helwig hauser teil 7: beleuchtung beleuchtungsmodelle, schattierungsmodelle
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Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Teil 7: Beleuchtung
Beleuchtungsmodelle,Schattierungsmodelle
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
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)
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
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
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
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
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
LichtquellenReflektiertes Licht istSumme von: Lichtquellenbeiträgen Objektbeitraege via
Reflexionen
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
LichtquellentypenAmbientes Licht Direktionales Licht
Punktlichtquellen Spotlights, Flächer
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Reflexionseigenschaften
a ) s p ie g e ln d b ) g e r ic h te t d iffu s
c ) d iffu s
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
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
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
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
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Umgebungslicht – BeispieleObjekthelligkeit nur von ka abhängigKeine Variation in Abhängigkeit von FlächenorientierungUnabhängig von BetrachtungsrichtungErschwertes 3D-Wahrnehmen
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Diffuse Reflexion (1)Jeweils konstant für eine FlächeUnabhängig v. BetrachtungsrichtungAbhängig von BeleuchtungsrichtungDünkler, wenn schräg angeleuchtetVerbessertes 3D-Wahrnehmen
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Diffuse Reflexion (2)Ideale diffuse Reflexion (Lambertsche Reflektoren)Helligkeit hängt von der Lageder Fläche in Bezug auf das Licht ab
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Diffuse Reflexion (3)Lamberts GesetzFlächenhelligkeit ist proportional zu cos … Winkel(L, N)
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Diffuse Reflexion (4)kdvariiert
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Diffuse Reflexion (5)Diffuse Refl. undUmgebungs-licht
)( LNIkIkI ldaadiff
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Spiegelnde OberflächenIdeale Spiegel vs. nicht-ideale SpiegelViele Materialien spiegeln nicht nur … aber
verstärkt in eine Richtung
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Spiegelnde Reflexion (1)Empirisches Phong Modell
Abhängig von Winkel zw. V und RV … BetrachtungsvektorR … Reflexionsvektor
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Spiegelnde Reflexion (2)Empirisches Phong Modell ns gross glänzende Fläche ns klein dumpfe Fläche
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Spiegelnde Reflexion (3)
ns=8 ns=64
ns=128 ns=256
Je größer ns,desto kleinerdas Highlight
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Spiegelnde Reflexion (4)Berechnung von R
Keine Winkel-operationen!
LNLNR
NLNLR
)2(
)2(
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Spiegelnde Reflexion (5)Exponent vs. ks
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Spiegelnde Reflexion (6)Variation von Blinn (Torrance):
snlsspec HNIkI )(
VLVL
H
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Spiegelnde Reflexion (7)Abhängig v. BetrachtungsrichtungAbhängig von BeleuchtungsrichtungSehr gutes 3D-Wahrnehmen
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
KombinationFür eine Lichtquelle:
Für mehrere Lichtquellen:
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Andere AspekteNicht-isotropes LichtAbnahme von Lichtintensität mit EntfernungTransparenz (Snells Gesetz)Schatten
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Polygone schattierenAnwendung von Beleuchtungsmodellen auf Polygone
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
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
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
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
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Gouraud Schattierung (2)Helligkeiten interpolieren
221
411
21
244 I
yyyy
Iyyyy
I
545
44
45
5 Ixx
xxI
xx
xxI ppp
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Gouraud Schattierung (3)Inkrementelles Interpolieren
221
11
21
2 Iyyyy
Iyyyy
I
21
12
yyII
II
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Gouraud Schattierung (4)Schattierung stetig ( flat shading)Aber Mach-Band EffekteProbleme mit high-lights
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
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
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Phong Schattierung (1)Normalvektoren interpolieren wieder Normale in den Ecken bestimmen dann aber diese Normale interpolieren Beleuchtungsmodell bei jeder scan-line
evaluieren
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Phong Schattierung (2)Normalvektoren interpolieren
221
11
21
2 Nyyyy
Nyyyy
N
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Phong Schattierung (3)Inkrementeller Normalvektor-updateentlang von scan-lines und vertikalVergleich zu Gouraud Schattierung High-lights besser kaum Mach-Band Effekte teurere Berechnung
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
1. Normale in den Ecken bestimmen2. Normale entlang Polygonkanten
interpolieren3. Normale innerhalb Polygon entlang scan-
lines interpolieren und fuer jedes pixel Beleuchtungsmodell evaluieren
S
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Probleme bei Interpolationen
Polygon-SilhouetteInterpolationsartefakte durch die vorgegebene „scanline“-Richtung Orientierungsabhängigkeit Perspektivische Abhängigkeit
Unrepräsentative EckpunktnormalenAbhilfe: feinere Triangulierung(führt zu komplexen Modellen)
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Vergleich (1)Flat Shading vs. Gouraud vs. Phong
Helwig Hauser Teil 7: Beleuchtung
Vergleich (2)Flat Shading vs. Gouraud vs. Phong