Rendering: Lighting and Shading

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1 Rendering: Lighting and Shading Hauptseminar: How to make a Pixar Movie

2 Inhalt Einführung Was ist Rendering Was ist Reflexionsmodelle Lighting Shading Globale Beleuchtungsmodelle Zusammenfassung 2/53

3 Inhalt Einführung Lighting lokale / globale Beleuchtung Beleuchtungsmodelle Phong Beleuchtungsmodell Shading Globale Beleuchtungsmodelle Zusammenfassung 3/53

4 Inhalt Einführung Lighting Shading Was für Shading gibt es? Wie funktioniert Polygon Shading? 3 Polygon Shading - Verfahren Globale Beleuchtungsmodelle Zusammenfassung 4/53

5 Inhalt Einführung Lighting Shading Globale Beleuchtungsmodelle Was ist globale Beleuchtung Umsetzung globaler Beleuchtung Zusammenfassung 5/53

6 Inhalt Einführung Lighting Shading Globale Beleuchtungsmodelle Zusammenfassung 6/53

7 Einführung 7/53

8 Was ist Rendering Rendern (= Bildsynthese) Erzeugung eines Bildes aus Rohdaten Typische Aufgaben Verdeckungsberechnung Lighting Shading Unterschiede in: interaktive Synthese von Bildern in Echtzeit realistische Bildsynthese (Realitätsnähe) 8/53

9 Was ist Lighting die Art wie Objekte bestrahlt und beleuchtet werden versch. Beleuchtungsmodelle Shading Allgemein: Simulation der Oberfläche 9/53

10 Reflexionsmodelle Diffuse Reflexion Spiegelnde Reflexion Glossy Reflexion 10/53

11 Diffuse Reflexion besonders auf rauen Flächen Einfallswinkel!= Ausfallswinkel Reflektion in alle Richtungen Betrachtungswinkel egal Fläche erscheint aus allen Betrachtungswinkeln gleich hell 11/53

12 Diffuse Reflexion Lichtstärke der Reflexion hängt ab von: Lichtstärke des einfallenden Lichts (L = Light) Reflektionsfaktor des Materials Einfallswinkel des Lichts ( nl ) Je flacher, desto dunkler L N nl L N 12/53

13 Diffuse Reflexion Lichtstärke der Reflexion hängt ab von: Lichtstärke des einfallenden Lichts Reflektionsfaktor des Materials Einfallswinkel des Lichts Je flacher, desto dunkler m 2c 2,82cm 2cm 13/53

14 Spiegelnde Reflexion besonders auf glatten Flächen perfekte / spiegelähnliche Reflektion Einfallswinkel = Ausfallswinkel Spiegelung der Lichtquelle 14/53

15 Spiegelnde Reflexion Lichtstärke der Reflexion hängt ab von: Lichtstärke des einfallenden Lichts ( L ) Reflektionsfaktor des Materials Ausfallwinkel des Lichts (R = reflection) Blickwinkel des Betrachters (V = viewer) L N R nl = nr rv V 15/53

16 Glossy Reflexion Keine perfekte spiegelnde Reflexion L N R Reflektion in Richtung R Entstehung von Highlights 16/53

17 Lighting 17/53

18 Lokale / Globale Beleuchtung Lokal Farbe eines Punktes wird bestimmt durch: Materialeigenschaften Lichtquellen Standpunkt des Betrachters Global zusätzlicher Einfluss: alle anderen Objekte der Szene 18/53

19 Lokale / Globale Beleuchtung lokal global + sehr einfach und schnell fotorealistisch Schattenwurf - Qualität aufwendig 19/53

20 Beleuchtungsmodelle Punktlicht z.b. Glübirne strahlt in alle Richtungen Intensität nimmt mit zunehmender Entfernung ab 20/53

21 Beleuchtungsmodelle gerichtetes Licht (direktional) z.b. Sonne Lichtstrahlen parallel gleichbleibende Intensität 21/53

22 Beleuchtungsmodelle Spotlicht z.b. Spotlichter Punktlichtquelle Strahlen innerhalb eines best. Winkels (weicher Übergang) 22/53

23 Beleuchtungsmodelle Ambientes Licht Existiert in der Natur nicht Grundhelligkeit der Objekte Nachbildung des indirekten Lichts 23/53

24 Beleuchtungsmodelle Bestimmte Lichtquellformen z.b. Flächenlicht Realität: Neonröhre Fläche als Lichtquelle Intensität nimmt mit zunehmender Entfernung ab schwerer zu Modellieren 24/53

25 Phong Beleuchtungsmodell Empirisches Modell Beruht nicht auf Physikalischen Gesetzen Wurde angenähert Für die Commputergrafik entwickelt 25/53

26 Phong Beleuchtungsmodell Aufteilung des refl. Lichts in 3 Komponenten: Ambienter Lichtanteil ( Iambient ) Diffuse Reflexion ( Idiffus ) Spiegelnde Reflexion ( Ispekular ) 26/53

27 Phong Beleuchtungsmodell I= Iambient + Idiffus + Ispekular I = Lichtintensität in einem Punkt 27/53

28 Phong Beleuchtungsmodell ambienter Lichtanteil Iambient=Il * Ka Il = Intensität des ambienten Lichts Ka = Konstante des ambienten Reflexionsgrades der Fläche 28/53

29 Phong Beleuchtungsmodell Diffuse Reflexion Idiffus=Il * cos(nl) * Kd n = Flächennormale l = Lichtquelle Il = Intensität des einfallenden Lichts pro Lichtquelle Kd = Konstante des diffusen Reflexionsgrads der Fläche 29/53

30 Phong Beleuchtungsmodell Spiegelnde Reflexion phong I =I * cos( vr) * Ks specular l v = Betrachter r = reflektierter Strahl Il = Intensität des einfallenden Lichts pro Lichtquelle phong = Materialkoeffizient Ks = Konstante des spiegelnden Reflexionsgrads der Fläche 30/53

31 Shading 31/53

32 Shading Polygon - Shading Teil des Renderingprozesses Festlegung der zu berechnenden Punkte Festlegung der Interpolation dazwischen Renderman 32/53

33 Polygon Shading - Wie gehts? Klassische Durchfühung Objekt in Dreiecke aufteilen je kleiner die Dreiecke, desto genauer Farbberechnung durch (versch.) Schadingverfahren Einfärben des Objekts 33/53

34 3 Polygon Shading - Verfahren Polygon Shadingverfahren: Flat-Shading Gouraud-Shading Phong-Shading 34/53

35 1. Flat-Shading einfachstes Verfahren jedes Dreieck hat nur eine Farbe Farbe= Mittelwert der drei Eckpunkte zur Berechnung: Normalenvektor der Eckpunkte 35/53

36 1. Flat-Shading x * Polygonanzahl Links = Polygonanzahl Rechts Durch erhöhte Anzahl an Dreicken => Bessere Qualität 36/53

37 1. Flat-Shading 16 * Polygonanzahl Links = Polygonanzahl Rechts Durch erhöhte Anzahl an Dreicken => Bessere Qualität 37/53

38 1. Flat-Shading Vorteil: sehr schnelle Berechnung Nachteile: sehr starke Qualitätseinbußen Mach-Band-Effekt zw. Dreiecken entstehen Kanten verstärkte Wahrnehmung solcher Kanten durchs Auge 38/53

39 2. Gouraud-Shading Verbesserung des FlatShading Berechnung der Farbe in den 3 Eckpunkten Mittelwert aller Normalen im Eckpunkt Interpolation zw. Punkten zweistufig baryzentrische 39/53

40 baryzentrische Interpolation Zuhilfenahme von baryzentrischen Punkten Spezialfall von homogenen Koordinaten Punktlage in Bezug auf gegebene Strecke 40/53

41 2. Gouraud-Shading Flat - Shading vs. Gouraud - Shading 41/53

42 2. Gouraud-Shading Vergleich mit Flat-Shading Vorteile: Verringerung von Kontrasten zw. den Dreiecken Andeutung einer Objektkrümmung Nachteile: theoretisch: Erhöhung der Rechenzeit praktisch: keine Highlights (Glanzlichter) nicht richtig dargestellt vgl. Bild auf nächster Folie 42/53

43 2. Gouraud-Shading 43/53

44 3. Phong-Shading Interpolieren der Normalen Berechnung der Beleuchtung in JEDEM Punkt 44/53

45 3. Phong-Shading Vorteil: sehr Realitätsnah! Nachteil: deutlich Rechenintensiver 45/53

46 Renderman Shader von Pixar Algorithmus: Reyes 46/53

47 Globale Beleuchtung 47/53

48 Was ist Globale Beleuchtung kleiner Lichtteil kommt aus direkten Lichtquellen größerer Teil kommt aus Reflexionen von anderen Objekten der Szene Alles zusammen ist globale Beleuchtung 48/53

49 Globale vs. Lokale Beleuchtung 49/53

50 Globale Beleuchtung 50/53

51 Zusammenfassung 51/53

52 Lesson learned Reflexionsmodelle spiegelnde / diffuse / glossy Reflexion Beleuchtungsmodelle Punkt- / Strahl- / Spot- / Flächenlicht, ambientes Licht Phong Beleuchtung Shadingverfahren Flat- / Gouard- / Phong Shading Globale Beleuchtung 52/53

53 Ende Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Noch Fragen? 53/53

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