Outline. Blender Renderer Cycles Rendering Engine Texturen Light Probes. 11 Shading

Transkript

1 Teil X Shading 243

2 Outline 11 Shading Blender Renderer Cycles Rendering Engine Texturen Light Probes 244

3 Materialien in Blender Blender hat zwei Rendering Engines mit unterschiedlichen Fähigkeiten Blenders nativer Renderer Cycles, der (neue) Renderer Dazu gibt es noch weitere Plugins für andere Rendering Engines. 244

4 Die Qualität des Ergebnisses hängt stark von der Qualität der Rendering-Engine ab. Blender Renderer: recht alt, aber robust und schnell 11 Cycles: modernerer Raytracer, manchmal instabil, recht langsam Wichtige Funktionalität um schnell Bilder zu erzeugen ist in keinem der Renderer enthalten Masterarbeit? 11 alle Angaben und Informationen von [blender.org] 245

5 Vorbedingungen Zum Rendern brauchen wir: Eine Kamera Lichtquellen Materialien des Objektes f s Rendereinstellungen für den Löser (Qualität, Bildgröße, zu Berechnende Ebenenen) 246

6 Arbeitsablauf Kamera positionieren Scene Beleuchten Materialien auswählen/verbessern Testbild in niedriger Auflösung berechnen Wiederhole die beiden letzten Schritte bis das bild ok ist Render Bild mit hoher Qualität, Behebe alle Probleme, die jetzt aufgetreten sind Speichere das bild oder Berechne den Teil der Animation 247

7 Vorschau Vorschau zum Bearbeiten von Materialien[blender.org] 248

8 Materialien in Blender 249

9 Einflüsse auf das Aussehen einer Oberfläche Umgebung (Ambiente Farbe, Radiosity, Ambient Occlusion) Lichtquellen Materialeigenschaften (ambient, Emission,...) Texturen und wie sie überblendet werden Materialknoten (später mehr) Kameraeinstellungen Blickwinkel Verdeckungen und transparente Verdeckungen Schatten (von transparenten und opaquen Objekten) Rendereinstellungen Objektgröße (Subsampling ist abhängig von der Größe) Form des Objektes (Brechungen, Fresnel-Effekte) 250

10 Erstellen eines Materials Neue Materialien in Blender hinzufügen [blender.org]: Name, Anzahl der Benutzer, Fake-Nutzer (zur Speicherung unverwendeter Materialien). Materialien können über den Namen in anderen Objekten verwendet werden. 251

11 Mehrere Materialien pro Gitter Einem Gitter können mehrere Materialien zugewiesen werden. Im Objektmodus Material auswählen Neues Material erstellen Das Basismaterial auswählen Im Edit-Modus Face-Select auswählen Facetten mit neuem Material auswählen Neuen Material-Slot mit + erstellen Faces mit dem Assign-Knopf dem neuen Material zuordnen [blender.org] 252

12 Eigenschaften des Materials I Diffuse Shaders Grundfarbe für diffuse Reflexion Specular Shaders Grundfarbe für Highlights Color Ramps Farbverläufe z.b. entlang der Oberfläche Shading Emit (eigene Leuchtkraft) Translucence (Durchscheinen, hier Diffuse Beleuchtung der Rückseite) Transparency Mask, Z-Transparenz, Raytrace Mirror Perfekte Spiegelung Reflektivität, Fresnel-Term, Gloss (Oberflächenrauheit)... Subsurface Scattering Index of Refraction, Skalierung, Farbe,

13 Diffuser Shader I [blender.org] Es existieren verschiedene Shader für diffuses Licht. 254

14 Diffuser Shader II In blender 2.76 sind implementiert Fresnel Minnaert Toon Oren-Nayar Lambert 255

15 Lambert Johann Heinrich Lambert ( ), Schweizer Mathematiker, Physiker, Astronom. Beer-Lambert-Gesetz zur Lichtabsorption. [blender.org] Beispiel: Unbehandeltes Holz hat ungefähr Lambert sche Eigenschaften. Mit spiegelnder Polyurethan hat es nicht, weil specular Highlights entstehen. 256

16 Oren-Nayar Michael Oren und Shree K. Nayar, Modell 1990 erstellt. Nimmt mikroskopische Rauheit hinzu. Diffuses Modell für Rauhe Oberflächen. [blender.org] Beispiel: Unbehandelte Vasen aus Ton 257

17 Vergleich: Lambert und Oren-Nayar [blender.org] 258

18 Oren-Nayar-Modell I Das Modell nimmt an, dass die Oberfläche aus Mikrofacetten besteht, die alle Lambert sches Verhalten aufweisen. Mit der Irradianz E 0 bei von oben beschienener Facette ergibt sich das reflektierte Licht aus wobei L r = ρ π cos(θ i)(a + (B max[0, cos(φ i φ r )] sin α tan β))e 0 (24) σ 2 A = σ σ 2 B = 0.45 σ α = max(θ i, θ r ) β = min(θ i, θ r ) 259

19 Oren-Nayar-Modell II und ρ das Albedo der Oberfläche und σ [0, ) die Rauheit der Oberfläche ist. Für σ = 0 (alle Facetten in der Ebenen), A = 1, B = 0 erhält man das Lambert sche Modell L r = ρ π cos(θ i)e 0 (25) 260

20 Oren-Nayar-Modell III Vergleich des Modells mit Messungen [wp] 261

21 Toon Versucht Cartoon-ähnliche Schattierung automatisch zu erstellen. Sehr unrealistisch. [blender.org] 262

22 Minnaert Marcel Minnaert ( ), Belgischer Astronom Buch The Nature of Light and Color in Open Air. Arbeitet mit Abschwächung von Lamberts Helligkeiten 12. Kommt von Betrachtungen des Mondes. [blender.org] Prof Dr. Mario Hlawitschka, Abteilung Computergrafik

23 Annahmen: Oberfläche von einem weit entfernten Punkt beleuchtet Oberfläche ist isotrop und flach RADF = I F = πa Mµ k 0µ k 1 Mit A M als Minnaert Albedo, k einem empirischen Parameter, I die gestreute Radianz in Richtung (α, φ, λ), πf die einfallende Radianz und µ 0 = cos(φ) cos(α λ) µ = cos(φ) cos(λ) φ ist der Winkel zwischen Betrachter und Lichtquelle aus Sicht des Objektes. 264

24 Fresnel Augustin-Jean Fresnel ( ), Französischer Physiker, Theorie der Wellenoptik. Diffuses Licht hängt vom Einfallswinkel ab. Bereiche, die direkt auf die Lichtquelle zeigen erscheinen dunkler. Fresnel Shader, Links mit Cook-Torrance-Specular bei Intensität 0.5, Harness 50[blender.org] 265

25 Specular Shader In blender 2.76 sind implementiert: Cook-Torrance Phong Blinn Toon WardIso [blender.org] 266

26 Phong I Bui Tuong Phong ( ), Vietnamesischer Computergrafikpionier. Basiert auf diffusem, specular und ambientem Licht. Größe des Highlights über Exponent in der Funktion (Hardness) modellierbar. 267

27 Phong II [blender.org] 268

28 Phong III L = m Lights k d (L m N)i m,d (26) Wobei L m der Vektor zur m-ten Lichtquelle ist, N die Oberflächennormale, i m,d die Intensität der für die diffusive Berechnung verwendeten Lichtquelle. 269

29 Cook Torrance/Torrance-Sparrow I Optimierte Version von Phong. Designed von Robert L. Cook (LucasFilm) und kenneth E. Torrance (Cornell University) in 1982 A Reflectance Model for Computer Graphics [PDF]. 270

30 Cook Torrance/Torrance-Sparrow II [blender.org] Beispielverwendung: Antäuschen der Atmosphäre um einen Objekt durch beleuchtung einer zweiten, transparenten Schicht. 271

31 Cook Torrance/Torrance-Sparrow III Dichtefunktion der Rauheit D = e [ tan β m ]2 4m 2 cos 4 β (27) m bezeichnet die Standardabweichung der Steigung der Flächen. Die Abschwächung ergibt sich zu ρ = F λ DG π(n V )(N L) (28) Das Modell ist wesentlich näher an der Realität als Phong-Modell. Es wird zusätzlich der Fresnelterm F λ benötigt, der die Reflexion des Lichtes durch die Facetten beschreibt. Der Geometrische Term G beschreibt die gegenseitige Verdeckung der Facetten. Modell ist komplizierter (und langsamer) als Phong modell. 272

32 Blinn-Phong Modell James F. Blinn (1978 PhD University of Utah, NASA Jet Propulsion Laboratory, Microsoft Research) Models of Light Reflection for Computer Synthesized Pictures [PDF]. Bessere Position der Highlights als bei Phong-Modell. Ändert Helligkeit mit Lichtrichtung. Brechnungsindex verwendet um korrekte Reflexion anhand Snells Gesetz zu bestimmen (Zusammenhang zwischen Brechungsindex n, Geschwindigkeit im Medium v, Wellenlänge λ und Winkel zur Normalen θ) sin θ 1 sin θ 2 = v 1 v 2 = λ 1 λ 2 = n 2 n 1 (29) 273

33 Toon Toon Diffuse, Int 0.8, Sze & Smooth entsprechend [blender.org] Alternative zu Toon-Shader sind Color-Ramps. 274

34 WardIso I Anisotropischer(!) Shader nach Gregory J. Ward (1992) Measuring and modeling anisotropic reflection [Notes on the Ward BREF, PDF] Einfaches Modell der richtungsunabhängigen Beleuchtung. 275

35 WardIso II Ward Iso [blender.org] 276

36 WardIso III Diffuser Anteil ist isotrop: ρ = ρ d π Der specular-teil ist über α x, α y anisotrop: f r (i, o) = ρ s 4πα x α y cos θi cos θ o e tan2 θ h ( (30) ) cos 2 Φ h α 2 + sin2 Φ h x α 2 y a (31) 277

37 Color Ramps Siehe Tafel 278

38 Transpareny I Die natürlichste Transparenz bietet Raytracing an. Raytracing ist rechenaufwendig, da die Rekursionstiefe erhöht wird. 279

39 Transpareny II [blender.org] 280

40 Transpareny III Rekursionstiefe ist entscheidend für Korrektheit der Szene [blender.org] 281

41 Transpareny IV 282

42 Mirror I Perfekte Spiegelung, was ebenfalls mit einer Erhöhung der Rekursionstiefe einhergeht. Gloss bei Spiegeln [blender.org] 283

43 Mirror II Fersnelterm bei Spiegeln (0.0, 2.5 und 5.0) [blender.org] 284

44 Weitere Optionen Traceable: Wird das Objekt von Strahlen getroffen Light group: Auf welche Lichtgruppen reagiert das Objekt Pass index: In welchem Renderschritt wird das Objekt gerendert [blender.org] 285

45 Shadow Receive: Schatten werden auf das Objekt geworfen Cast: Objekt wirft Schatten Receive Transparent Shadows: Transparente Schatten werden berechnet (langsam) [blender.org] 286

46 I Subsurface Scattering (Unteroberflächenstreuung) ist das Licht, das nach Eindringen in eine Obferfläche gestreut wird und wo anders ausdringt. [blender.org] 287

47 II Scattering Color: Wahrscheinlichkeit, dass Lichtteilchen das Scatteringereignis überlebt RGB Radius: Druchschnittliche Pfadlänge vom Ein- bis zum Austritt. 288

48 III Kein SSS, SSS mit kleinem Radius, mit größerem Radius und mit großem Radius und roter Materialeigenschaft [blender.org] 289

49 IV SSS mit unterschiedlichen Parametern [blender.org] 290

50 Materialien in Blender 291

51 Node Editor I Datenflussgraphen durch das Shading 292

52 Node Editor II 293