Rendering: Lighting & Shading

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1 Hauptseminar How to make a Pixar Movie WS 2010 / 2011 Rendering: Lighting & Shading von Manuel Schmidt

2 Gliederung: 1 Einführung 1.1 Rendering 1.2 Reflektionsmodelle Diffuse Reflektion Spieglende Reflektion "Glossy" Reflektion 2. Lighting 2.1 Lichtquellen 2.2 Phong Beleuchtungsmodell Ambienter Lichtanteil Diffuser Lichtanteil Spiegelnder Lichtanteil Gesamtbild 3. Shading 3.1 Flat Shading 3.2 Gauroud Shading 3.3 Phong Shading 4. Globale Beleuchtung 5. Quellen

3 1 Einführung: 1.1 Rendering In vorherigen Arbeiten hat man das Modellieren von Objekten gesehen. In dieser Arbeit soll es nun um den ersten Schritt im Rendering gehen: Lighting & Shading. Rendering ist die Erzeugung eines Bildes aus den Rohdaten. Dabei müssen typischer Weise folgende Punkte brechnet werden: Lighting, Shading und Verdeckungsberechung. Während Lighting und Shading später ausführlich erläutert werden, sei hier kurz erklärt was man unter Verdeckungsberechnung versteht: Dabei wird berechnet, welches Objekt vor welchem steht und somit nicht zu sehen ist. Auf Bild 1 ist ein Beispiel dafür zu sehen: Die gelbe Kugel liegt aus Sicht des Betrachters hinter dem Dreieck und der blauen Kugel. Somit ergibt sich für die Berechnung (unten rechts), dass sie nur teilweise zu sehen ist. Bild 1 Neben den drei typischen Aufgaben des Renderings muss man außerdem zwischen schneller Bilderstellung und Realitätsnähe abwägen. Bei sehr realitätsnahen Bildern kann das Rendern eines einzigen Bildes 72 Stunden dauern, was für die Echzeitbenutzung unbrauchbar wäre. 1.2 Reflektionsmodelle Man kann die Reflektionsmodelle in 3 Typen klassifizieren. Wobei zwei sehr ähnlich sind Diffuse Reflektion Diffuse Reflektion tritt auf rauen Flächen auf. Hierbei gilt, dass der Einfallswinkel nicht gleich dem Ausfallswinkel sein muss. Das Licht wird hierbei in alle Richtungen reflektiert. Dadurch ergibt sich, dass der Betrachtungswinkel irrelevant für die Helligkeit des Objektes ist. Ein Beispiel, aus der Realität wäre zum Beispiel das Mauerwerk eines Hauses. Egal von welcher Seite man es betrachtet, sie ist immer gleich hell. Bild 2

4 Somit ergeben sich folgende Faktoren von denen die Lichtstärke des reflektierten Lichts abhängt: - Lichtstärke des einfallenden Lichts Je heller die Sonne strahlt, desto heller wirkt auch das Mauerwerk. - Reflektionsfaktor des Materials Hier sind Komponenten vereinigt, wie beispielsweise der Prozentsatz des absorbierten Lichts und Farbe des Objekts. Dieses legt wiederum das reflektierte Farbspektrum fest. So reflektiert ein grünes Objekt zum Beispiel nur grünes Licht (Lichtstrahlen einer Wellenlänge Bild 3 von nm) während alles andere absorbiert wird. - Einfallswinkel L N 19,98mm 28,19mm 20mm Bild 4 Abbildung 4 zeigt einen 2 cm breiter Stahl, der senkrecht auf einer 2cm breiten Oberfläche auftrifft. Trifft der Lichtstrahl allerdings (wie links im Bild) schräg auf, so wird das Licht auf eine größere Fläche verteilt. Dadurch wird die Oberfläche dunkler Spieglende Reflektion Spiegelnde Reflexion sind beispielsweise in spieglenden Flächen zu beobachten. Bei der perfekten Reflektion gilt, dass der Einfallswinkel genau dem Ausfallswinkel entspricht. Dabei kann es zu einer Spiegelung der Lichtquelle im Objekt kommen. Hierbei entscheidende Faktoren für die Stärke der Reflexion sind: Lichtstärke des einfallenden Lichts (L) Reflektionfaktor des Materials Ausfallswinkel des Lichts (R) Blickwinkel des Betrachters (V) L nl = nr Bild 5 N rv R V

5 1.2.3 "Glossy" Reflektion Diese Art von Reflektion ist eine nicht perfekte spieglende Reflexion. Hierbei werden die Lichtstrahlen in Richtung von R reflektiert, allerdings mit einer Streuung. Hierbei können so genannte Highlights (=Glanzlichter) entstehen - eine Spiegelung der Lichtquelle. Allerdings ist die eigentliche Form der Lichtquelle nichtmehr zu erkennen. 2 Lighting: Ligthing ist die Art, "wie" ein Objekt bestrahlt und beleuchtet wird. Dazu gibt es verschiedene Beleuchtungsmodelle von denen im Folgenden einige erläutert werden. Allerdings sollte man zunächst globaler von lokaler Beleuchtung abgrenzen. Bei lokaler Beleuchtung spielen nur die direkten Faktoren eine Rolle. Zur Berechnung der Farbe eines Punktes wird also herangezogen: Materialeigenschaften Lichtquellen Standpunkt des Betrachters Unberücksichtigt und erst in der globalen Beleuchtung relevant sind alle anderen Objekte der Szene und somit indirekte Reflektionen. Bild 6 Bild 7 Bild 6 zeigt lokale Beleuchtung am Beispiel einer Kugel. Diese ist aus der Szene "gerissen" und beleuchtet worden. Im Gegensatz hierzu ist Bild 7 global beleuchtet. Zu erkennen ist dieses an den Schatten und den Spiegelungen der Wände auf der Kugel.

6 2.1 Lichtquellen Es gibt unterschiedliche Lichtquellen, beispielsweise: Punktlichquelle (z.b. Glühbirne) gerichtetes Licht (z.b. Sonne) Spotlicht (z.b. Spot) best. Lichtquellform (Beispiel für Flächenlicht: Neonröhre) Diese Lichtquellen unterscheiden sich zum einen in der Richtung der Lichtstrahlen, als auch in der Eigenschaft, das die Lichtintensität mit zunehmender Entfernung abnimmt. So strahlt die Punktlichquelle zum Beispiel in alle Richtung gleich hell, aber die Intensität wird dunkler mit zunemender Entfernung, während beim gerichteten Licht die Straheln nur in eine Richtung strahlen und die Intensität nicht abnimmt. Eine weitere Lichtquelle sei hier noch erwähnt- das sogenannte ambiente Licht. Dieses existiert nicht in der Natur, sondern ist eine Nachbildung des indirekten Lichts. Dies sorgt für die Grundhelligkeit in Objekten. 2.2 Phong Beleuchtungmodell Das von Bui Tuong Phong entwickelte Verfahren ist ein reines empirsches Beleuchtungsmodell, das keinsfalls auf physikalischen Eigenschaften basiert, sondern nur durch ausprobieren entwickelt wurde. Hierbei wird das Licht in 3 Komponenten aufgeteilt: - Ambienter Lichtanteil ( I ambient ) - Diffuse Reflexion ( Idiffus ) -Spiegelnde Reflexion ( Ispekular ) Diese Lichtintensitäten werden aufaddiert um die Lichtstärke in einem Punkt zu berechenen Ambienter Lichtanteil Iambient=Il * Ka Die Lichtstärke in einem Punkt setzt sich also aus der Lichtstärke des ambienten Lichts und einer Konstante für die "ambiente Reflektion" zusammen. Ka kann für jedes Objekt anders gewählt werden, während Il für die Szene festgelegt wird Diffuser Lichtanteil Idiffus=Il * cos(nl) * Kd Hierbei ist Il die Lichtstärke des einfallenden Lichts pro Lichtquelle. Kd ist eine Konstante für die diffuse Reflektion. "nl" ist der Winkel des einfallenden Lichts (siehe Bild 5).

7 2.2.3 Spiegelnder Lichtanteil Ispecular=Il * cos(vr) phong * Ks Winkel vr ist hierbei der Winkel des Betrachters zum Ausfallenden Licht. Durch die Konstante "phong" wird die "glossy" Eigenschaft festgelegt, d.h. wie perfekt die Reflektion sein soll Zusammen Bild 8 3 Shading Shading beschreibt allgemein die Simulation der Oberfläche. Dabei wird festgelegt, welche Punkte in die Berechnung einfließen, sowie ob und wie dazwischen Interpoliert wird. Im Folgenden werden wir das Polygon Shading betrachten. Bild 9 Dabei wird klassischer Weise ein Model aus Dreiecken benutzt. Dabei gilt, dass je kleiner die Dreiecke sind, desto genauer wird die Simulation. Auf diesem Model findet dann eine Farbberechnung durch verschiedene Shading- Verfahren statt, bevor am Ende das Objekt eingefärbt

8 wird. Einige Verfahren werden nun im Folgenden nährer erläutert. 3.1 Flat- Shading Flat Shading ist eines der simpleren mathematischen Verfahren zur Oberflächenberechnung. Hierbei bekommt jedes Dreieck nur eine einzige Farbe. Den Farbwert berechnet man entweder aus dem Mittelwert der Eckpunkte oder aus dem Mittelpunkt des Dreiecks. Diese sehr einfache Berechnung hat allerdings den Nachteil, dass sie sehr starke Qualitätseinbußen hat. Ein Grund dafür ist zum Beispiel der sogenannte Mach-Band Effekt. Dieser äußert sich durch Kanten zwischen Dreiecken wie in Bild 9 deutlich zu sehen ist. Die Tatsache, dass das menschliche Auge solche Kanten verstärkt wahrnimmt, verschlechtert die Qualität zusätzlich. Dieses Verfahren ist sehr gut, solange die Polygongröße einem Pixel entspricht. Bild Gouraud- Shading Gouraud- Shading ist eine Verbesserung des Flat-Shading. Hierbei hat das Dreieck nichtmehr eine Farbe, sondern durch die Interpolation zwischen den Eckpunkten einen Farbverlauf. Dieses geschieht typischerweise per baryzentrischer Interpolation. Baryzentrische Interpolation bentutzt baryzentrische Punkte. Die Lage eines Punktes wird dabei nicht absolut, sondern im Bezug auf eine gegeben Strecke angeben. Dies ist ein Spezialfall von homogenen Koordinaten. Die Verbesserung der Qualität (bei gleichbleibender Polygonzahl) ist deutlich zu erkennen. Hier wurden die Kontraste zwischen den Dreiecken stark reduziert. Außerdem haben wir eine Andeutung einer Objektkrümmung. Der theroetische Nachteil des Gouraud Shading gegenüber des Flat-Shadings ist eine Erhöhung der Rechenzeit. Allerdings ist dies heutzutage nichtmehr relevant. Allerdings hat auch das Gouraud Shading einen großes Manko: Es stellt Highlights nicht richtig dar (siehe Bild 12). Bild 11

9 Wenn sich die Kugel dreht, "springt" das Glanzlicht hin und her. Dieses liegt daran, dass das Glanzlich, solange es direkt auf die Mitte des Polygons strahlt, garnicht dargestellt wird, da es durch die Interpolation verschwindet. Trifft es dagegen auf einen Eckpunkt strahlt es unnatürlich weit aus. (Auch wieder durch die Interpolation). Durch eine Erhöhung der Plygonanzahl kann dieser Effekt - durch Erhöhung der Rechenzeit - vermindert werden. Bild Phong Shading Dieses Shadingverfahren sollte trotz ähnlichen Namens nicht mit dem Phong Beleuchtungsmodell verwechselt werden. Dieses Verfahren unterscheidet sich grundlegend von den Bisherigen. Bisher wurde zunächst immer ein Farbwert berechnet und dieser Farbwert entweder fürs Dreieck hergenommen oder aber er wurde interpoliert. Beim Phong Shading hingegen wird die Farbe als letztes berechnet. Hierbei wird zunächst die Normale in den Eckpunkten berechnet und anschließend werden die Normalen interpoliert und normiert. Erst jetzt wird in jedem Punkt die Farbe berechnet. Natürlich ist dieses Verfahren rechenintensiver als die anderen Beiden. Dafür ist das Ergebnis auch deutlich Realitätsnäher: Bild 13

10 4 Globale Beleuchtung Es ist zu beachten, dass in manchen Szenen ein großer Lichtanteil aus der indirekten Beleuchtung kommt. Dieses kann erst in der globalen Beleuchtung beachtet werden. Bild 14 Bild 15 Beim Vergleich der beiden Bilder fällt auf, dass bei nur dirketer Beleuchtung (Bild 15) Dinge wie zum Beispiel die Decke oder die Seiten der Quader schwarz sind, weil kein Lichstrahl der Deckenleuchte dort direkt auftritt. Sobald man allerdings global Beleuchtet (Bild 14) und inderektes Licht hinzuzieht wird die Decke sehr hell und an den Seiten der Quader ist die Farbe der Wand erkennbar. ACHTUNG: Bild 15 ist "direkt" beleuchtet, nicht "lokal". Zu erkennen ist dieses aus den Schatten. Bei lokaler Beleuchtung gibt es keine Schatten. 5 Quellen Lehrbuch der Grafikprogrammierung Klaus Zeppenfeld

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