CGR I Beleuchtung und Schattierung

Transkript

1 CGR I Beleuchtung und Schattierung SS 2004 Michael Haller Medientechnik und -design

2 Ankündigung 25.Mai (HEUTE!!), 18:00 HS1 Hr. Riegler, Firma Sproing 03. Juni, 17:30 HS1 Prof. Dieter Schmalstieg, TU Wien 2

3 Inhalt der Vorlesung Einteilung/Unterteilung Farbmodelle Lichtquellenmodelle Beleuchtungsmodelle Schattierungsmodelle Was bietet OpenGL an? 3

4 Modelle Licht und Farbe (Farbmodell) Physikalische Grundlagen, rechnerinternes Modell Lichtquellen- Modell Abstrahl- und Spektraleigenschaften, Verteilung und Ausrichtung der Lichtquellen in der Szene Beleuchtungsmodelle Schattierungsmodell Formalisierung von Gesetzen und empirischen Erfahrungen zur Verteilung und Veränderung von Intensität und Farbe, von den Lichtquellen bis zum Betrachter bzw. bis zur Entstehung eines Bildes Konkrete Berechnungsvorschrift / -verfahren zur Simulation der Farb- und Intensitätsverhältnisse an den Objekten der Szene 4

5 Modelle Licht und Farbe (Farbmodell) Physikalische Grundlagen, rechnerinternes Modell Lichtquellen- Modell Abstrahl- und Spektraleigenschaften, Verteilung und Ausrichtung der Lichtquellen in der Szene Beleuchtungsmodelle Schattierungsmodell Formalisierung von Gesetzen und empirischen Erfahrungen zur Verteilung und Veränderung von Intensität und Farbe, von den Lichtquellen bis zum Betrachter bzw. bis zur Entstehung eines Bildes Konkrete Berechnungsvorschrift / -verfahren zur Simulation der Farb- und Intensitätsverhältnisse an den Objekten der Szene 5

6 Motivation Welche dieser Farben gehört nicht zu den drei Grundfarben? (a) rot (c) grün (b) blau (d) gelb 6

7 RGB-Modell RGB-Koordinatensystem Rot Grün Blau Additive Farbmischung Einsatz: Bildschirme Jeder Punkt im RGB-Würfel entspricht einer anderen Farbe 0<= R,G,B <= 1 (0,1,0) (1,1,1) R C = G B RGB-Modell (0,0,1) (0,0,0) (1,0,0) 7

8 CMY-Modell CMY-Koordinatensystem Cyan, Magenta, Gelb (Yellow) Subtraktive Farbmischung Einsatz: Druckbereich Umrechnung: R/G/B = 1 - C/M/Y Cyan filtert rot Magenta filtert grün Gelb filtert blau 8

9 Modelle Licht und Farbe (Farbmodell) Physikalische Grundlagen, rechnerinternes Modell Lichtquellen- Modell Abstrahl- und Spektraleigenschaften, Verteilung und Ausrichtung der Lichtquellen in der Szene Beleuchtungsmodelle Schattierungsmodell Formalisierung von Gesetzen und empirischen Erfahrungen zur Verteilung und Veränderung von Intensität und Farbe, von den Lichtquellen bis zum Betrachter bzw. bis zur Entstehung eines Bildes Konkrete Berechnungsvorschrift / -verfahren zur Simulation der Farb- und Intensitätsverhältnisse an den Objekten der Szene 9

10 Lichtquellen-Klassifikation Idee? 10

11 Lichtquellen-Klassifikation 11

12 Lichtquellen-Klassifikation Lichtquellen-Einteilung in der Computergrafik: Ambientes Licht Gerichtetes Licht Flächenlicht Punktlicht Spotlicht 12

13 Ambientes Licht Dient zur Festlegung der Grundhelligkeit der Szene Modelliert den Anteil von diffuser Reflektion innerhalb der Szene Intensität abhängig vom Material 13

14 Gerichtetes Licht Paralleler Einfall des Lichtes Lichtquelle in der Unendlichkeit Konstante Intensität 14

15 Flächenlicht Begrenzte Fläche strahlt Licht ab Intensität nimmt mit steigender Entfernung ab Weiche Schatten 15

16 Punktlicht Strahlt in alle Richtungen Harte perspektivische Schatten Intensität nimmt mit steigender Entfernung ab 16

17 Spotlicht In der Abstrahlung kegelförmig (=begrenztes Punktlicht) Harte perspektivische Schatten Intensität nimmt mit steigender Entfernung ab 17

18 Modelle Licht und Farbe (Farbmodell) Physikalische Grundlagen, rechnerinternes Modell Lichtquellen- Modell Abstrahl- und Spektraleigenschaften, Verteilung und Ausrichtung der Lichtquellen in der Szene Beleuchtungsmodelle Formalisierung von Gesetzen und empirischen Erfahrungen zur Verteilung und Veränderung von Intensität und Farbe, von den Lichtquellen bis zum Betrachter bzw. bis zur Entstehung eines Bildes Schattierungsmodell Konkrete Berechnungsvorschrift / -verfahren zur Simulation der Farb- und Intensitätsverhältnisse an den Objekten der Szene 18

19 Beleuchtungsmodell - Bekannt sind die - Position, - die Helligkeit (Intensität) sowie -die Abstrahlcharakteristika der virtuellen Lichtquellen und die spektrale Zusammensetzung des virtuellen Lichtes - Bekannt sind weiterhin - Form, - Position und - Ausrichtung der Objekte in der Szene sowie -der Betrachterstandpunkt 19

20 Beleuchtungsmodelle Lokale Beleuchtungsmodelle Ambientes Licht (Ambiente Reflexion) Diffuse Reflexion Spiegelnde Reflexion Globale Beleuchtungsmodelle Ray-Tracing (vgl. CGR4) Radiosity (vgl. CGR4) 20

21 Lokale Beleuchtungsmodelle Reflexionsmodelle: Modelle zur Berechnung des Lichtes, das ein Objekt abstrahlt Abhängig von... dem einfallenden Licht (illumination) auf die Oberfläche der Oberflächenbeschaffenheit dem Beobachterstandpunkt...wird ein Reflexionswert berechnet. Kann sehr kompliziert werden => rechenintensiv => vereinfachte Modelle 21

22 Reflexionseigenschaften a) spiegelnd b) gerichtet diffus c) diffus 22

23 Ambiente Reflexion Einfachstes Modell Ungerichtete Lichtquelle Intensität in der gesamten Umgebung gleich Entsteht durch vielfache Reflexionen an Oberflächen in der Umgebung Triviales Beleuchtungsmodell: I = I a k a I a Intensität des Umgebungslichtes 1>=I a >=0 k a ambienter Reflexionskoeffizient 1>=k a >=0 Empirischer Wert, kein physikalisches Modell! 23

24 Wir merken uns! I = I a k a 24

25 Lambert: Man beachte (a) stärker beleuchtet (b) weniger stark beleuchtet N A θ Einfallendes Licht θ A*cos(θ) 25

26 Lambert s Beleuchtungsmodell Zusätzlich gerichtete Lichtquellen Diffuse Reflexion: Unabhängig vom Betrachterstandpunkt L θ N Beleuchtungsmodell: I = I l k d cos (θ) = I l k d (N L) I l k d Intensität der gerichteten Lichtquelle diffuser Reflexionskoeffizient 26

27 Lambert s Beleuchtungsmodell II Direkter Lichteinfall, wenn der Einfallswinkel θ zwischen 0 und 90 liegt Für negative Werte von cos(θ) befindet sich die Lichtquelle hinter dem Objekt 0 <= θ <= π/2 cos(θ) kann als Skalarprodukt der normierten Vektoren N und L dargestellt werden 27

28 Abnahme der Intensität Direkte Beleuchtung hängt von der Entfernung zur Lichtquelle ab. Zwei identische Objekte mit unterschiedl. Entfernung zur Lichtquelle haben unterschiedl. Intensität! Lichtintensitätsabnahme: d L Abstand zur Lichtquelle f = att d 1 2 L Problem: Nimmt zu schnell ab! 28

29 Abnahme der Intensität Lichtintensitätsabnahme: d L Abstand zur Lichtquelle f = att d 1 2 L Alternative Repräsentation: f att 1 = min, 1 c + c d + c d L 3 L Gesamtmodell: I = I a k a + f att I l k d (N L) 29

30 Wir merken uns! I = I a k a + f att I p k d (N L) 30

31 Spiegelnde Reflexion Zusätzlich spiegelnde Reflexion (vom Betrachterstandpunkt abhängig) Es gibt ein physikalisches Modell (Snell's Gesetz*) und ein empirisches Modell (Phong- Modell) * Snell's Gesetz wird hier nicht näher betrachtet - Gilt nur für glatte, spiegelnde Oberflächen (Spiegel)! 31

32 Phong Beleuchtungsmodell Der Term cos n (α) nähert rein heuristisch die Streuung des reflektierten Lichts an. Mit n wird der Materialkoeffizient angegeben I = I s k s (cos n (α)) = I s k s (R V) n ] L θ N θ R α V L N R L N R 32

33 Phong Beleuchtungsmodell II Neues Beleuchtungsmodell: I = I a k a + f att I p (k d cos θ + k s cos n α) = I a k a + f att I p (k d (N L) + k s (R V) n ) k s n R V spiegelnder Reflexionskoeffizient Spiegelneigung, "shininess" Reflexionsvektor Beobachtungsrichtung 33

34 Phong Beleuchtungsmodell III N L R Spiegelrichtung θ θ α V Beobachtungsrichtung L N V 34

35 Modelle Licht und Farbe (Farbmodell) Physikalische Grundlagen, rechnerinternes Modell Lichtquellen- Modell Abstrahl- und Spektraleigenschaften, Verteilung und Ausrichtung der Lichtquellen in der Szene Beleuchtungsmodelle Schattierungsmodell Formalisierung von Gesetzen und empirischen Erfahrungen zur Verteilung und Veränderung von Intensität und Farbe, von den Lichtquellen bis zum Betrachter bzw. bis zur Entstehung eines Bildes Konkrete Berechnungsvorschrift / -verfahren zur Simulation der Farb- und Intensitätsverhältnisse an den Objekten der Szene 35

36 Schattierungsmodelle Schattierung!= Schattenwurf Polygone nach Transformationen und Abbildung mit Farbwerten füllen Flat-Shading: Lambertsches Beleuchtungsmodell 1 Farbwert pro Polygon Vorteil: sehr schnelle Berechnung Nachteile: unrealistisches Aussehen Bessere: Gouraud-, Phong-Shading 36

37 Flat-Shading Flachschattierung 37

38 Gouraud Schattierungsmodell Lambert / Phong Beleuchtungsmodell Farbwerteberechnung in den Eckpunkten Normalvektoren gegeben durch: Flächennormale Mittel der angrenzenden Flächennormalen Lineare Interpolation der Farbwerte: Entlang der Kanten Entlang der scanlines 38

39 Gouraud-Schattierung (1) S 1 S 3 1. Normalvektoren an den Eckpunkten berechnen 2. Intensitäten an den Eckpunkten berechnen S 2 39

40 Gouraud-Schattierung (2) S 1 S 3 R=t S 1 +(1 t) S 2 R'=u S 2 +(1 u) S 3 1. Normalvektoren an den Eckpunkten berechnen 2. Intensitäten an den Eckpunkten berechnen 3. Helligkeiten entlang der Kanten linear interpolieren S 2 40

41 Gouraud-Schattierung (3) S 1 v R+(1 v) R' S 3 R=t S 1 +(1 t) S 2 R'=u S 2 +(1 u) S 3 1. Normalvektoren an den Eckpunkten berechnen 2. Intensitäten an den Eckpunkten berechnen 3. Helligkeiten entlang der Kanten linear interpolieren 4. Helligkeiten entlang der Scanlines linear interpolieren 41 S 2

42 Nachteile bei Gouraud-Schattierung dunkel hell dunkel dunkel dunkel dunkel Glanzpunkte können verloren gehen Silhouette bleibt eckig Gouraudschattierung 42

43 Phong Schattierungsmodell Normalvektoren siehe Gouraud Lineare Interpolation der Normalvektoren anstelle der Farbwerte Farbwertberechnung durch Beleuchtungsmodell pro Pixel Vorteil: Spiegelungen innerhalb eines Polygons werden richtig dargestellt Nachteil: rechenaufwändig 43

44 Phong Schattierungsmodell S 1. Normalvektoren an den Eckpunkten 2. Normalvektoren entlang Kanten interpolieren 3. Normalvektoren entlang Scanlines interpolieren und Intensitäten für jedes Pixel bestimmen 44

45 Die Schattierungsverfahren Konstant Gouraud Phong 45

46 Umsetzung in OpenGL In OpenGL gibt es zwei Modelle, die mit glshademodel(glenum mode) aktiviert werden: GL_FLAT (Einfache Farbe) GL_SMOOTH (Gouraud Shading) Bsp. void init(void) { glclearcolor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0); glshademodel (GL_SMOOTH); } 46

47 Lichter in OpenGL OpenGL unterstützt: Ambient Light Diffuse Light Specular Light Die Lichtquellen haben als Parameter die RGBA- Werte Bsp. Ambient Light (0.5, 0.5, 0.5, 1.0) Wenn dieses Licht nun ein Objekt mit den RGB-Werten (0.5, 1.0,.05, 1.0) beleuchtet, dann erhalten wir die Farbe: (0.5*0.5, 0.5*1.0, 0.5*0.5, 1.0) = (0.25, 0.5, 0.25, 1.0) 47

48 Das Kochrezept I Initialisierung: glenable(gl_lighting); glenable(gl_light0); glenable(gl_depth_test); Set Up Lighting Model GLfloat ambientlight[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f} gllightmodelfv(gl_light_model_ambient, ambientlight); 48

49 Das Kochrezept II Setze Material-Eigenschaften GLfloat mat_ambient[] = {0.75f, 0.75f, 0.75f, 1.0f} glmaterialfv(gl_front, GL_AMBIENT, ambient) Objekt darstellen glbegin(gl_triangles)... glend(); vgl. OpenGL Programming Guide, Chapter 5 (Lighting) 49

50 void init(void) { GLfloat mat_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }; GLfloat mat_shininess[] = { 50.0 }; GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 }; glclearcolor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0); glshademodel (GL_SMOOTH); glmaterialfv(gl_front, GL_SPECULAR, mat_specular); glmaterialfv(gl_front, GL_SHININESS, mat_shininess); gllightfv(gl_light0, GL_POSITION, light_position); glenable(gl_lighting); glenable(gl_light0); glenable(gl_depth_test); } 50 vgl. light.zip

51 Tutorial 51