタイプがあり、粒子が波長にくらべ小さいものにはれりー散乱、大きいものにはミー散乱がる。前者は波長に強く依存し、波長の4乗に半比例す る。これは空気の粒子などの散乱である。後者はエアロゾルや雲の粒子（水蒸気）などに対応し散乱光はあまり波長に依存しない。すなわち散乱光は白色であ る。また、その位相特性は特強よい前方散乱である。
アルベドが高いものは、粒子間の多重散乱光を無視できない。
こうした粒子を照射する光源としては、太陽光や天空光のような自然光 か、白熱電灯のような人口光源がある。
粒子は密度分布をもつ、大気の場合地球規模で考えると地上から指数関 数的に密度が変化する。雲などは任意の複雑な密度分布をもつ。

ＣＧ分野で粒子の表示を始めてしたのは、Ｂｌｉｎｎの土星の輪の表現であろ う（1982）。土星の輪は氷の粒子の集合として表示された。次に1984年にKajiyaが煙の描画をおこなった。

　粒子を含むものは、気体、液体、物体とに分けられる。それぞれにおいてＣＧ分野では、それぞれに対していくつもの論文(2000年まで抜粋）は発表され て いる。

a) 気体の粒子による散乱
　・光蹟shafts of light; Nishita87, Inakage91
　・雲からのこもれ日light beams passing through clouds;  Max86
　・煙・雲smoke, cloud;  Kajiya84, Nishita87, Sakas91
　・空の色sky color ;  Klassen87, Kaneda91
　・地球大気の色atmosphere viewed from outer space; Nishita93
　・多重散乱 multiple anisotropic volume scattering;
　　　　　  Kajiya84, Blasi93, Max94
　・媒介物質中の相互反射radiosity of participating medium; Rushmeier87
　・フォトンマップphoton map； Jansen98
b) 液体の粒子による散乱
　・池の色ponds;  Kaneda91
　・宇宙から見た海の色sea viewed from outer space; Nishita93
　・水中の光跡や集光効果optical effects within water; Nishita94
ｃ) 物体の粒子による散乱

　・ 土星の輪Saturn's rings(ice particles);  Blinn82
　・表面下散乱subsurface scattering(skin):: Hanrahan93
　・多重散乱を考慮した雪の色snow; Nishita97
　・砂漠dunes; Onoue00

西田らは、論文としては上のように1987年（SIGGRAPH'87）であるが、アニメーションには下記のように早くから散 乱効果を計算していた。

西 田らの最初の散乱関係ではSIGGRAPH 1985のシアターに採択された動画　「Feast of Light」である。

SIGGRAPH 1986のエレクトリックシアターに採択された動画「A Visitor on a Foggy Night」がある（動画）。 これは、霧のある夜にライトに照射される粒子の光跡を描画したものである。続いて、SIGGRAPH 1987のシアターに採択された 「CG Town」、SIGGRAPH 1987のシアターに採択 された「The Sky」（動画）も大気 や雲の色の計算を含んでいた。

上のスライドは、初期(1985年以後）における、種々の大気の散乱光の計算モデルを示す。例えば1986年の雲や木によるこ もれびの表示