BlendaX Grundlagen der Computergrafik

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1 BlendaX Grundlagen der Computergrafik Beleuchtungsmodelle (Reflection Models) BlendaX Grundlagen der Computergrafik 1

2 Rendering von Polygonen Der Renderingprozess lässt sich grob in folgende Schritte unterteilen: Rasterisierung (Rasterization) Welche Pixel enthält die Projektion des Polygons? z.b. Scanline-Verfahren Hidden surface removal Welche Teile eines Objektes sind sichtbar? Culling (ganze Polygone) Z-Buffer Algorithmus (Teile von Polygonen) Shading Welche Farbe bekommen die einzelnen Pixel eines Polygons? Lokales Beleuchtungsmodell (local reflection model) Shading-Verfahren BlendaX Grundlagen der Computergrafik 2

3 Local reflection model Model für die Berechnung der Lichtintensität eines Oberflächenpunktes Nur direkte Beleuchtung und Oberflächeneigenschaften werden in das Model einbezogen (daher lokal ) Lichteffekte, die aus der Interaktionen mit anderen Objekten resultieren, können nicht berechnet werden, z.b. Schatten Reflektionen zwischen Objekten Indirekte Beleuchtung Simuliert werden: perfect/imperfect specular reflection ( Glanzlichter ) perfect diffuse reflection (Diffuser Anteil der Reflektion) Beispiele: Phong model (Nicht verwechseln mit Phong shading!) Blinn, Cook and Torrance BlendaX Grundlagen der Computergrafik 3

4 Beispiel: Phong model Annahme: Reflektiertes Licht setzt sich aus verschiedenen Anteilen zusammen reflected light = ambient + diffuse + specular I = k I + k I + Eigenschaften: perfect diffuse empirically spread specular I = k a I a + a I i a ( k d d r ( L Berechnung nach Phong basiert nicht auf physikalische Gesetzen, sondern nur auf empirischen Eindrücken Trotzdem sehr erfolgreich d k r N) + s k I s s r ( R r V ) n ) BlendaX Grundlagen der Computergrafik 4

5 Bi-directional reflection distribution functions (BRDFs) Beschreiben die Lichtreflektion an einem Punkt einer Oberfläche Abhängig vom Einfallswinkel des Lichtes und von der Blickrichtung des Betrachters ( bi-directional ) BRDF r r = f ( θ, φ, θ, φ ) = f ( L, V ) in in Theoretisch eine BRDF für jede Wellenlänge bei nicht monochromatischem Licht! Phong implementiert im Prinzip eine eingeschränkte BRDF der Form BRDF = ref ref f ( θref, φref ) BlendaX Grundlagen der Computergrafik 5

6 Shading-Verfahren Lokales Beleuchtungsmodell bestimmt die Farbe an einem Punkt der Oberfläche Wie kann ein lokales Beleuchtungsmodell auf ein ganzes Polygon angewendet werden? Shading-Verfahren: An welchen Punkten wird das Beleuchtungsmodell ausgewertet? Wie werden daraus Farbwerte für das ganze Polygon berechnet? Flat shading Auswertung für einen Punkt des Polygons Gleicher Farbwert für alle Pixel des Polygons Gouraud shading Auswertung an den Eckpunkten (vertices) des Polygons Farbwerte werden dazwischen einfach interpoliert Phong shading Normalen an den Eckpunkten werden interpoliert Auswertung erfolgt für jedes Pixel mit der interpolierten Normalen BlendaX Grundlagen der Computergrafik 6

7 Ausblick: Global Illumination (GI) In der Realität treten eine Vielzahl von Effekten und Wechselwirkungen zwischen Lichtquellen und Objekten auf Indirekte Beleuchtung Farbübertragung (Color Bleeding) Schatten Diese können durch sog. lokale Modelle gar nicht oder nur durch Tricks nachgebildet werden GI-Verfahren versuchen diese Wechselwirkungseffekte bei der Beleuchtunsbrechnung zu berücksichtigen Raytracing Radiosity Teilweise wird hier jedoch auch immer noch eine Menge getrickst BlendaX Grundlagen der Computergrafik 7

8 Literatur Alan Watt, Fabio Policarpo: The Computer Image, Addison-Wesley, Foley, van Dam, Feiner, Hughes: Computer Graphics, Principles and Practice, Second Edition in C, Addison-Wesley, Matt Pharr, Greg Humphreys: Physically Based Rendering, From Theory to Implementation, Morgan Kaufmann, BlendaX Grundlagen der Computergrafik 8