Teil 7: Beleuchtung Beleuchtungsmodelle, Schattierungsmodelle

Transkript

1 Beleuchtungsmodelle, Schattierungsmodelle

2 Einleitung Beleuchtung vs. Schattierung Beleuchtung: Modell auswerten (anschl.) global vs. lokal phsikalisch (photo-realistisch?) vs. empirisch Phong-Modell Schattierung: Pixel einfärben (VO, 2. Teil) Polgone schattieren (Flat, Gouraud, Phong)

3 Einleitung Globale Beleuchtungsmodelle Modelle der globalen Lichtverteilung Schatten, Reflexionen, Brechung, etc. Ra Tracing, Radiosit ( extra VOs) Lokale Beleuchtungsmodelle Modelle der lokalen Beleuchtung Empirische bzw. phsikalische Modelle

4 Beleuchtungsmodell Photorealismus exakte Repräsentation in der CG möglichst phsikalische Modelle Reflexion von Licht, Transparenz, Textur, Schatten, etc. Modellierung von Lichteffekten Phsik Pschologie Licht-Objekt Interaktionen

5 Lichtquellen Reflektiertes Licht ist Summe von: Lichtquellenbeiträgen Objektbeitraege via Reflexionen

6 Lichtquellentpen Ambientes Licht Direktionales Licht Punktlichtquellen Spotlights, Flächer

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

8 Objektfarbe Farbe Objekteigenschaft! "Farbe" = Reflexionseigenschaft "Farbe" = Welche Anteile von (weißem) Licht werden reflektiert RGB (0.5, 0, 0.8) = in weißem Licht: Reflexion = 50% Rot + 80% Blau, also Lila in rotem Licht: Reflexion = 50% Rot, also (dünkleres) Rot in grünem Licht: Reflexion = 0, also Schwarz! Im Weiteren nur mehr Helligkeiten

9 Umgebungslicht Ungerichtete (diffuse) Lichtquelle Intensität in Umgebung gleich Entsteht durch vielfache Reflexionen an Oberflächen in der Umgebung Triviales Beleuchtungsmodell: I = k a I a I a k a Intensität des Umgebungslichtes ambienter Reflexionskoeffizient

10 Umgebungslicht Beispiele Objekthelligkeit nur von k a abhängig Keine Variation in Abhängigkeit von Flächenorientierung Unabhängig von Betrachtungsrichtung Erschwertes 3D- Wahrnehmen

11 Diffuse Reflexion (1) Jeweils konstant für eine Fläche Unabhängig v. Betrachtungsrichtung Abhängig von Beleuchtungsrichtung Dünkler, wenn schräg angeleuchtet Verbessertes 3D- Wahrnehmen

12 Diffuse Reflexion (2) Ideale diffuse Reflexion (Lambertsche Reflektoren) Helligkeit hängt von der Lage der Fläche in Bezug auf das Licht ab

13 Diffuse Reflexion (3) Lamberts Gesetz Flächenhelligkeit ist proportional zu cosθ θ Winkel(L, N)

14 Diffuse Reflexion (4) k d variiert

15 Diffuse Reflexion (5) Diffuse Refl. und Umgebungslicht I diff = k a I a + k d I l ( N L)

16 Spiegelnde Oberflächen Ideale Spiegel vs. nicht-ideale Spiegel Viele Materialien spiegeln nicht nur aber verstärkt in eine Richtung

17 Spiegelnde Reflexion (1) Empirisches Phong Modell Abhängig von Winkel φ zw. V und R V Betrachtungsvektor R Reflexionsvektor

18 Spiegelnde Reflexion (2) Empirisches Phong Modell n s gross glänzende Fläche n s klein dumpfe Fläche

19 Spiegelnde Reflexion (3) Je größer n s, desto kleiner das Highlight n s =8 n s =64 n s =128 n s =256

20 Spiegelnde Reflexion (4) Berechnung von R R R + = L = (2N L) N (2N L) N L Keine Winkeloperationen!

21 Spiegelnde Reflexion (5) Exponent vs. k s

22 Spiegelnde Reflexion (6) Variation von Blinn (Torrance): I = k I ( N H ) spec s l n s H = L L + V + V

23 Spiegelnde Reflexion (7) Abhängig v. Betrachtungsrichtung Abhängig von Beleuchtungsrichtung Sehr gutes 3D-Wahrnehmen

24 Kombination Für eine Lichtquelle: Für mehrere Lichtquellen:

25 Nicht-isotropes Licht Andere Aspekte Abnahme von Lichtintensität mit Entfernung Transparenz (Snells Gesetz) Schatten

26 Polgone schattieren Anwendung von Beleuchtungsmodellen auf Polgone

27 Schattierungsmodelle Polgone nach Transformationen und Abbildung mit Farbwerten füllen Flat-Shading: Lambertsches Beleuchtungsmodell 1 Farbwert pro Polgon Vorteil: sehr schnelle Berechnung Nachteile: starker Mach-Band Effekt, unrealistisches Aussehen Besser: Gouraud-, Phong-Shading

28 Gouraud Schattierung (1) Interpolation von Helligkeiten gemittelte Normale in Ecken bestimmen dann dort Beleuchtungsmodell evaluieren Ergebnisse, i.e., Intensitäten dann linear interpolieren N V n k= 1 = n k= 1 N N k k

29 Gouraud Schattierung (2) Helligkeiten interpolieren I I I + = I x x x x I x x x x I p p p + =

30 Gouraud Schattierung (3) Inkrementelles Interpolieren I I I + = I I I I + =

31 Gouraud Schattierung (4) Schattierung stetig ( flat shading) Aber Mach-Band Effekte Probleme mit high-lights

32 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 S 2 1. Normale in den Ecken bestimmen durch Mittel der angrenzenden Polgone 2. Beleuchtungsmodell evaluieren und entlang der Polgonkanten interpolieren 3. Innerhalb des Polgons entlang scan-lines interpolieren

33 Phong Schattierung (1) Normalvektoren interpolieren wieder Normale in den Ecken bestimmen dann aber diese Normale interpolieren Beleuchtungsmodell bei jeder scan-line evaluieren

34 Phong Schattierung (2) Normalvektoren interpolieren N = N1 + N

35 Phong Schattierung (3) Inkrementeller Normalvektor-update entlang von scan-lines und vertikal Vergleich zu Gouraud Schattierung High-lights besser kaum Mach-Band Effekte teurere Berechnung

36 S 1. Normale in den Ecken bestimmen 2. Normale entlang Polgonkanten interpolieren 3. Normale innerhalb Polgon entlang scanlines interpolieren und fuer jedes pixel Beleuchtungsmodell evaluieren

37 Probleme bei Interpolationen Polgon-Silhouette Interpolationsartefakte durch die vorgegebene scanline -Richtung Orientierungsabhängigkeit Perspektivische Abhängigkeit Unrepräsentative Eckpunktnormalen Abhilfe: feinere Triangulierung (führt zu komplexen Modellen)

38 Vergleich (1) Flat Shading vs. Gouraud vs. Phong

39 Vergleich (2) Flat Shading vs. Gouraud vs. Phong