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Computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil.

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Präsentation zum Thema: "Computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil."—  Präsentation transkript:

1 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil

2 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Gliederung 1. Licht in der realen Welt 2. Lighting 2.1 Light Sources 2.2 Beleuchtungsmodelle 3. Shading 4. Fragen und Diskussion

3 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Licht in der realen Welt Was ist Licht? – kann als Welle und als Teilchen beschrieben werden Farbspektrum des sichtbaren Lichts

4 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Licht in der realen Welt Trifft Licht z.B. auf einen roten Gegenstand, wird der Rotanteil des Lichts reflektiert und der Rest absorbiert Durch Reflexionen erscheinen Gegenstände für das Auge farbig

5 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Light Sources Verschiedene Lichtquellen Sonne Kerze Lampe

6 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Directional Light Keine eindeutige Lichtposition Bestimmt durch Richtung und Intensität Konstante Lichtintensität

7 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Point Light Feste Position Quadratische Intensitätsabnahme mit zunehmender Entfernung

8 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Spot Light Feste Position Point Light + Winkel-Constraint Intensitätsbestimmung in 2 Winkeln a

9 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Beleuchtungsmodelle Lokale Beleuchtungsmodelle – Lichtauswirkungen auf das Objekt ohne Berücksichtigung anderer Objekte und deren Reflexionen Globale Beleuchtungsmodelle – Raytracing, Radiosity – Berücksichtigung von Reflexionen, Schatten und anderen Auswirkungen der Umgebung

10 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Beleuchtungsmodelle Lokale Beleuchtung, mit Ambient Light und Schatten

11 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Beleuchtungsmodelle Globale Beleuchtung

12 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Phong Illumination Modell empirisches Modell, Juni 1975 vorgestellt Baut nicht auf physikalischen Annahmen auf Emissive Light, Diffuse Light, Specular Light, Ambient Light

13 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Emissive Light Beschreibt die Eigenhelligkeit eines Objekts Beispiele sind Monitore, Fernseher, Werbetafeln, etc.

14 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Diffuse Light Reflexion des eintreffenden Lichts in jede Richtung Einfallswinkel beeinflusst Lichtintensität

15 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Diffuse Light I in Lichtstärke des einfallenden Lichtstrahls der Punktlichtquelle k diffus Reflexionsfaktor für diffuse Komponente der Reflexion Winkel zwischen Normalvektor der Oberfläche und Einheitsvektor in Richtung des einfallenden Lichtstrahls Materialkonstante NormalvektorLichtvektor

16 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Specular Light Spiegelnde Komponente der Reflexion Abhängig von – Position des Betrachters – Oberflächenbeschaffenheit

17 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Specular Light I in Lichtstärke des einfallenden Lichtstrahls der Punktlichtquelle k specular Reflexionsfaktor für spiegelnde Komponente der Reflexion θ Winkel zwischen idealer Reflexionsrichtung des ausfallenden Lichtstrahls und Blickrichtung des Betrachters n konstanter Faktor zur Beschreibung der Oberflächenbeschaffenheit

18 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Ambient Light Umgebungslicht

19 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Phong Illumination Modell

20 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil RGB-Farbraum Stellt Farben durch additive Mischung aus Rot, Grün und Blau dar

21 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil RGB-Farbraum 3-fache Berechnung, einmal für jede Wellenlänge FarbeR=G=B= Schwarz000 Rot25500 Grün02550 Blau00255 Cyan0255 Magenta2550 Gelb255 0 Weiß255

22 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Blinn-Phong Modell (1977) Weiterentwicklung des Phong Modells Unterschied in der Berechnung der spiegelnden Komponente

23 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Blinn-Phong Modell Winkelhalbierende statt Reflexionsvektor – V normierter Vektor vom Punkt zum Betrachter – L normierter Vektor vom Punkt zu der zu betrachtenden Punktlichtquelle V

24 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Cook-Torrance Modell Realitätsnäher benutzt Mikrofacetten, die V-förmige Löcher ergeben Hohe Berechnungszeiten

25 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Cook-Torrance Modell Lichtreflexion der Facetten (statistisches Modell) berechnet durch – Fresnel-Reflexions-Koeffizienten – Geometrischen Abschwächungsfaktor

26 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Cook-Torrance Modell Wird für Metalle und Materialien mit verschiedenen Rauheiten benutzt

27 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Shading Interpolation der Pixel Wie werden die Helligkeiten berechnet?

28 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Flat Shading Beleuchtungsberechnung einmal pro Dreieck mit Hilfe der Flächennormalen Problem: Mach-Band Effekt

29 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Mach-Band-Effekt Kontrasterhöhung an den Kanten durch das menschliche Auge

30 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Gouraud Shading Berechnung der Helligkeiten an den Vertices des Polygons

31 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Gouraud Shading Normale eines Vertex – Mittel der angrenzenden Flächennormalen

32 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Gouraud Shading Füllen des Polygons mit Linien – Linien werden mit einem Zwischenwert der Vertex- Werte interpoliert

33 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Gouraud Shading Nachteile: – Glanzpunkte innerhalb von Polygonen gehen verloren – Sternenförmige Glanzpunkte an den Ecken

34 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Gouraud Shading Abflachen gewölbter Oberflächen Lösung: mehr Polygone höherer Rechenaufwand

35 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Phong Shading Zu den Normalen an den Vertices werden interpolierte Normalen an jeder Stelle des Polygons berechnet Beleuchtungsberechnung pro Pixel erhöhter Rechenaufwand

36 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Phong Shading Torus-Objekt mit Phong Shading

37 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Shading-Verfahren im Vergleich Flat Shading Phong ShadingGouraud Shading

38 computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil Fragen Danke für eure Aufmerksamkeit


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