Graphische Datenverarbeitung und Bildverarbeitung

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1 Graphische Datenverarbeitung und Bildverarbeitung Hochschule Niederrhein Shading-Verfahren Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren Einordnung in die Inhalte der Vorlesung Einführung mathematische und allgemeine Grundlagen Hardware für Graphik und Bildverarbeitung Graphische Grundalgorithmen (Zeichnen graphischer Primitive, Methoden für Antialaising, Füllalgorithmen) Bildaufnahme (Koordinatenssteme, Transformation) Durchführung der Bildverarbeitung und -analse Fourier Transformation Bildrestauration Bildverbesserung (Grauwertmodifikation, Filterverfahren) Segmentierung Morphologische Operationen Merkmalsermittlung und Klassifikation Erzeugung von Bildern in der Computergraphik Geometrierepräsentationen Transformationen in OpenGL Clipping in 2D und 3D Hidden Surface Removal Beleuchtungsberechnung Shading Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 2

2 Beleuchtungsmodelle beschreiben die Faktoren, die die Farbe eines Objektes an einem bestimmten Punkt bestimmen Unterscheiden in: Wiederholung - Beleuchtungsmodelle Globale Beleuchtungsberechnung Einbeziehung aller Objekte einer Szene, um die Farbe an einem Punkt zu bestimmen, Interaktion Lichtquelle-Objekt und auch Interaktion Objekt-Objekt, oft phsikalisch basiert (Erhaltungssätze) Methoden: Ratracing, Radiosit Lokale Beleuchtungsberechnung Einschränkung:nur Interaktion Lichtquelle mit einem Objekt, Integriert in das Pipeline-Konzept der Graphikhardware, oft heuristisch, approximierend einfacher als globale Beleuchtungsberechnung Methoden: Beleuchtungsmodell nach Phong Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 3 Interaktion von Licht mit Oberflächen Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 4

3 Interaktion von Licht mit Oberflächen Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 5 Beleuchtungsmodell nach Phong am häufigsten verwendetes Modell in der Computergraphik heuristisches Modell, nicht phsikalisch basiert Modelliert Beleuchtung aus drei Anteilen: I phong = I a + I d + I s Ambienter Anteil - Grundhelligkeit in der Szene -Simuliert Streuung des Lichtes durch Oberflächen (indirekte Beleuchtung) - Unabhängig von Betrachterstandpunkt und vom einfallendem Licht Diffuser Anteil -Reflexion an matten Oberflächen -Gleichmäßig in alle Richtungen -Unabhängig vom Betrachterstandpunkt Spekularer Anteil -Gerichtete Reflexion an spiegelnden Oberflächen -Abhängig vom Betrachterstandpunkt -Erzeugt Glanzpunkte Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 6

4 ka+kd+ ks= Beleuchtungsmodell nach Phong I Phong = I a k a + I i k d (L N) + I i k s (R V) n L N R Ambienter Term modelliert Licht, dass von anderen Oberflächen gestreut wird V Diffuser Term modelliert Reflexion an matten Oberflächen, unabhängig von der Betrachtungsrichtung L-Vektor zur Lichtquelle N-Oberflächennormale R-Reflektierter Lichtstrahl V-Vektor zum Betrachter Spekularer Term modelliert Reflexion an spiegelnden Oberflächen, abhängig von Betrachtungsrichtung, erzeugt Glanzpunkte Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 7 Realisierung in OpenGL Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 8

5 Algorithmen, die ein Beleuchtungsmodell anwenden, um Farbwerte für jeden Pixel zu bestimmen brute force : Berechnen der Oberflächennormale für jeden Punkt der Oberfläche, bestimmen der Farbe an jedem Punkt extrem aufwendig Interpolative Shading-Verfahren für polgonale Modelle Verfahren unterscheiden sich darin, an welchen Stellen das Beleuchtungsmodell ausgewertet wird: - Flat Shading - Gouraud-Shading - Phong-Shading Shading-Verfahren Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 9 Flat Shading auch bekannt als constant shading Anwenden des Beleuchtungsmodells auf einen Punkt eines Polgons und Darstellen des gesamten Polgons mit der berechneten Farbe/Intensität korrekt anwendbar, wenn: - Lichtquelle im Unendlichen, so daß N L konstant für das Polgon - Betrachter im Unendlichen, so daß R V konstant für das Polgon - Polgon repräsentiert die wirkliche Objektoberfläche, keine Approximation einer gekrümmten Fläche ansonsten: einzelne Polgone deutlich sichtbar einfache Implementierung, sehr schnell, aber geringe Qualität Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 0

6 Flat Shading Warum sind die Diskontinuitäten (math. Unstetigkeiten) an den Kanten so auffällig und störend? Visuelle Wahrnehmung: Kontraste werden verstärkt wahrgenommen; wahrgenommene Helligkeitsunterschiede sind stärker als die tatsächlichen (phsikalischen) Intensitätsunterschiede Ursache: Machband-Effekt (Kontrastüberhöhung) Reizwerte mehrerer Sinneszellen des Auges werden vor der Übermittlung an das Gehirn miteinander "verrechnet" Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren Interpolierende Shading-Verfahren Wlie, Romne, Evans, Erdahl (967): Beleuchtungswerte sind an den Ecken eines Dreiecks gegeben und werden über die Dreiecksfläche interpoliert Gouraud (97): Verallgemeinerung für beliebige Polgone besonders gut nutzbar in Scanlinien-Algorithmen, die schon über z-werte interpolieren müssen (z-buffer) Interpolierende Shading-Verfahren sind nicht phsikalisch korrekt! Nebeneffekt: Artefakte, die durch Approximation gekrümmter Flächen durch Polgone entstehen, werden vermindert. Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 2

7 Gouraud-Shading Berechnung der Intensitäts-/Farbwerte an den Eckpunkten eines Polgons Intensitäts-/Farbinterpolation für die restlichen Punkte Voraussetzung: Normale N v an den Eckpunkten muß bekannt sein - übernehmen von einer analtischen Oberflächenbeschreibung (wenn Polgongitter eine Approximation ist) - berechnen aus den Flächennormalen N i, i n der angrenzenden n Flächen aufwändiger als Flat-Shading, aber qualitativ besser Kanten zwischen Polgonen nicht mehr sichtbar Probleme, wenn Glanzpunkt in der Mitte eines Polgons ist Implementierung: in Hardware. Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 3 Gouraud-Shading Shading durch lineare Interpolation der Intensitäten entlang der Kanten und Scanlinien (zwischen den Kanten) I I I a b p = = = I I I b ( I I ) ( I I ) ( I I ) b 2 3 a x x b b s 2 s 3 x x p a Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 4

8 Gouraud-Shading polgonaler 3D-Modelle Schwierigkeit: glatte Übergänge an den Rändern von Polgonen Aufeinandertreffen von 4 oder 6 Polgone an einem Eckpunkt oft mit unterschiedlichen Normalen Betrachtung des gewichtete Durchschnitt der Normalen der angrenzenden Polgone als Normalen des Eckpunktes: n = n n + n + n n + n n + n 4 4 Voraussetzung: Datenstruktur, die die Zugehörigkeit von Eckpunkten repräsentiert (z.b. Liste von Eckpunkten, bei der jeder Eckpunkt einen Pointer auf die dort zusammentreffenden Polgone enthält) Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 5 Phong-Shading Shading durch Normaleninterpolation anstatt der Interpolation der Intensitätswerte Berechnung der Intensitätswerte mit den normalisierten interpolierten Normalen wesentlich aufwendiger in der Berechnung als Gouraud- Shading, aber beste Ergebnisse Glanzpunkte im Inneren eines Polgons werden korrekt dargestellt Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 6

9 Phong-Shading Berechnung der Normalen an den Eckpunkten wie bei Gouraud-Shading Interpolation der Normalenvektoren entlang der Kanten weitere Interpolation der Normalenvektoren entlang der Spannen Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 7 NI N I2N2 I I3 N3 N I2N2 I N3 Zusammenfassung Shading-Verfahren I3 Flat-Shading Gouraud-Shading Phong-Shading Ein Beleuchtungswert für das gesamte Polgon Interpolation der Beleuchtungswerte an den Eckpunkten Interpolation der Normalen an den Eckpunkten und Berechnen der Beleuchtungswerte Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 8

10 Aufwandsbetrachtung Flat-Shading Gouraud-Shading Phong-Shading 8 Polgone 2500 Polgone Polgone Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 9 Aufwandsbetrachtung Shading-Verfahren und Tesselierung austauschbar im Hinblick auf die Bildqualität je einfacher das Shading-Verfahren, desto feiner muss die Tesselierung sein für die gleiche Bildqualität Flat-Shading ist bei gleicher Bildqualität dann aufwendiger als Phong-Shading, da zusätzliche Aufwandserhöhung bei Transformationsberechnungen hinzukommt Gouraud-Shading am effizientesten Kombination aus Gouraud- Shading und Beleuchtungsmodell ist Standard bei den meisten Graphik-Sstemen Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 20

11 Zusammenfassung Vorgestellte Shading-Verfahren sind nicht (korrekt) phsikalisch basiert. Erreichen akzeptable Ergebnisse in zumutbarer Zeit Qualität ist abhängig vom verwendeten Beleuchtungsmodell und vom Shading-Verfahren. Beleuchtungsberechnung muss in Weltkoordinaten erfolgen (ein Bezugssstem für alle Koordinaten) Cosinus-Funktionen werden für viele Aspekte der Beleuchtungsberechnung eingesetzt (Intensität von Spotlichtern, gerichtete Reflexion f(φ), ungerichtetereflexion f(θ)) Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 2 Beispiele Rendern von Objekten mit Variation der Lichtquellen Beispiel: eleuchtung.c Beleuchtung.exe Berücksichtigung von Abschwächungsfaktoren Beispiel: Abschwaechung.c Abschwaechung.exe Variation des Shading-Verfahrens Beispiel: Shading.c Shading.exe Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 22

12 Farbdarstellung Farbspezifikation und Farbräume Hardwareorientierte Farbmodelle: Motiviert durch die Charakteristika von Ausgabegeräten. Beispiele: RGB- und CMY-Modell Perzeptionsorientierte Farbmodelle: Gleiche Abstände im Farbraum korrespondieren zu (etwa) gleichen Abständen in der Farbwahrnehmung. Nutzung von phsiologischen Größen: Farbton, -sättigung, - helligkeit Beispiele: HLS- und HSV-Modell Konsequenz: Hardwareorientierte Modelle sind unerlässlich; perzeptionsorientierte für die Farbeingabe wünschenswert Transformation notwendig Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 23 Farbspezifikation und Farbräume Hardwareorientierte Farbmodelle: RGB: Additives Farbmodell, bei dem Farben als Linearkombination ihres Rot, Grün, Blau-Anteils beschrieben werden. ( genutzt für Ansteuerung von Monitoren) OpenGL-Programmierung nutzt dieses Modell Spezifikation als Vektor: glcolor3f (.0, 0.0, 0.0) CMY: Subtraktives Farbmodell, bei dem Farben als Linearkombination ihres Can, Magenta, Yellow-Anteils beschrieben werden. ( genutzt für Ansteuerung von Druckern, beim Druck: Hinzunahme von reinem Schwarz) Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 24

13 RGB-Farbmodell Darstellung des sichtbaren Farbspektrums durch Mischen von Rot, Grün und Blau in verschiedenen Anteilen und Intensitäten Additives Modell: Mischung aller 3 RGB-Grundfarben ergibt zusammen Weiß Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 25 Transparenz Erweiterung des RGB-Farbmodells um Alpha-Komponente Alpha-Komponente einer Farbe ist die Grundlage für weitere wichtige Techniken in der 3D-Computergrafik:. Anti-Aliasing (Kantenglättung) 2. Nebel (Beispiel: fog.c fog.exe) 3. Beleuchtung und Schattierung 4. Texture-Mapping 5. Fading (langsames Ein- bzw. Überblenden eines Objektes) 6. Spezialeffekte, wie z.b. Rauch, Feuer, Explosion, Hubschrauber-Rotorblätter etc. Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 26

14 Implementierung der Farbmischung in OpenGL glenable(gl_blend) : Aktivierung des Zustandes für die Farbmischung glblendfunc() : Festlegung von vier sogenannten Source Faktoren (S r, S g, S b, S a ) und vier Destination Faktoren (D r,d g,d b,d a ) Source: Farbwert des Fragments, das neu dazu kommt Destination: Farbwert des Pixels, das bereits im Framebuffer steht glblendequation(): Festlegung der Verknüpfungsart Beispiel: glblendequation(gl_func_add); glblendfunc(gl_one, GL_ZERO); Alle Oberflächen sind undurchsichtig, neue Farbwerte sind R s, G s, B s, A s Beispiele: Antialiasing ( *.c, *.exe), Transparenz ( *.c, *.exe) Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 27 Probleme bei der Darstellung transparenter Flächen Unterschiedliche Ergebnisse bei Variation der Zeichenreihenfolge Beispiel: reihenfolge.c reihenfolge.exe Fehler bei Anwendung des z-buffer-algorithmus Beispiel: transparenz2.c transparenz2.exe Abhilfe:. Separation der opaken von den transparenten Objekten 2. Einschalten des z-buffering 3. Zeichnen der opaken Objekte 4. z-buffer auf read-onl setzen (gldepthmask(gl_false)) 5. Einschalten der Farbmischung und Spezifikation der Mischfunktion 6. Zeichnen der transparenten Objekte sortiert von hinten nach vorn 7. Ausschalten der Farbmischung 8. z-buffer auf beschreibbar schalten Graphische DV und BV, Regina Pohle, 22. Shading-Verfahren 28

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