Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung Beleuchtungsmodelle, Schattierungsmodelle.

Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung

Teil 7: Beleuchtung

Beleuchtungsmodelle,Schattierungsmodelle


Einleitung

Beleuchtung vs. Schattierung Beleuchtung: Modell auswerten (anschl.)

global vs. lokalphysikalisch (photo-realistisch?) vs. empirischPhong-Modell

Schattierung: Pixel einfärben (VO, 2. Teil)Polygone schattieren (Flat, Gouraud, Phong)


Einleitung

Globale Beleuchtungsmodelle Modelle der globalen Lichtverteilung –

Schatten, Reflexionen, Brechung, etc.

Ray Tracing, Radiosity ( extra VOs)

Lokale Beleuchtungsmodelle Modelle der lokalen Beleuchtung Empirische bzw. physikalische Modelle


Beleuchtungsmodell Photorealismus exakte Repräsentation in der CG möglichst physikalische Modelle

Reflexion von Licht, Transparenz, Textur, Schatten, etc.

Modellierung von Lichteffekten Physik Psychologie Licht-Objekt Interaktionen


LichtquellenReflektiertes Licht istSumme von: Lichtquellenbeiträgen Objektbeitraege via

Reflexionen


LichtquellentypenAmbientes Licht Direktionales Licht

Punktlichtquellen Spotlights, Flächer


Reflexionseigenschaften

a ) s p ie g e ln d b ) g e r ic h te t d iffu s

c ) d iffu s


ObjektfarbeFarbe 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


Umgebungslicht

Ungerichtete (diffuse) LichtquelleIntensität in Umgebung gleichEntsteht durch vielfache Reflexionen an Oberflächen in der UmgebungTriviales Beleuchtungsmodell: I = ka Ia

Ia Intensität des Umgebungslichteska ambienter Reflexionskoeffizient


Umgebungslicht – BeispieleObjekthelligkeit nur von ka abhängigKeine Variation in Abhängigkeit von FlächenorientierungUnabhängig von BetrachtungsrichtungErschwertes 3D-Wahrnehmen


Diffuse Reflexion (1)Jeweils konstant für eine FlächeUnabhängig v. BetrachtungsrichtungAbhängig von BeleuchtungsrichtungDünkler, wenn schräg angeleuchtetVerbessertes 3D-Wahrnehmen


Diffuse Reflexion (2)Ideale diffuse Reflexion (Lambertsche Reflektoren)Helligkeit hängt von der Lageder Fläche in Bezug auf das Licht ab


Diffuse Reflexion (3)Lamberts GesetzFlächenhelligkeit ist proportional zu cos … Winkel(L, N)


Diffuse Reflexion (4)kdvariiert


Diffuse Reflexion (5)Diffuse Refl. undUmgebungs-licht

)( LNIkIkI ldaadiff


Spiegelnde OberflächenIdeale Spiegel vs. nicht-ideale SpiegelViele Materialien spiegeln nicht nur … aber

verstärkt in eine Richtung


Spiegelnde Reflexion (1)Empirisches Phong Modell

Abhängig von Winkel zw. V und RV … BetrachtungsvektorR … Reflexionsvektor


Spiegelnde Reflexion (2)Empirisches Phong Modell ns gross glänzende Fläche ns klein dumpfe Fläche


Spiegelnde Reflexion (3)

ns=8 ns=64

ns=128 ns=256

Je größer ns,desto kleinerdas Highlight


Spiegelnde Reflexion (4)Berechnung von R

Keine Winkel-operationen!

LNLNR

NLNLR

)2(

)2(


Spiegelnde Reflexion (5)Exponent vs. ks


Spiegelnde Reflexion (6)Variation von Blinn (Torrance):

snlsspec HNIkI )(

VLVL

H


Spiegelnde Reflexion (7)Abhängig v. BetrachtungsrichtungAbhängig von BeleuchtungsrichtungSehr gutes 3D-Wahrnehmen


KombinationFür eine Lichtquelle:

Für mehrere Lichtquellen:


Andere AspekteNicht-isotropes LichtAbnahme von Lichtintensität mit EntfernungTransparenz (Snells Gesetz)Schatten


Polygone schattierenAnwendung von Beleuchtungsmodellen auf Polygone


Schattierungsmodelle

Polygone nach Transformationen und Abbildung mit Farbwerten füllenFlat-Shading: Lambertsches Beleuchtungsmodell 1 Farbwert pro Polygon Vorteil: sehr schnelle Berechnung Nachteile: starker Mach-Band Effekt,

unrealistisches Aussehen

Besser: Gouraud-, Phong-Shading


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

interpolieren

n

kk

n

kk

V

N

NN

1

1


Gouraud Schattierung (2)Helligkeiten interpolieren

221

411

21

244 I

yyyy

Iyyyy

I

545

44

45

5 Ixx

xxI

xx

xxI ppp


Gouraud Schattierung (3)Inkrementelles Interpolieren

221

11

21

2 Iyyyy

Iyyyy

I

21

12

yyII

II


Gouraud Schattierung (4)Schattierung stetig ( flat shading)Aber Mach-Band EffekteProbleme mit high-lights


S1

S2

S3R=t·S1+(1–t)·S2 R'=u·S2+(1–u)·S3

v·R+(1–v)·R'

1. Normale in den Ecken bestimmendurch Mittel der angrenzenden Polygone

2. Beleuchtungsmodell evaluieren undentlang der Polygonkanten interpolieren

3. Innerhalb des Polygons entlang scan-lines interpolieren


Phong Schattierung (1)Normalvektoren interpolieren wieder Normale in den Ecken bestimmen dann aber diese Normale interpolieren Beleuchtungsmodell bei jeder scan-line

evaluieren


Phong Schattierung (2)Normalvektoren interpolieren

221

11

21

2 Nyyyy

Nyyyy

N


Phong Schattierung (3)Inkrementeller Normalvektor-updateentlang von scan-lines und vertikalVergleich zu Gouraud Schattierung High-lights besser kaum Mach-Band Effekte teurere Berechnung


1. Normale in den Ecken bestimmen2. Normale entlang Polygonkanten

interpolieren3. Normale innerhalb Polygon entlang scan-

lines interpolieren und fuer jedes pixel Beleuchtungsmodell evaluieren

S


Probleme bei Interpolationen

Polygon-SilhouetteInterpolationsartefakte durch die vorgegebene „scanline“-Richtung Orientierungsabhängigkeit Perspektivische Abhängigkeit

Unrepräsentative EckpunktnormalenAbhilfe: feinere Triangulierung(führt zu komplexen Modellen)


Vergleich (1)Flat Shading vs. Gouraud vs. Phong


Vergleich (2)Flat Shading vs. Gouraud vs. Phong

Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung Beleuchtungsmodelle, Schattierungsmodelle.

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