Java3D. Beleuchtung und Material

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1 Java3D Seminar WS 02/03 Beleuchtung und Material Presman Julia (145185) Presman Alexander (155298) FH-Fulda

2 Inhaltsverzeichnis 1.Beleuchtungsmodell Schattierungsmodell Flat-Schattierung Gouraud-Schattierung Wirkungsbereich des Lichts Lichtklassen Ambientes Licht Gerichtetes Licht Punkt-Licht Spot-Licht Material...10 verwendete Literatur: 1

3 1. Beleuchtungsmodell Beleuchtung ist ein sehr komplexes Thema in der 3D-Computergrafik und benötigt meist einen großen Teil der Rechenzeit, besonders wenn Punkt- oder Spotlichter verwendet werden. Die Java3D Lichttypen bauen größtenteils auf dem OpenGL - Modell auf. Das Beleuchtungsmodell hängt von den drei Vektoren ab: der Oberflächennormalwert (N), die Lichtrichtung (L) und die Richtung zum Auge des Zuschauers (E) zusätzlich zu den materiellen Eigenschaften des Objekts und den Lichteigenschaften Das Beleuchtungsmodell simuliert drei Arten von Reflexionen: Ambient Reflexion des umgebenden Streulichtes, in der Regel gleich der diffusen Reflexion. Kommt aus keiner bestimmten Richtung. Ambiente Reflexion ist an jeder Stelle der Körperoberfläche gleich groß. Diffuse das eintreffende Licht wird gleichmäßig an alle Richtungen reflektiert. Bedingt der Helligkeitsverlauf der Oberfläche. Specular bestimmt den Glanz eines Materials. Nicht berücksichtigt werden: Schlagschatten Effekte zwischen den Objekten Der dunkelste Teil der Kugel zeigt ambiente Reflexion. Das Zentrum der Kugel zeigt diffuse Reflexion und der hellste Teil der Kugel ist das Ergebnis der spekularen Reflexion. 2

4 2. Schattierungsmodell Bei der Erzeugung realistischer Szenen spielen sogenannte Schattierungsalgorithmen eine erhebliche Rolle. In Java3D kommen nur zwei Shading Modelle zum Einsatz: Flat und Gouraud-Shading. 2.1 Flat-Schattierung Bei Flat-Shading wird keine Interpolation über die zu rendernde Oberfläche angewandt. Es wird nur ein Vektor pro Polygon berechnet - meist wird hierzu der Schwerpunkt benutzt. Das gerenderte Objekt sieht deswegen sehr kantig aus. Bei runden Objekten werden die Schwächen des Modells deswegen besonders deutlich. Flat-Shading wird auch als konstant Shading bezeichnet. Flat-Schattierung Beispiel: ColoringAttributes coloratt = new ColoringAttributes(); coloratt.setshademodel(coloringattributes.shade_flat); 2.2 Gouraud- Schattierung Es werden die Farben für die Eckpunktpixel berechnet, anschließend wird eine Interpolation dieser Farben über alle Pixel im Polygoninnern durchgeführt. Gouraud- Schattierung 3

5 3. Wirkungsbereich des Lichts In Java3D erhält jedes Licht einen Einflussbereich. Wenn dieser Einflussbereich die Grenzen eines Objekts überschneidet, wird das komplette Objekt beleuchtet. Um ein Objekt zu beleuchtet, müssen bei diesem die Normalen und das Material gesetzt werden. Das Material gibt ein, wie ein Objekt auf die verschiedenen Lichttypen reagiert. Vorgehensweise: Spezifikation einer Lichtquelle Einflussregion (Bounds) setzen zum Szenengraph hinzufügen Spezifikation der visuellen Objekte Oberflächennormalen spezifizieren Materialeigenschaften zuweisen Beispiel: 1. Appearance createappearance() { 2. Appearance appear = new Appearance(); 3. Material material = new Material(); 4. appear.setmaterial(material); return appear; 7. } BranchGroup createscene (){ 10. BranchGroup scene = new BranchGroup(); scene.addchild(new Sphere(0.5f, Sphere.GENERATE_NORMALS, 13. createappearance())); AmbientLight lighta = new AmbientLight(); 16. lighta.setinfluencingbounds(new BoundingSphere()); 17. scene.addchild(lighta); return scene; Szenengraph 4

6 4. Lichtklassen Allgemeine Eigenschaften von Lichtquellen: Status Ein/ Aus Farbe Einflussregion ALLOW_STATE_READ WRITE ALLOW_COLOR_READ WRITE ALLOW_INFLUENCING_BOUNDS_READ WRITE Methoden: void setcolor( Color3f color); void setenable( boolean state); void setinfluencingbounds( Bounds bounds); 5

7 4.1 Ambientes Licht Simuliert das durch Reflexion entstehende Umgebungslicht. Es handelt sich hierbei um Licht zum "Auffüllen". Ist für eine realistische Simulation der Natur notwendig. Ambientes Licht beleuchtet die nicht-direkt beleuchteten Stellen. Alle Objekten empfangen an allen Stellen ihrer Oberfläche gleich helles Licht. Ambientes Licht hat keinen Ursprung, keine Abschwächung (über eine Distanz), aber dennoch Grenzen (Bounds). Konstruktoren AmbientLight() AmbientLight(Color3f color) Default-Werte: lighton true color (1, 1, 1) Farbe spezifizieren AmbientLight(boolean lighton, Color3f color) Status und Farbe spezifizieren Beispiel: 4.2 Gerichtetes Licht Erzeuge Licht: AmbientLight mylight = new AmbientLight( ); mylight. setenable( true ); mylight. setcolor( new Color3f( 1.0f, 1.0f, 1.0f ) ); Einflussbereich: BoundingSphere mybounds = new BoundingSphere( new Point3d( ), ); mylight. setinfluencingbounds( mybounds ); Gerichtetes Licht kann mit Sonnenlicht verglichen werden. Im Gegensatz zum ambienten Licht kommt dieses Licht aus einer bestimmten Richtung. Die Lichtstrahlen fallen parallel ein, damit ist der Einfallswinkel auf eine Ebene auch gleich. Gerichtetes Licht besitzt nur einen Lichtvektor, d. h. die Lichtstärke ist nicht von der Position des Betrachters abhängig, hat keinen Ursprung, keine Abschwächung (über eine Distanz). Konstruktoren DirectionalLight() Default-Werte: lighton true color (1, 1, 1) direction (0, 0, -1) DirectionalLight(Color3f color, Vector3f direction) Farbe und Richtung spezifizieren DirectionalLight(boolean lighton, Color3f color, Vector3f direction) Status Farbe und Richtung spezifizieren 6

8 Vektor festlegen Methoden void setdirection(vector3f direction) void setdirection(float x, float y, float z) Eigenschaften Zusätzlich zu den allgemeinen Fähigkeiten besitzt gerichtetes Licht folgende Fähigkeit: ALLOW_DIRECTION_READ WRITE Vektor ändern Beispiel: 4.3 Punkt-Licht Erzeuge Licht: DirectionalLight mylight = new DirectionalLight( ); mylight.setenable( true ); mylight.setcapability(directionallight.allow_direction_write); mylight.setcolor( new Color3f( 1.0f, 1.0f, 1.0f ) ); mylight.setdirection( new Vector3f( 1.0f, 0.0f, 0.0f )); Einflussbereich: mylight.setinfluencingbounds(new BoundingSphere()); Point Licht kann mit Kerzen- oder Glühbirnenlicht verglichen werden. Die Lichtquelle scheint von einer festgelegten Position und gleichmäßig in alle Richtungen. Die Lichtstärke der Lichtquelle nimmt mit wachsender Entfernung von der Lichtquelle ab (Abschwächung). Diese Lichtquelle ist überall dort in einer Szene einzusetzen, wo die Wirkung einer gleichmäßig strahlenden Birne gewünscht wird. Konstruktoren PointLight() Default-Werte: lighton true color (1, 1, 1) position (0, 0, 0) attenuation (1, 0, 0) PointLight(Color3f color, Point3f position, Point3f attenuation) initialisiert Point Licht (Default-Wert: lighton true) PointLight(boolean lighton, Color3f color, Point3f position, Point3f attenuation) initialisiert Point Licht (Default-Wert: lighton true) 7

9 Methoden Abschwächung void setattenuation(point3f attenuation) Lichtstärke nimmt mit wachsender Entfernung von der Lichtquelle ab void setattenuation(float constant, float linear, float quadratic) constant, linear und quadratic spezifizieren Ursprung void setposition(point3f position) Lichtquelleposition festlegen void setposition(float x, float y, float z) Lichtquelleposition festlegen Eigenschaften Zusätzlich zu den allgemeinen Fähigkeiten besitzt Punkt Licht folgende Fähigkeiten: ALLOW_POSITION_READ WRITE Ursprungkoordinaten ändern ALLOW_ATTENUATION_READ WRITE Abschwächung ändern Beispiel: Erzeuge Licht: PointLight p_licht = new PointLight(); p_licht.setattenuation(20.0f, 20.0f, 20.0f); p_licht.setcolor(new Color3f(1.0f, 1.0f, 1.0f)); p_licht.setposition(0.0f, 0.0f, 0.0f); p_licht.setenable(false); scene.addchild(p_licht); Einflussbereich: p_licht.setinfluencingbounds(new BoundingSphere()); Fähigkeiten: p_licht.setcapability(light.allow_state_write); p_licht.setcapability(pointlight.allow_position_write); p_licht.setcapability(pointlight.allow_attenuation_write); 8

10 4.4 Spot-Licht Spot-Licht ist eine Unterklasse von Point-Licht. Spot-Licht modelliert künstliche Lichtquellen, wie Lampen und andere Lichtquellen mit Reflektoren und/oder Linsen. Es gelten alle Aussagen, die zu Punktlichtquellen getroffen wurden. Zusätzlich zu den Parametern der Punktlichtquellen besitzt das Spot-Licht noch Richtung, Öffnungswinkel und Konzentration. Konstruktoren SpotLight() Default-Werte: lighton true color (1, 1, 1) position (0, 0, 0) attenuation (1, 0, 0) direction (0, 0, -1) spreadangle PI (180 degrees) concentration 0.0 SpotLight(Color3f color, Point3f position, Point3f attenuation, Vector3f direction, float spreadangle, float concentration) initialisiert Spot Licht (Default-Wert: lighton true) SpotLight(boolean lighton, Color3f color, Point3f position, Point3f attenuation, Vector3f direction, float spreadangle, float concentration) initialisiert Point Licht (Default-Wert: lighton true) Methoden Zusätzlich zu Point-Licht besitzt Spot-Licht folgende Methoden: void setconcentration(float concentration) Konzentration festlegen void setdirection(float x, float y, float z) Richtung festlegen void setdirection(vector3f direction) Richtung festlegen void setspreadangle(float spreadangle) Öffnungswinkel festlegen Eigenschaften Zusätzlich zu den allgemeinen Fähigkeiten und Fähigkeiten von Punkt-Licht besitzt Spot Licht folgende Fähigkeiten: ALLOW_SPREAD_ANGLE_READ WRITE Öffnungswinkel ändern ALLOW_CONCENTRATION_READ WRITE Konzentration ändern ALLOW_DIRECTION_READ WRITE Richtung ändern 9

11 Beispiel: Erzeuge Licht: SpotLight p_licht = new SpotLight(); s_licht.setattenuation(1.0f, 0.0f, 0.0f); s_licht.setcolor(new Color3f(1.0f, 1.0f, 1.0f)); s_licht.setposition(0.0f, 0.0f, 0.0f); s_licht.setconcentration(2000.0f); s_licht.setdirection(-1.0f,-1.0f,0.0f); s_licht.setspreadangle(spotwinkel); s_licht.setenable(false); scene.addchild(s_licht); Einflussbereich: s_licht.setinfluencingbounds(new BoundingSphere()); Fähigkeiten: s_licht.setcapability(light.allow_state_write); s_licht.setcapability(spotlight.allow_position_write); s_licht.setcapability(spotlight.allow_attenuation_write); s_licht.setcapability(spotlight.allow_direction_write); s_licht.setcapability(spotlight.allow_spread_angle_write); s_licht.setcapability(spotlight.allow_concentration_write); s_licht.setcapability(spotlight.allow_spread_angle_write); Berechnungszeit: AmbientLight < DirectionalLight < PointLight < SpotLight 5. Material Material ist eine Unterklasse von NodeComponent. Zusätzlich zu den Beleuchtungsmodellen muss man bei einer genauen Modellierung einer realistisch erscheinenden Szene nicht nur die Beleuchtungsmodelle, sondern auch die Reflexionseigenschaften des Materials der angestrahlten Objekte der Szene mit einbeziehen. Das Erscheinungsbild eines Objekts hängt wesentlich davon ab, wie es auf das einfallende Licht reagiert. Es kommt zu Interaktion zwischen dem Licht und der Grenzfläche. 10

12 In Java3D lässt sich über folgende Eigenschaften das Aussehen des Objekts beeinflussen: ambient Color Farbe der Stellen die nur von AmbientLight getroffen werden, emissive Color Farbe, die ein Objekt selber ausstrahlt, diffuse Color - eigentliche Farbe, die reflektiert wird, specular Color ist die Farbe des Highlights, shininess gibt an, wie glatt und glänzend die Oberfläche wirken soll. Konstruktoren Material() Default-Werte: ambientcolor (0.2, 0.2, 0.2) emissivecolor (0, 0, 0) diffusecolor (1, 1, 1) specularcolor (1, 1, 1) shininess 0.0 Material(Color3f ambientcolor, Color3f emissivecolor, Color3f diffusecolor,color3f specularcolor, float shininess) initialisiert Material Methoden void setambientcolor(color3f color) AmbientColor festlegen void setambientcolor(float r, float g, float b) AmbientColor festlegen void setdiffusecolor(color3f color) DiffuseColor festlegen void setdiffusecolor(float r, float g, float b) DiffuseColor festlegen void setdiffusecolor(float r, float g, float b, float a) DiffuseColor und Transparenz festlegen void setemissivecolor(color3f color) EmissiveColor festlegen void setemissivecolor(float r, float g, float b) EmissiveColor festlegen void setlightingenable(boolean state) Beleuchtung des Objekts ermöglichen void setshininess(float shininess) Shininess-Wert festlegen void setspecularcolor(color3f color) SpecularColor festlegen void setspecularcolor(float r, float g, float b) SpecularColor festlegen Eigenschaften ALLOW_COMPONENT_READ WRITE Ermöglicht Zugriff auf Material Eigenschaften 11

13 Aufgabenverteilung Presman Julia: 4.Lichtklassen 4.1 Ambientes Licht 4.2 Gerichtetes Licht 4.3 Punkt-Licht 4.4 Spot-Licht Presman Alexander: 1.Beleuchtungsmodell 2.Schattierungsmodell 2.1.Flat-Schattierung 2.2.Gouraud-Schattierung 3.Wirkungsbereich des Lichts 5.Material 12