Beleuchtung. in Computerspielen

Transkript

1 Beleuchtung in Computerspielen

2 Motivation Überblick Licht und Schattierung Lichtquellen Lokale Beleuchtungsmodelle Schattierungsverfahren Oberflächensimulation Beispiele der CryEngine Ausblick Zusammenfassung

3 Motivation Die Anfänge der Computerspiele. Beleuchtung erzeugt Ambiente und beeinflusst somit das Spielerlebnis. Immer bessere Hardware Leistungen eröffnen neue Möglichkeiten.

4 Lichtquellen Ambientes Licht sorgt für eine Grundhelligkeit. Spotlicht hat einen beschränkten Beleuchtungsbereich. Richtungslichtquellen simulieren die Sonne für Szenen im Freien.

5 Lokale Beleuchtungsmodelle Berechnen Intensität von direkten Lichtquellen. Lambert Beleuchtungsmodell Der Winkel Theta zwischen dem Licht und der Flächennormalen bestimmt die Farbe.

6 Materialeigenschaft wird durch den Reflexionskoeffizient eingestellt. Formel: Farbe ist unabhängig vom Betrachtungswinkel.

7 Phong Beleuchtungsmodell Erweitert das Lambert Beleuchtungsmodell. Farbe ist nun auch abhängig vom Betrachtungswinkel! Winkel zwischen Betrachtungsrichtung und perfektem Reflexionsstrahl bestimmt die Farbe.

8 Formel: Spiegelungsexponent bestimmt Glanzpunktgröße.

9 Blinn Beleuchtungsmodell Effizienter als Phong Beleuchtungsmodell. Winkelhalbierende zwischen Lichtstrahl und Betrachtungsrichtung. Winkel zwischen H und Flächennormale bestimmt Farbe. Formel: Hohes n erzielt selbes Ergebnis als Phong.

10 Schattierungsverfahren Flat Shading Einfachstes Schattierverfahren. Flächennormale bestimmt Farbe aller Pixel des Polygons. Facetten bei gekrümmten Oberflächen. Machsche Streifen:

11 Gouraud Shading Berechnet nur für die Eckpunkte die Farbe. Normale für einen Vertex wird gemittelt. Restliche Pixel erhalten Farbe durch bilineare Interpolation. Interpolation beim Scanline-Verfahren.

12 Gouraud vermeidet Facetten nicht komplett. Verlauf der Schattierung besser. Jedoch Glanzlichter unnatürlich, oder fehlen ganz.

13 Phong Shading Interpoliert die Normalen anstatt die Farben. Vorteil: Bessere Verläufe der Schattierung auch bei Glanzlicht. Nachteil: Rechenintensive Berechnung nun für jeden Pixel.

14 Bump Mapping Oberflächensimulation Simuliert die Oberflächenbeschaffenheit von Objekten. Graustufen-Textur speichert Normalen für High-Poly Modell. Höheninformation verändern Normalen beim Schattieren.

15 Veränderte Normalen simulieren 3D Relief. Vorteil: Bump Map beeinflusst das Schattierverfahren, daher ist es unabhängig von der Position der Lichtquelle. Nachteil: Flacher Betrachtungswinkel zeigt keine Unebenheiten mehr. Ungünstig!

16 Normal Mapping Texturherstellung ähnlich wie bei Bump Mapping. Speichert die Normalen im RGB Format direkt. 3 Spaces: World-Space (statisch ) Object-Space (dynamisch) Tangent-Space (dynamisch)

17 Beispiel der CryEngine Screen Space Ambient Occlusion Ambient Occlusion simuliert globale Beleuchtung. Für jeden Punkt wird Verdeckung approximiert. Strahlen im Bereich der Hemisphäre ausgesandt. Anzahl freier Strahlen = Anteil sichtbaren Himmels = Anteil erreichten Lichts = Skalierung der Intensität

18 Crytek verwendet bei SSAO eigenen Z-Buffer. Effiziente Berechnung von AO. Stichprobenmenge um den zu berechnenden Punkt. Wechsel zwischen Screen-Space und Object-Space. Verdeckung bestimmt Intensität.

19 Parallax Occlusion Mapping Verbesserung von Bump- / Normal Mapping. Simuliert volumetrische Oberfläche. Height-Map Informationen werden mit Kamerarichtung verrechnet. Raytracer berechnet Schnittpunkt. Kanten bleiben unrealistisch. Videobeispiel

20 Ausblick Globale Beleuchtungsmodelle Berücksichtigen auch reflektiertes Licht. Raytracing erzeugt nur ein Bild. Radiosity berechnet Beleuchtung für ganze Szene. Rechenintensiv, daher nur für statische Szenen. Steigende Rechenleistung, 2015 realtime Raytracing?

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22 Zusammenfassung Verschiedene Type von Lichtquellen. Beleuchtungsmodelle bestimmen Farbe der Pixel. Schattierungsverfahren interpolieren Farbwerte. Bump Mapping und Normal Mapping simulieren Oberflächeneigenschaften. SSAO & POM zwei realistische Effekte der CryEngine. Globale Beleuchtung in Echtzeit als Technik der Zukunft.

23 Quellen Weitere Quellen sind in der schriftlichen Ausarbeitung... Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

24 Eine Präsentation von Manuel Meder