Computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil.

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Lighting & ShadingMichael Keil



Gliederung

1. Licht in der realen Welt 2. Lighting

2.1 Light Sources2.2 Beleuchtungsmodelle

3. Shading4. Fragen und Diskussion



Licht in der realen Welt

• Was ist Licht? – kann als Welle und als Teilchen beschrieben werden

• Farbspektrum des sichtbaren Lichts



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



Light Sources

• Verschiedene Lichtquellen

Sonne

Kerze

Lampe



Directional Light

• Keine eindeutige Lichtposition

• Bestimmt durch Richtungund Intensität

• Konstante Lichtintensität



Point Light

• Feste Position

• Quadratische Intensitätsabnahme mit zunehmender Entfernung



Spot Light

• Feste Position

• Point Light + Winkel-Constraint

• Intensitätsbestimmung in 2 Winkeln

a



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



Beleuchtungsmodelle

Lokale Beleuchtung, mit Ambient Light und Schatten



Beleuchtungsmodelle

Globale Beleuchtung



Phong Illumination Modell

• empirisches Modell, Juni 1975 vorgestellt

• Baut nicht auf physikalischen Annahmen auf

• Emissive Light, Diffuse Light, Specular Light, Ambient Light



Emissive Light

• Beschreibt die Eigenhelligkeit eines Objekts

• Beispiele sind Monitore, Fernseher, Werbetafeln, etc.



Diffuse Light

• Reflexion des eintreffenden Lichts in jede Richtung

• Einfallswinkel beeinflusst Lichtintensität



Diffuse Light

• Iin Lichtstärke des einfallenden Lichtstrahls der Punktlichtquelle

• kdiffus Reflexionsfaktor für diffuse Komponente der Reflexion• Winkel zwischen Normalvektor der Oberfläche und Einheitsvektor

in Richtung des einfallenden Lichtstrahls

Materialkonstante

NormalvektorLichtvektor



Specular Light

• Spiegelnde Komponente der Reflexion

• Abhängig von– Position des Betrachters– Oberflächenbeschaffenheit



Specular Light

• Iin Lichtstärke des einfallenden Lichtstrahls der Punktlichtquelle

• kspecular 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



Ambient Light

• Umgebungslicht



Phong Illumination Modell



RGB-Farbraum

• Stellt Farben durch additive Mischung aus Rot, Grün und Blau dar



RGB-Farbraum

3-fache Berechnung, einmal für jede Wellenlänge

Farbe R= G= B=Schwarz 0 0 0Rot 255 0 0Grün 0 255 0Blau 0 0 255Cyan 0 255 255Magenta 255 0 255Gelb 255 255 0Weiß 255 255 255



Blinn-Phong Modell (1977)

• Weiterentwicklung des Phong Modells

• Unterschied in der Berechnung der spiegelnden Komponente



Blinn-Phong Modell

• Winkelhalbierende statt Reflexionsvektor

– V normierter Vektor vom Punkt zum Betrachter– L normierter Vektor vom Punkt zu der zu betrachtenden

Punktlichtquelle

V



Cook-Torrance Modell

• Realitätsnäher

• benutzt Mikrofacetten, die V-förmige Löcher ergeben

• Hohe Berechnungszeiten



Cook-Torrance Modell

• Lichtreflexion der Facetten (statistisches Modell) berechnet durch– Fresnel-Reflexions-Koeffizienten– Geometrischen Abschwächungsfaktor



Cook-Torrance Modell• Wird für Metalle und Materialien mit

verschiedenen Rauheiten benutzt



Shading

• Interpolation der Pixel

• Wie werden die Helligkeiten berechnet?



Flat Shading

• Beleuchtungsberechnung einmal pro Dreieck mit Hilfe der Flächennormalen

Problem:Mach-Band Effekt



Mach-Band-Effekt

• Kontrasterhöhung an den Kanten durch das menschliche Auge



Gouraud Shading

• Berechnung der Helligkeiten an den Vertices des Polygons



Gouraud Shading

• Normale eines Vertex– Mittel der angrenzenden Flächennormalen



Gouraud Shading

• Füllen des Polygons mit Linien– Linien werden mit einem Zwischenwert der Vertex-

Werte interpoliert



Gouraud Shading• Nachteile:– Glanzpunkte innerhalb von Polygonen gehen

verloren– Sternenförmige Glanzpunkte an den Ecken



Gouraud Shading

• Abflachen gewölbter Oberflächen

• Lösung: mehr Polygone höherer Rechenaufwand



Phong Shading• Zu den Normalen an den Vertices werden

interpolierte Normalen an jeder Stelle des Polygons berechnet

• Beleuchtungsberechnung pro Pixel

erhöhter Rechenaufwand



Phong Shading

Torus-Objekt mit Phong Shading



Shading-Verfahren im Vergleich

Flat Shading Phong Shading Gouraud Shading



Fragen

Danke für eure Aufmerksamkeit

Computer graphics & visualization Lighting & Shading Michael Keil.

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