5. Beleuchtung und Schattierung

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1 5. Beleuchtung und Schattierung
Realistisch wirkende graphische Darstellungen räumlicher Objekte erhält man durch Farbgebung auf der Grundlage einer Beleuchtungssimulation. Beleuchtungsmodell: bestimmt den Farbwert eines Oberflächenpunktes auf der Grundlage des festgelegten Lichtaustausches innerhalb der beleuchteten 3D-Szene. Analytische Beleuchtungsmodelle: basieren auf der Modellierung physikalischer Gesetzmäßigkeiten. Empirische Beleuchtungsmodelle: verwenden einfache erprobte Regeln zur Erzeugung realistisch wirkender Bilder.

2 Lokale Beleuchtungsmodelle: beschreiben den Farbwert eines Oberflächenpunktes durch das Zusammenwirken von einfallendem Licht aus den Lichtquellen und dem Reflektionsverhalten der Oberfläche. Globale Beleuchtungsmodelle: beziehen den Austausch von Licht zwischen allen Objekten der Szene ein. Schattierungsverfahren: Algorithmus, der den Punkten einer (sichtbaren) Oberfläche (z.B. Polygon) Farbwerte zuordnet. Dabei wird versucht ein realistisch wirkendes Bild zu erzeugen ohne das Beleuchtungsmodell in jedem Flächenpunkt auszuwerten.

3 Lokale empirische Beleuchtungsmodelle
Aspekte des Beleuchtungsmodells: Art der Lichtquelle: Form, Strahlungsrichtung, Spektrum Beschaffenheit der Oberfläche: Reflektion, Transmission, Absorption Lichtquelle (Source) Punktförmig Licht wird gleichmäßig in sämtliche Richtungen emittiert Monochromatisches Licht Is : Intensität der Lichtquelle Hintergrundbeleuchtung (Ambient light) Wird zur Vermeidung des „Taschenlampeneffektes“ in das Modell integriert Ia : Intensität der Hintergrundbeleuchtung Objektoberfläche Zwei idealisierte Oberflächentypen: Diffuser Reflektor (matt) Gerichteter Reflektor (spiegelnd)

4 Diffuse Reflektion Ein diffuser Reflektor reflektiert das einfallende Licht gleichmäßig in alle Richtungen Die Intensität des reflektierten Lichts hängt ab vom Winkel zwischen Oberflächennormale N und Vektor L zur Lichtquelle Lambertsches Gesetz kd : diffuser Reflektionskoeffizient, 0 £ kd £ 1 Bei Verwendung normierter Vektoren gilt Bemerkung: Die Winkeleinschränkung entspricht der Annahme einer selbstverdeckenden Oberfläche. Genauer gilt bei beliebigem Einfallwinkel

5 Beleuchtungsmodell für diffus reflektierende Oberflächen
Die Auswirkung der Beleuchtungsformel muss in einem Koordinatensystem erfolgen, das isometrisch zum WeltKOS ist, da ansonsten Winkel verändert werden Direktionale Lichtquelle: L = konstant (Lichtquelle liegt im Unendlichen) Abschwächung aufgrund der Entfernung zur Lichtquelle: Helligkeit eines Objektes hängt quadratisch vom Abstand zur Lichtquelle ab mit ds = Abstand Lichtquelle-Objekt Probleme: Bei großen Entfernungen variiert sehr wenig, bei geringen Entfernungen variiert zu stark Besserer Ansatz:

6 Farbeffekte Annahme: Die Wechselwirkung zwischen farbigem Licht und farbigen Objekten lässt sich komponenten-weise in einem Farbmodell (z.B. RGB-Modell) beschreiben. Intensität des farbigen Lichtes: Farbeigenschaften der Oberfläche Die diffuse Reflektion farbigen Lichtes durch die Oberfläche wird durch Verwendung eines Reflektionskoeff. pro Lichtanteil beschrieben: Beleuchtungsmodell: Bemerkung: Die obige Annahme ist falsch, liefert jedoch akzeptable Resultate. Korrekt wäre die Beleuchtungsgleichung über dem gesamten Spektrum zu formulieren.

7 Depth Cueing Berücksichtigt die Entfernungsunterschiede zwischen dem Betrachter und den Objekten der Szene Ermöglicht die Approximation der Farbverschiebung des Lichtes in der Atmosphäre Ansatz: Die Intensität Il des Lichtes der Wellenlänge l , das von einer Oberfläche reflektiert wird, wird abstands-abhängig mit einer vordefinierten reduzierten Intensität gemischt. Dabei gilt: Liegt das Objekt von einer Referenzebene z = zf , so wird s0 = sf Liegt das Objekt von einer Referenzebene z = zb , so wird s0 = sb sonst:

8 Gerichtete Reflektion
Ein idealer gerichteter Reflektor reflektiert einfallendes Licht in eine Richtung, wobei Einfallswinkel = Ausfallswinkel gilt Der Beobachter sieht die Spiegelung nur, wenn A = R bestimmt den Anteil des gespiegelten Lichts der Wellenlänge l bei einem Einfallswinkel q Bsp.: Glas q = 0° : praktisch keine Reflektion q = 90° : fast Totalreflektion Für viele Materialien wird die Abhängigkeit vom Einfallswinkel vernachläßigt Der Reflektionskoeffizient bestimmt die Farbe der gerichteten Reflektion die in Allg. von der Farbe der diffusen Reflektion abweicht Bsp.: Plastik (Farbpigmente in transparentem Material) wähle einheitlich über das Spektrum

9 Das Phong-Modell des unvollkommenen Reflektors
Ein unvollkommener Reflektor reflektiert in einem Bereich um R Dabei ist die Spiegelung maximal im Zentrum und fällt zum Rand des Bereiches ab Phong ´75 (Warnock 69): (A, R normiert) Beleuchtungsmodell der gemischten Reflektion Mehrere Lichtquellen Bei Verwendung des RGB-Farbmodells interpretiere l als Index aus der Menge {rot, grün, blau}