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.

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.

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)

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

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:

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.

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:

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

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}