Teil 7: Beleuchtung. Einleitung. Einleitung. Beleuchtungsmodelle, Schattierungsmodelle

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1 Beleuchtungsmodelle, Schattierungsmodelle Einleitung Beleuchtung vs. Schattierung Beleuchtung: Modell auswerten (anschl.) global vs. lokal phsikalisch (photo-realistisch?) vs. empirisch Phong-Modell Schattierung: Piel einfärben (VO,. Teil) Polgone schattieren (Flat, Gouraud, Phong) Einleitung Globale Beleuchtungsmodelle Modelle der globalen Lichtverteilung Schatten, Refleionen, Brechung, etc. Ra Tracing, Radiosit ( etra VOs) Lokale Beleuchtungsmodelle Modelle der lokalen Beleuchtung Empirische bzw. phsikalische Modelle

2 Beleuchtungsmodell Photorealismus eakte Repräsentation in der CG möglichst phsikalische Modelle Refleion von Licht, Transparenz, Tetur, Schatten, etc. Modellierung von Lichteffekten Phsik Pschologie Licht-Objekt nteraktionen Lichtquellen Reflektiertes Licht ist Summe von: Lichtquellenbeiträgen Objektbeitraege via Refleionen Ambientes Licht Lichtquellentpen Direktionales Licht Punktlichtquellen Spotlights, Flächer

3 Refleionseigenschaften a) spiegelnd b) gerichtet diffus c) diffus Objektfarbe Farbe Objekteigenschaft! "Farbe" = Refleionseigenschaft "Farbe" = Welche Anteile von (weißem) Licht werden reflektiert RGB (0.5, 0, 0.8) = in weißem Licht: Refleion = 50% Rot + 80% Blau, also Lila in rotem Licht: Refleion = 50% Rot, also (dünkleres) Rot in grünem Licht: Refleion = 0, also Schwarz! m Weiteren nur mehr Helligkeiten Umgebungslicht Ungerichtete (diffuse) Lichtquelle ntensität in Umgebung gleich Entsteht durch vielfache Refleionen an Oberflächen in der Umgebung Triviales Beleuchtungsmodell: = k a a a ntensität des Umgebungslichtes ambienter Refleionskoeffizient k a 3

4 Umgebungslicht Beispiele Objekthelligkeit nur von k a abhängig Keine Variation in Abhängigkeit von Flächenorientierung Unabhängig von Betrachtungsrichtung Erschwertes 3D- Wahrnehmen Diffuse Refleion () Jeweils konstant für eine Fläche Unabhängig v. Betrachtungsrichtung Abhängig von Beleuchtungsrichtung Dünkler, wenn schräg angeleuchtet Verbessertes 3D- Wahrnehmen Diffuse Refleion () deale diffuse Refleion (Lambertsche Reflektoren) Helligkeit hängt von der Lage der Fläche in Bezug auf das Licht ab

5 Diffuse Refleion (3) Lamberts Gesetz Flächenhelligkeit ist proportional zu cosθ θ Winkel(L, N) Diffuse Refleion () k d variiert Diffuse Refl. und Umgebungslicht Diffuse Refleion (5) diff = k a a + k ( N L) d l 5

6 Spiegelnde Oberflächen deale Spiegel vs. nicht-ideale Spiegel Viele Materialien spiegeln nicht nur aber verstärkt in eine Richtung Spiegelnde Refleion () Empirisches Phong Modell Abhängig von Winkel φ zw. V und R V Betrachtungsvektor R Refleionsvektor Spiegelnde Refleion () Empirisches Phong Modell n s gross glänzende Fläche n s klein dumpfe Fläche 6

7 Spiegelnde Refleion (3) Je größer n s, desto kleiner das Highlight n s =8 n s =6 n s =8 n s =56 Spiegelnde Refleion () Berechnung von R R + L = (N L) N R = (N L) N L Keine Winkeloperationen! Spiegelnde Refleion (5) Eponent vs. k s 7

8 Spiegelnde Refleion (6) Variation von Blinn (Torrance): = k ( N H ) spec s l n s H = L + V L + V Spiegelnde Refleion (7) Abhängig v. Betrachtungsrichtung Abhängig von Beleuchtungsrichtung Sehr gutes 3D-Wahrnehmen Kombination Für eine Lichtquelle: Für mehrere Lichtquellen: 8

9 Andere Aspekte Nicht-isotropes Licht Abnahme von Lichtintensität mit Entfernung Transparenz (Snells Gesetz) Schatten Polgone schattieren Anwendung von Beleuchtungsmodellen auf Polgone Schattierungsmodelle Polgone nach Transformationen und Abbildung mit Farbwerten füllen Flat-Shading: Lambertsches Beleuchtungsmodell Farbwert pro Polgon Vorteil: sehr schnelle Berechnung Nachteile: starker Mach-Band Effekt, unrealistisches Aussehen Besser: Gouraud-, Phong-Shading 9

10 0 Gouraud Schattierung () nterpolation von Helligkeiten gemittelte Normale in Ecken bestimmen dann dort Beleuchtungsmodell evaluieren Ergebnisse, i.e., ntensitäten dann linear interpolieren = = = n k k n k k V N N N Gouraud Schattierung () Helligkeiten interpolieren + = p p p + = Gouraud Schattierung (3) nkrementelles nterpolieren + = + =

11 Gouraud Schattierung () Schattierung stetig ( flat shading) Aber Mach-Band Effekte Probleme mit high-lights S v R+( v) R' R=t S +( t) S R'=u S +( u) S 3 S S 3. Normale in den Ecken bestimmen durch Mittel der angrenzenden Polgone. Beleuchtungsmodell evaluieren und entlang der Polgonkanten interpolieren 3. nnerhalb des Polgons entlang scan-lines interpolieren Phong Schattierung () Normalvektoren interpolieren wieder Normale in den Ecken bestimmen dann aber diese Normale interpolieren Beleuchtungsmodell bei jeder scan-line evaluieren

12 Phong Schattierung () Normalvektoren interpolieren N = N + N Phong Schattierung (3) nkrementeller Normalvektor-update entlang von scan-lines und vertikal Vergleich zu Gouraud Schattierung High-lights besser kaum Mach-Band Effekte teurere Berechnung S. Normale in den Ecken bestimmen. Normale entlang Polgonkanten interpolieren 3. Normale innerhalb Polgon entlang scanlines interpolieren und fuer jedes piel Beleuchtungsmodell evaluieren

13 Probleme bei nterpolationen Polgon-Silhouette nterpolationsartefakte durch die vorgegebene scanline -Richtung Orientierungsabhängigkeit Perspektivische Abhängigkeit Unrepräsentative Eckpunktnormalen Abhilfe: feinere Triangulierung (führt zu kompleen Modellen) Vergleich () Flat Shading vs. Gouraud vs. Phong Vergleich () Flat Shading vs. Gouraud vs. Phong 3