Beleuchtungsmodelle und Shading

Ähnliche Dokumente
Rendering. (illumination/shading) Beleuchtungsmodelle. Schattierung von Polygonen. Lokale Beleuchtungsmodelle

3.5 Methode des gleitenden Horizonts

BlendaX Grundlagen der Computergrafik

Rendering: Lighting and Shading

Lokale Beleuchtungsmodelle

Beleuchtung. Matthias Nieuwenhuisen

3.3 Beleuchtung und Schattierung

Teil 7: Beleuchtung Beleuchtungsmodelle, Schattierungsmodelle

Wima-Praktikum 2: Bildsynthese-Phong

Computergrafik 2010 Oliver Vornberger. Kapitel 18: Beleuchtung

Lokale Beleuchtungsmodelle

4.7 Globale Beleuchtungsmodelle

4.4 Glättung von Kanten

Computergrafik 2010 Oliver Vornberger. Kapitel 18: Beleuchtung. Vorlesung vom

Computergrafik Universität Osnabrück, Henning Wenke,

Computergrafik 1 Beleuchtung

4.3 Beleuchtung und Schattierung

Licht und Farben. Andreas Spillner. Computergrafik, WS 2018/2019

Beleuchtung. in Computerspielen

3. Erklären Sie drei Eigenschaften der bidirektionalen Reflektivität (BRDF).

Graphische Datenverarbeitung Visualisierungstechniken. Prof. Dr. Elke Hergenröther

Teil 7: Beleuchtung. Einleitung. Einleitung. Beleuchtungsmodelle, Schattierungsmodelle

CGR I Beleuchtung und Schattierung

Die Welt der Shader. Fortgeschrittene Techniken III

Beleuchtung Schattierung Rasterung

Beleuchtung. Kapitel 18

Graphische Datenverarbeitung und Bildverarbeitung

Christina Nell. 3D-Computergrafik

Beleuchtungsmodelle. Realistische Bilder. Ausgedehnte Lichtquellen color bleeding. spiegelnde Reflexion. komplexe Oberflächen.

"rendern" = ein abstraktes geometrisches Modell sichtbar machen

Raytracing. Tobias Pfeiffer. 29. November Freie Universität Berlin Fachbereich Mathematik und Informatik

Kapitel 1. Globale Beleuchtung. 1.1 Ray Tracing Schatten, Reflexion und Brechung

Beleuchtung Schattierung Rasterung

Probelektion zum Thema. Shadow Rendering. Shadow Maps Shadow Filtering

Licht und Schatten Visualieren mit dem PC. Andreas Asperl

Strahlungsaustausch zwischen Oberflächen BRDF Ideal diffuse Reflektion Ideal spiegelnde Reflektion Totalreflexion Gerichtet diffuse Reflektion

Rendering: Lighting & Shading

Beleuchtung/Schattierung

5. Übungsblatt (Computergrafik-Praktikum) Raytracing einer triangulierten Szene

Einbeziehung von Elementen der 3D-Computergrafik in den Mathematikunterricht der Sekundarstufe II im Stoffgebiet Analytische Geometrie

Graphische Datenverarbeitung

5 Mapping-Techniken. 5.1 Motivation

Beleuchtungsverfahren. 1. Vorbemerkungen. 2. Klassifizierung. 3. Beleuchtungsmodelle. 4. Beleuchtungsalgorithmen

Computergrafik Universität Osnabrück, Henning Wenke,

Schattierung und Beleuchtung

Graphische Datenverarbeitung

Raytracing Modell Laufzeitoptimierungen Schnittalgorithmen Szenendatenstrukturen. Verbesserung der Bildqualität

Übungsstunde 8 zu Computergrafik 1

Analytical Relief Shading. Topographische und Hochgebirgskartographie, SS2014 Egger Michaela a

Michael Bender Martin Brill. Computergrafik. Ein anwendungsorientiertes Lehrbuch. 2., überarbeitete Auflage HANSER

Verbesserung der Bildqualität

C A R L V O N O S S I E T Z K Y. Licht & Material. Johannes Diemke. Übung im Modul OpenGL mit Java Wintersemester 2010/2011

Global Illumination: Raytracing. Die drei Reflexionstypen. ideal diffus (Lambertian) ideal reflektierend. richtungsabhängig diffus (Phong)

Einführung Augmentierte Bildsynthese

Echtzeit Videoverarbeitung

Computergrafik. Michael Bender, Manfred Brill. Ein anwendungsorientiertes Lehrbuch ISBN Inhaltsverzeichnis

die Planung eindrucksvoll präsentieren

1.6 Objekte Anordnung der Projektionsgeräte. ˆ Einzelsystem ˆ Rundumprojektion ˆ Kaskadierte Projektion Art der Projektion

Teil 9: Radiosity. Radiosity. Prinzip. Simulation globaler Lichtverteilung

Beleuchtungsmodelle I

Aufgaben. Modul 931 Optik Reflexion. 1) Wie wird diese Art der Reflexion bezeichnet?

Ihre Punkt + Sonderp. = Summe Ihre Note:

Photon-Mapping. University of Bonn & GfaR mbh

(7) Normal Mapping. Vorlesung Computergraphik II S. Müller. Dank an Stefan Rilling U N I V E R S I T Ä T KOBLENZ LANDAU

Teil 8: Ray Tracing. Ray Tracing Einleitung. Beleuchtung, inkl. Schatten, Reflexionen

Sampling. 7. Vorlesung

6 Rendering und Visibilität. 6.1 Farbmodelle

Computer-Graphik 1 Lighting & Shading

3D Rendering mit PHP. Die neue PEAR-Klasse Image_3D bietet die Möglichkeit nur mit PHP5 3DGrafiken zu rendern

1 Transformationen. 1.1 Transformationsmatrizen. Seite 1

Techniken der Effizienzsteigerung bei 2D-Texturierung:

Rendering. Rendern (Umsetzung oder Übertragung) Ursprüngliche Rendergleichung

Ambient Occlusion Precomputed Radiance Transfer

3D - Modellierung. Arne Theß. Proseminar Computergraphik TU Dresden

Ray Tracing. 2. Ray Tracing-Prinzip und -Algorithmen. 3. Schnittpunkt- und Normalenberechnung

Computergraphik Grundlagen

CAUSTICS & GODRAYS. Jacob Skuratovski

Computer Graphik I Beleuchtung

3 Die Theorie des Spiegelbuches

Grundlagen der Spieleprogrammierung

Abb. 5-5 Gegenüberstellung von Flat-Shading und Gouraud-Shading. Beleuchtungsberechnung mit nur einer Flächennormale pro Polygon

Rechnergestütztes Konstruieren im Metallbau und Holzbau. Rechnergestütztes Konstruieren im Metallbau und Holzbau Dr.-Ing. Hans-Walter Haller

Spiegelgasse 1 CH 4051 Basel. Vorführung der laufenden Programme im Tutorium Woche 3 (Abgabe ).

Computergrafik SS 2012 Probeklausur Universität Osnabrück Henning Wenke, M. Sc. Sascha Kolodzey, B. Sc., Nico Marniok, B. Sc.

2015 Sebastian Wahner - Die teilweise oder vollständige Weiterverbreitung dieses Werkes ist ohne Einverständnis des Autors

Geometrische Optik Reflexion. Prof. Dr. Taoufik Nouri

Shadingalgorithmen zur Visualisierung nanostrukturierter Oberflächen

Graphische Datenverarbeitung und Bildverarbeitung

Simulation multipler Streuung an Haaren mit Hilfe eines Photon-Mapping-Ansatzes

NG Brechzahl von Glas

Programmierpraktikum 3D Computer Grafik

3.6 Schattenberechnung

Lösung: a) b = 3, 08 m c) nein

Morphologische Operationen (12 Punkte)

Photometrie. EPD.06 Photometrie.doc iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit

Workshop: Einführung in die 3D-Computergrafik. Julia Tolksdorf Thies Pfeiffer Christian Fröhlich Nikita Mattar

8 Reflexion und Brechung

Computergrafik Universität Osnabrück, Henning Wenke,

Transkript:

Beleuchtungsmodelle und Shading Andreas Spillner Computergrafik, WS 2018/2019

Ziel der Modellierung von Beleuchtung Baut auf dem Kapitel zu Licht und Farben auf. In die 3D-Szene werden Lichtquellen eingebracht. Die Ausbreitung des von diesen Lichtquellen abgestrahlten Lichts soll so modelliert werden, dass für den Betrachter der gerenderten Szene ein möglichst realistischer Eindruck entsteht. Letzlich müssen für die sichtbaren Punkte auf der Oberfläche der Objekte in der Szene Werte für Intensität und Farbe berechnet werden.

Einteilung der Beleuchtungsmodelle Lokale Beleuchtungsmodelle Nur die direkte Beleuchtung durch Lichquellen wird berücksichtigt. Indirekte Beleuchtung durch Reflexion an Objekten der Szene oder die Verdeckung von Lichtquellen durch Objekte wird nicht berücksichtigt. Beispiele: Modelle von Lambert und Phong Globale Beleuchtungsmodelle Auch indirekte Beleuchtung durch Reflexion an Objekten und Verdeckung wird mit berücksichtigt. Beispiele: Ray Tracing und Radiosity

Abgrenzung zwischen Beleuchtungsmodellen und Shading Beim Shading geht es darum, wie ein bestimmtes Beleuchtungsmodell beim Rendern einer 3D-Szene angewendet wird. Anders ausgedrückt: Beleuchtung erfolgt für die Punkte der 3D-Szene. Shading erfolgt für die Punkte im 2D-Bild der Szene.

Interaktion von Licht mit Objektoberflächen Die Beschaffenheit der Oberfläche eines Objekts in der 3D-Szene beeinflusst die weitere Ausbreitung des Lichts, das auf sie fällt. In der Realität findet eine Mischung aus: Reflexion Absorption Transmission statt. Wir konzentrieren uns im Folgenden auf die Reflexion.

Extremfall 1: ideal spiegelnde Oberflächen n θ l θ r O Im Winkel θ l gegenüber der Normale n einfallendes Licht wird an der Oberfläche O ausschließlich im Winkel reflektiert. θ r = θ l

Extremfall 2: vollkommen diffuse Reflexion n θ l O Im Winkel θ l gegenüber der Normale n einfallendes Licht wird gleichmäßig in alle Richtungen reflektiert. Dies entspricht extrem matten Oberflächen.

Zwischen den beiden Extremfällen n θ l O Im Winkel θ l gegenüber der Normale n einfallendes Licht wird gemäß einer oberflächenspezifischen Verteilung p(θ l, θ r ) in die verschiedenen Ausfallwinkel θ r reflektiert. Die Verteilung wird mit der bi-directional reflection distribution function (BRDF) beschrieben. Im 3D benötigt man für das ein- bzw- ausfallende Licht noch je einen weiteren Winkel ϕ l und ϕ r. Für reale Oberflächen bestimmt man die BRDF näherungsweise durch Messungen.

Modellierung von Lichtquellen Programmbibliotheken bieten in der Regel eine Reihe typischer Lichquellen an. Im Folgenden sind beispielhaft die Eigenschaften einiger solcher typischer Lichtquellen angegeben.

Ambientes Licht (Streulicht) Repräsentiert Licht, das in einer 3D Szene durch mehrfache Reflexion und/oder Transmission an verschiedenen Objekten nahezu überall vorhanden ist. Es kommt aus allen Richtungen mit der gleichen Intensität.

Punktförmige Lichtquellen Die Beschreibung erfolgt durch Angabe der Position p im Raum und der Farbe des ausgesendeten Lichts. Das Licht breitet sich von p aus in alle Richtungen aus. Die Intensität des Lichts nimmt mit zunehmender Entfernung d von p immer weiter ab (Dämpfung). Der Dämpfungsfaktor hat folgende Gestalt: ( ) 1 f = min c 1 + c 2 d + c 3 d 2, 1 Die Konstanten c 1, c 2, c 3 können vom Anwender vorgegeben werden.

Richtungslicht O Man kann es sich als eine unendlich weit entfernte punktförmige Lichtquelle vorstellen. Dadurch trifft das Licht jeden Punkt der Oberfläche eines Objekts O in der 3D-Szene aus der gleichen Richtung. Es muss daher keine Neuberechnung des Vektors des einfallenden Lichts für jeden Punkt erfolgen. Die Beschreibung erfolgt über die Richtung des Lichts sowie dessen Intensität und Farbe.

Das Beleuchtungsmodell von Lambert l n θ l O Es beschreibt den Effekt der diffusen Reflexion an Oberflächen. Lamberts Gesetz für die Intensität des diffus reflektierten Lichts I d = I l r d max(0, l, n ) Dabei sind: l und n Einheitsvektoren Il die Intensität des aus Richtung l einfallenden Lichts rd der diffuse Reflexionskoeffizient der Oberfläche

Das Beleuchtungsmodell von Phong n l r θ l α v Es beschreibt den Effekt der unvollkommen spiegelnden Reflexion an Oberflächen. Die Intensität des in Richtung v reflektierten Lichts hängt vom Winkel α ab. Es gilt die Formel: O I s = I l r s max(0, r, v ) γ Dabei sind: l, n, r und v Einheitsvektoren Il die Intensität des aus Richtung l einfallenden Lichts r s der spiegelnde Reflexionskoeffizient der Oberfläche

Gesamtintensität des reflektierten Lichts Für die Intensität des in Richtung v reflektierten Lichts haben wir bisher die Beiträge I d und I s. Aus der ambienten Beleuchtung kommt noch der Beitrag I a = r a I A, wobei I A die Intensität des ambienten Lichts ist und r a der ambiente Reflexionskoeffizient der Oberfläche. Falls die Oberfläche selbst Licht aussendet, kommt noch ein Beitrag I e hinzu. Insgesamt erhält man somit: I ges = I d + I s + I a + I e Im RGB-Modell wird auf diese Weise jeder Farbkanal separat betrachtet. Jeder Farbkanal hat dabei seine eigenen Reflexionskoeffizienten.

Ausblick: Radiosity-Modell Bisher wurde nur das Licht betrachtet, welches von Lichquellen direkt auf Oberflächen von Objekten fällt. Reflektiertes Licht wird lediglich als ambientes Licht konstanter Intensität berücksichtigt. Im folgenden Beispiel sollte auf der Wand w 2 ein schrittweiser Übergang von hell nach dunkel zu sehen sein. bisher: im Radiosity-Modell: w 1 w 2 w 1 w 2

Ausblick: Ray Tracing Das durch ein Pixel das Ausgaberasters zum Beobachtungspunkt p kommende Licht wird rekursiv durch die Szene zurückverfolgt. Dies ermöglicht die Berechnung realistisch wirkender 2D-Darstellungen der 3D-Szene mit Spiegelungen von Objekten in der Oberfläche anderer Objekte, Schatten usw. Das Verfahren ist sehr rechenaufwendig. p Ausgaberaster 3D-Szene

Was können wir bisher leisten? Zur Bestimmung von Farbe und Intensität eines Pixels bei der Rasterung sucht man zuerst den auf dieses Pixel projizierten Objektpunkt p und berechnet dann für p Farbe und Intensität mit einem der Beleuchtungsmodelle. Dieses Vorgehen hat aber folgende Nachteile: Das Rastern kommt in der Rendering-Pipeline ganz zum Schluss. Zu diesem Zeitpunkt sollte idealerweise schon feststehen, welche Intensität und Farbe der darzustellende Punkt haben muss. Es ist sehr rechenaufwendig. Im Folgenden werden zwei Heuristiken vorgestellt, die mit weniger Rechenaufwand auskommen.

Flat Shading Für jedes Dreieck D der 3D-Szene wird das Beleuchtungsmodell nur ein Mal an einem einzigen ausgewählten Punkt von D angewendet. Alle Punkte von D bekommen dann die so berechnete Farbe und Intensität zugewiesen. Vorteil: geringer Rechenaufwand Nachteil: Knicke an Übergängen zwischen Dreiecken, die eine glatte Oberfläche näherungsweise darstellen sollen glatte Oberfläche Näherung durch Dreiecke

Gouraud-Shading (1) Ziel: der Übergang von einem Dreieck zum nächsten soll geglättet werden. Dazu wird das Beleuchtungsmodell an den Ecken jedes Dreiecks unter Verwendung der Normalenvektoren n 1, n 2 und n 3 angewendet. Mit Hilfe baryzentrischer Koordinaten wird dann auf dem Dreieck ein Farbverlauf beschrieben. n 2 n 3 n 1 glatte Oberfläche Näherung durch Dreiecke

n 1 n 2 Gouraud-Shading (2) Falls kein Zugriff auf die Normalen der glatten Oberfläche möglich ist, behilft man sich mit dem Vektor n, der sich aus den Normalen der Dreiecke, die in einer Ecke zusammentreffen, gebildet wird. Bei Verwendung von Einheitsvektoren ergibt sich: n = n 1 + n 2 + n 3 + n 4 + n 5 n 1 + n 2 + n 3 + n 4 + n 5 n n 5 n 3 n 4

Gouraud-Shading (3) Vorteile des Verfahrens: fügt sich gut in die Rendering-Pipeline ein effizient hinreichende Glättung an den Übergängen der Dreiecke Nachteile des Verfahrens: letztlich eine Heuristik beispielsweise wird die Spiegelung von Lichtquellen in Objekten oft nicht korrekt dargestellt p