Rendering. (illumination/shading) Beleuchtungsmodelle. Schattierung von Polygonen. Lokale Beleuchtungsmodelle

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Kai Hermann
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1 Beleuchtung/Schattierung (illumination/shading) Beleuchtungsmodelle Globale Beleuchtungsmodelle Lokale Beleuchtungsmodelle Schattierung von Polygonen 1. Flat shading 2. Gouraud Shading 3. Phong Shading

2 Beleuchtungsmodelle lokale vs. globale Modelle Lokales B.-Modell Globales B.-Modell

3 Lokale vs. globale Beleuchtungsmodelle Lokale B.-Modelle berücksichtigen keine Interreflexion innerhalb der Szene. Globale B.-Modelle berücksichtigen Energietransport zwischen Szenenelementen.

4 Globale Beleuchtungsmodelle Ray tracing: Strahlen vom Augenpunkt durch Bildebene werden auf Schnitt mit Objekten untersucht. Bei Schnitt wird Beleuchtung aus lokalem Anteil und rekursivem Anteil (Strahlen vom Schnittpunkt in Reflektionsrichtung) berechnet.

5 Globale Beleuchtungsmodelle Raytracing:

6 Globale Beleuchtungsmodelle Radiosity: Basiert auf der Berechnung von Energieaustausch in einem geschlossenen System. Von Lichtquellen wird Energie (Radiosity) verschossen und von Szenenelementen reflektiert bis Energiegleichgewicht herrscht.

7 Lokales Beleuchtungsmodell: Phong Modell (1975) Modelliert drei Reflexionsarten Perfekt spiegelnde Reflexion (specular reflection) Nichtperfekte, spiegelnde Reflexion Perfekt diffuse Reflexion (diffuse reflection) + ambientes Licht

8 Phong Modell Reflektiertes Licht = ambientes Licht + diffuse Komponente + spiegelnde Komponente

9 Phong Modell Ambientes Licht simuliert Umgebungshelligkeit, verursacht durch Interobjektreflexionen. Hier notwendig, damit Szenen nicht zu dunkel werden. I ambient =k a I a, 0 k a 1

10 Phong Modell, ambientes Licht

11 Phong Modell Diffuse Reflexion modelliert ideale, in alle Richtungen gleichmäßig relektierende Oberfläche I diffuse =k d I L cos θ =k d I L L N, 0 k d 1 (Normierte Vektoren L,N)

12 Phong Modell, diffuse Reflexion

13 Phong Modell Spiegelnde Reflexion modelliert ideal und nichtideal reflektierende Oberflächen. I specular =k s I L cos n =k s I L R V n, 0 k s 1 (Normierte Vektoren R,V)

14 Phong Modell I =k I cos n =k I R V n, 0 k 1 specular s L s L s cos n α

15 Phong Modell, spiegelnde Reflexion

16 Phong Modell Putting it all together: I = I ambient I diffuse I specular =k a I a k d I L L N k s I L R V n k a I a I L k d L N k s R V n, k a k d k s =1 H

17 Beleuchtung/Schattierung Schattierung von Polygonen 1. Flat Shading 2. Gouraud Shading 3. Phong Shading

18 Schattierung von Polygonen Flat Shading: Jedes Polygon bekommt eine konstante Farbe zugewiesen, z.b. aus Anwendung des Phong-Modells in der Mitte des Polygons oder an der ersten Polygonecke.

19 Flat Shading

20 Schattierung von Polygonen Gouraud Shading: Interpolierendes Verfahren. Pixelfarbe wird aus Interpolation der Farbwerte der Eckpunkte der Dreiecke (triangulierte Polygone) ermittelt.

21 Schattierung von Polygonen Gouraud Shading: Ermittlung der Ecknormalen durch Durchschnittsbildung der Normalen der angrenzenden Polygone. N = N 1 N 2 N 3 N 4 N 1 N 2 N 3 N 4

22 Schattierung von Polygonen Gouraud Shading: Interpolation der Eckfarbwerte y I 1 1 y s I a I b scanline I a =I 1 I 1 I 2 y 1 y s y 1 y 2 y 2 y 3 I 2 I P I b =I 1 I 1 I 3 y 1 y s y 1 y 3 I 3 I P =I b I b I a x b x p x b x a

23 Gouraud Shading

24 Schattierung von Polygonen Phong Shading: Interpolierendes Verfahren. Pixelfarbe wird aus Interpolation der Normalvektoren der Eckpunkte der Dreiecke (triangulierte Polygone) ermittelt.

25 Schattierung von Polygonen Phong Shading: N A N P N B I P I P =Phong-Modell(N P )

26 Phong Shading Normalenvektoren werden nach der Interpolation normiert und in das Weltkoordinatensystem rücktransformiert. Danach wird das Beleuchtungsmodell angewandt und die Helligkeit berechnet.

27 Phong Shading vs. Gouraud Shading: N A N P N A N B N B I P I A I P I B I P =Phong-Modell(N P ) I P =Interplation(I A,I B ) Interpolation der Normalenvektoren wie bei Farbwerten, aber für alle drei Vektorkomponenten getrennt.

28 Phong Shading

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