Beleuchtung Schattierung Rasterung

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1 Beleuchtung Schattierung Rasterung Thomas Jung Beleuchtung, Schattierung und Rasterung in allen Echtzeit-3D-Umgebungen gleich OpenGL Direct3D 3dsmax,... Letzter Bestandteil der Grafikpipeline Geometrische Transformationen (2. VL) Verdeckungsbehandlung (letzte VL) Später: Integration von Texturierung Oberflächen Ambiente Reflexion Lichtquellen Gerichtetes Licht Punktlichtquellen Spots/Lichtkegel Globales Beleuchtungsmodell für Fotorealistische Darstellungen Emission und Reflexion von Licht in Szenen Raytracing: Spiegelnde Inter-Objekt-Reflexion Radiosity: Diffuse Inter-Objekt-Reflexionen Lokales Beleuchtungsmodell.. für Realzeitanforderungen Verwendung in OpenGL, VRML,... Vernachlässigung von Inter-Objekt-Reflexionen Reflektanzvektor R Augvektor. A Normale N Halbvektor H Lichtvektor L Normale liegt in der Mitte zwischen Licht- und Reflektanzvektor Halbvektor liegt in der Mitte zwischen Licht- und Augvektor 1

2 Ambiente Reflexion Sorgt für generelle Szenenaufhellung Hebt Profil eines Objektes hervor Sorgt für Glanzlichter Abhängig vom Winkel zwischen Lichtvektor und Oberflächennormale Unabhängig vom Betrachterstandpunkt Gemäß Lambertschem Gesetz Johann Heinrich Lambert Je spitzer der Winkel der Fläche zur Lichtquelle desto weniger Lichtenergie gelangt auf die Oberfläche (Bildquelle: Wikipedia) kd = Konstant pro Oberfläche Um zu garantieren, daß Objekt sichtbar ist Repräsentiert diffuse Inter-Objekt-Reflexion Genauere Betrachtung im Radiosity-Verfahren Abhängig vom Betrachterstandpunkt Sorgt nur für Glanzlicht ks bestimmt Intensität (Helligkeit) Shininess kn bestimmt Fokussierung (Größe) (Ambiente Reflexion ka=0.1 Diffuse Reflexion kd=0.45) ka = (Diffuse Reflexion kd = 0.4) Zwischen Lichtvektor und Oberflächennormale Tuong-Phong, Bui ( ) (Quelle Zwischen Augvektor und Reflektanzvektor bzw. Halbvektor und Oberflächennormale A B 0 90 I, k a, k d und k s sind Intensitäten Bei farbiger Reflexion Intensitäten für R, G und B Reflektanzvektor R Augvektor. A Normale N Halbvektor H Lichtvektor L 2

3 Lichtenergie von Punktlichtquellen nimmt ab mit dem Quadrat der Entfernung (dl) Lineare Abschwächung erzielt akzeptable Bildqualität c 1 c 2 c dl = Depth Cueing modelliert atmosphärische Effekte, Nebel lineare Abschwächung von Frontplane zu Backplane ¼ ¼ ½ 010 Nierenstein unter dem Rasterelektronenmikrosko (Quelle :Wikipedia) N = Normale, V = Beleuchteter Punkt a = ambient, d = diffus s = spiegelnd, e = emmisiv c = Farbe, p = Position, d = Richtung Oberfläche wird durch viele kleine Facetten (Spiegel) approximiert Beckmannsche Microfacettenverteilung m = Material, s = Szene, li = Licht s d = Spotrichtung, s r = Spotexponent (0..128), c r = Spotwinkel (0..90, 180) k 0 = Konstante -, k 1 = Lineare - und k 2 = quadr. Abschwächung Fresnel-Gleichung: Reflektionsverhältnis Geometrische Abschattung der Microfacetten Phong Torrance und Sparrow Steiler Einfallswinkel Flacher Einfallswinkel Fixed-Function-Pipeline (bis OpenGL2) bot einfach zu benutzende Befehle glmaterial, gllight, etc. war beschränkt auf Gouraud-Shading unterstützte viele moderne Shading-Effekte nicht Ist weiterhin über Compability-Extension verfügbar! Programmierbare Pipeline (ab OpenGL2) Erlaubt nahezu beliebige Shading-Effekte inclusive Phong- Shading Bietet aber kein dediziertes API mehr Achtung: OpenGL1-Befehle dann also nicht mehr nutzbar! 3

4 Lokale Beleuchtungsmodelle ohne Inter-Objekt- Reflexion Materialien und Lichtquellen Ambiente, Diffuse und Spiegelnde Reflexion Abschwächung mit der Entfernung Physikalisch-basierte Beleuchtung Anwendung (CPU) (Quelle: ) Aufteilung der Polygone in Dreiecke Dreiecke sind garantiert konvex und planar Nach der Projektion Aufteilung der Dreiecke in obere und untere Hälfte Setup Bestimmung der Steigungen und Ableitungen für Parameterinterpolationen Rasterung mit Hilfe von Doppelschleife Rasterisierung erfolgt zeilenweise Veränderungen des Startpixels (dl) und des Endpixels (dr) pro Scanline bestimmen Hier dl = -1, dr = 0.48 xstart = xende = x1 dl = (xl x1) / (yende ystart) dr = (xr x1) / (yende ystart) für y von ystart bis yende für x = xstart bis xende generierepixel(x,y) xstart = xstart + dl xende = xende + dr x x1 y yende ystart Ausschnitt Klipping an Rechteck: Scissoring Maskieren nach Muster: Stenciling Z-Speicher für korrekte Sichtbarkeit Einfärbung Schattierung Texturierung Transparenz Blending zur Berücksichtigung von Transparenz Logische Verknüpfung mit Pixel im Bildspeicher Konstante Schattierung (CPU) Beleuchtung anhand der Flächennormalen Alle Pixel erhalten diesen Farbwert Facettenstruktur wird betont Gouraud-Schattierung (Rasterer) Beleuchtung anhand der Eckpunktnormalen im Vertex Shader Farbwerte der Eckpunkte werden interpoliert Phong-Schattierung Nicht zu verwechseln mit Beleuchtungsmodell! Interpolation der Normalen (Rasterer) Beleuchtung anhand der interpolierten Normalen pro Pixel im Fragment Shader 4

5 Konstantschattierung anhand der Flächennormalen Gouraudschattierung: Normale pro Eckpunkt Interpolation der Eckpunktfarben Phong- Schattierung: Normale pro Pixel xstart = xende = x1 dl = (xl x1) / (yende ystart) dr = (xr x1) / (yende ystart) fl = f1 dfl = (fl fs) / (yende ystart) df = (fr fl) / (xr xl) für y von ystart bis yende f = fl für x = xstart bis xende f = f + df generierepixel(x,y,f) xstart = xstart + dl xende = xende + dr fl = fl + dfl x x1 y yende ystart Glanzlichter innerhalb eines Dreiecks Korrekte Darstellung von Spots Voraussetzung für echtes Bumpmapping Spots auf Viereck Häufigere Auswertung der Beleuchtungsformel Höherer Aufwand Konstant Gouraud Phong Bumpmapping Renderingpipeline beinhaltet Geometrische Transformationen, Verdeckungsbehandlung, Beleuchtung und Schattierung Beleuchtung wird durch Lichtquellen und Materialien beeinflußt: Phong-Modell Rasterung von Polygonen Pro Pixel Stenciling, Z-Speicher, Schattierung und Texturierung Konstante, Gouraud- oder Phong-Schattierung 5

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