Beleuchtungsmodelle, Schattierungsmodelle

Präsentation zum Thema: "Beleuchtungsmodelle, Schattierungsmodelle"—  Präsentation transkript:

1 Beleuchtungsmodelle, Schattierungsmodelle
Teil 7: Beleuchtung Beleuchtungsmodelle, Schattierungsmodelle Teil 7: Beleuchtung

2 Einleitung Beleuchtung vs. Schattierung
Beleuchtung: Modell auswerten (anschl.) global vs. lokal physikalisch (photo-realistisch?) vs. empirisch Phong-Modell Schattierung: Pixel einfärben (VO, 2. Teil) Polygone schattieren (Flat, Gouraud, Phong) Teil 7: Beleuchtung

3 Einleitung Globale Beleuchtungsmodelle Lokale Beleuchtungsmodelle
Modelle der globalen Lichtverteilung – Schatten, Reflexionen, Brechung, etc. Ray Tracing, Radiosity ( extra VOs) Lokale Beleuchtungsmodelle Modelle der lokalen Beleuchtung Empirische bzw. physikalische Modelle Teil 7: Beleuchtung

4 Beleuchtungsmodell Photorealismus Modellierung von Lichteffekten
exakte Repräsentation in der CG möglichst physikalische Modelle Reflexion von Licht, Transparenz, Textur, Schatten, etc. Modellierung von Lichteffekten Physik Psychologie Licht-Objekt Interaktionen Teil 7: Beleuchtung

5 Lichtquellen Reflektiertes Licht ist Summe von: Lichtquellenbeiträgen
Objektbeitraege via Reflexionen Teil 7: Beleuchtung

6 Lichtquellentypen Ambientes Licht Direktionales Licht
Punktlichtquellen Spotlights, Flächer Teil 7: Beleuchtung

7 Reflexionseigenschaften
Teil 7: Beleuchtung

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 Teil 7: Beleuchtung

9 Umgebungslicht Ungerichtete (diffuse) Lichtquelle
Intensität in Umgebung gleich Entsteht durch vielfache Reflexionen an Oberflächen in der Umgebung Triviales Beleuchtungsmodell: I = ka Ia Ia Intensität des Umgebungslichtes ka ambienter Reflexionskoeffizient Teil 7: Beleuchtung

10 Umgebungslicht – Beispiele
Objekthelligkeit nur von ka abhängig Keine Variation in Abhängigkeit von Flächenorientierung Unabhängig von Betrachtungsrichtung Erschwertes 3D-Wahrnehmen Teil 7: Beleuchtung

11 Diffuse Reflexion (1) Jeweils konstant für eine Fläche
Unabhängig v. Betrachtungsrichtung Abhängig von Beleuchtungsrichtung Dünkler, wenn schräg angeleuchtet Verbessertes 3D-Wahrnehmen Teil 7: Beleuchtung

12 Diffuse Reflexion (2) Ideale diffuse Reflexion (Lambertsche Reflektoren) Helligkeit hängt von der Lage der Fläche in Bezug auf das Licht ab Teil 7: Beleuchtung

13 Diffuse Reflexion (3) Lamberts Gesetz
Flächenhelligkeit ist proportional zu cos  … Winkel(L, N) Teil 7: Beleuchtung

14 Diffuse Reflexion (4) kd variiert Teil 7: Beleuchtung

15 Diffuse Reflexion (5) Diffuse Refl. und Umgebungs- licht
Teil 7: Beleuchtung

16 Spiegelnde Oberflächen
Ideale Spiegel vs. nicht-ideale Spiegel Viele Materialien spiegeln nicht nur … aber verstärkt in eine Richtung Teil 7: Beleuchtung

17 Spiegelnde Reflexion (1)
Empirisches Phong Modell Abhängig von Winkel  zw. V und R V … Betrachtungsvektor R … Reflexionsvektor Teil 7: Beleuchtung

18 Spiegelnde Reflexion (2)
Empirisches Phong Modell ns gross  glänzende Fläche ns klein  dumpfe Fläche Teil 7: Beleuchtung

19 Spiegelnde Reflexion (3)
Je größer ns, desto kleiner das Highlight ns=8 ns=64 ns=128 ns=256 Teil 7: Beleuchtung

20 Spiegelnde Reflexion (4)
Berechnung von R Keine Winkel- operationen! Teil 7: Beleuchtung

21 Spiegelnde Reflexion (5)
Exponent vs. ks Teil 7: Beleuchtung

22 Spiegelnde Reflexion (6)
Variation von Blinn (Torrance): Teil 7: Beleuchtung

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

24 Kombination Für eine Lichtquelle: Für mehrere Lichtquellen:
Teil 7: Beleuchtung

25 Andere Aspekte Nicht-isotropes Licht
Abnahme von Lichtintensität mit Entfernung Transparenz (Snells Gesetz) Schatten Teil 7: Beleuchtung

26 Polygone schattieren Anwendung von Beleuchtungsmodellen auf Polygone
Teil 7: Beleuchtung

27 Schattierungsmodelle
Polygone nach Transformationen und Abbildung mit Farbwerten füllen Flat-Shading: Lambertsches Beleuchtungsmodell 1 Farbwert pro Polygon Vorteil: sehr schnelle Berechnung Nachteile: starker Mach-Band Effekt, unrealistisches Aussehen Besser: Gouraud-, Phong-Shading Teil 7: Beleuchtung

28 Gouraud Schattierung (1)
Interpolation von Helligkeiten gemittelte Normale in Ecken bestimmen dann dort Beleuchtungsmodell evaluieren Ergebnisse, i.e., Intensitäten dann linear interpolieren Teil 7: Beleuchtung

29 Gouraud Schattierung (2)
Helligkeiten interpolieren Teil 7: Beleuchtung

30 Gouraud Schattierung (3)
Inkrementelles Interpolieren Teil 7: Beleuchtung

31 Gouraud Schattierung (4)
Schattierung stetig ( flat shading) Aber Mach-Band Effekte Probleme mit high-lights Teil 7: Beleuchtung

32 3. Innerhalb des Polygons entlang scan-lines interpolieren
1. Normale in den Ecken bestimmen durch Mittel der angrenzenden Polygone 2. Beleuchtungsmodell evaluieren und entlang der Polygonkanten interpolieren 3. Innerhalb des Polygons entlang scan-lines interpolieren Teil 7: Beleuchtung

33 Phong Schattierung (1) Normalvektoren interpolieren
wieder Normale in den Ecken bestimmen dann aber diese Normale interpolieren Beleuchtungsmodell bei jeder scan-line evaluieren Teil 7: Beleuchtung

34 Phong Schattierung (2) Normalvektoren interpolieren
Teil 7: Beleuchtung

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 Teil 7: Beleuchtung

36 1. Normale in den Ecken bestimmen
2. Normale entlang Polygonkanten interpolieren 3. Normale innerhalb Polygon entlang scan-lines interpolieren und fuer jedes pixel Beleuchtungsmodell evaluieren Teil 7: Beleuchtung

37 Probleme bei Interpolationen
Polygon-Silhouette Interpolationsartefakte durch die vorgegebene „scanline“-Richtung Orientierungsabhängigkeit Perspektivische Abhängigkeit Unrepräsentative Eckpunktnormalen Abhilfe: feinere Triangulierung (führt zu komplexen Modellen) Teil 7: Beleuchtung

38 Vergleich (1) Flat Shading vs. Gouraud vs. Phong Teil 7: Beleuchtung

39 Vergleich (2) Flat Shading vs. Gouraud vs. Phong Teil 7: Beleuchtung