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Seminar - Computer Grafik und Visualisierung

Seminar - Computer Grafik und Visualisierung. Shading & Lighting. Übersicht. I) Einführung und Motivation II) Lighting Physikalische Grundlagen Farben Die BRDF Beleuchtungsmodelle III) Shading Grundlagen Bump Mapping Environment Mapping. Übersicht. I) Einführung und Motivation

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Seminar - Computer Grafik und Visualisierung

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Presentation Transcript

  1. Seminar - Computer Grafik und Visualisierung Shading & Lighting

  2. Übersicht I) Einführung und Motivation II)Lighting • Physikalische Grundlagen • Farben • Die BRDF • Beleuchtungsmodelle III) Shading • Grundlagen • Bump Mapping • Environment Mapping Florian Höpfner

  3. Übersicht I) Einführung und Motivation II)Lighting • Physikalische Grundlagen • Farben • Die BRDF • Beleuchtungsmodelle III) Shading • Grundlagen • Bump Mapping • Environment Mapping Florian Höpfner

  4. Lighting Lighting (Beleuchtung) in der realen Welt: Ausleuchtung und Erhellung von Objekten durch Kunstlicht oder Tageslicht. Florian Höpfner

  5. Lighting Lighting (Beleuchtung) in der Computergrafik: Ausleuchtung und Erhellung von Objekten mittels eines Beleuchtungsmodells. Florian Höpfner

  6. Shading Shading in der Computergrafik: Schattierung von Objekten zur Simulation von Oberflächen. Shading Florian Höpfner

  7. Motivation • Shading von Objekten meistens mittels Beleuchtungsmodell -> enge Verknüpfung von Shading & Lighting • Shading & Lighting bestimmen Erscheinungsbild • Grenze des erreichbaren Realismusgrades durch reine Steigerung der Tesselation • Programmierbare Render-Pipeline Florian Höpfner

  8. Overview I) Einführung und Motivation II)Lighting • Physikalische Grundlagen • Farben • Die BRDF • Beleuchtungsmodelle III) Shading • Grundlagen • Bump Mapping • Environment Mapping Florian Höpfner

  9. Was ist Licht? Dualität des Lichts: • Elektromagnetische Strahlung • Frequenz: f = c / λ [s-1] • Welleneigenschaften (Amplitude, Polarisierung etc.) • Partikel • Diskrete Energiepakete (Photonen) • Energie pro Photon: E = hf [J] • Geometrische Eigenschaften Grundverständnis von Radiometrie und Fotometrie notwendig Florian Höpfner

  10. Radiometrie Radiometrie: Messung von elektromagnetischerStrahlung Florian Höpfner

  11. Radiometrische Größen (1/3) • Strahlungsenergie (Radiant energy): • Energie in einem Strahlungsfeld • Q [J] • Strahlungsleistung (Radiant power / Radiant flux) • Energie pro Zeit • [W] • Strahlungsstärke (Radiant intensity) • Strahlungsleistung pro Raumwinkel • [W/sr] Florian Höpfner

  12. Raumwinkel Zweidimensionales Bogenmaß erweitert in die dritte Dimension Bogenmaß: Raumwinkel: α = b / r [rad] Ω = A / r2 [sr = steradiant] Vollwinkel: 2π Voller Raumwinkel: 4π Florian Höpfner

  13. Radiometrische Größen (2/3) • Bestrahlungsstärke (Irradiance) • Eingehende Strahlungsleitung pro Fläche • [W / m2] • Radiom. Emissionsvermögen (Radiant Exitance / Radiosity) • Ausgehende Strahlungsleistung von einer Fläche • [W / m2] Florian Höpfner

  14. Radiometrische Größen (3/3) • Strahlungsdichte (Radiance) • Strahlungsleistung pro projizierter Fläche pro Raumwinkel • Eingehend oder ausgehend • [W / m2sr] Florian Höpfner

  15. Fotometrie Fotometrie: Messung von elektromagnetischer Strahlung, die für das menschlisch Auge sichtbar ist (Licht) • Sichtbares Wellenlängenspektrum von ca. 360 bis 830 nm Florian Höpfner

  16. Fotometrie • Zu jeder radiometrischen Größe eine vergleichbare fotometrische Größe (gewichtet mit der Empfindlichkeit des Auges) • Empfindlichkeit des Auges abhängig von Wellenlänge • Grünes Licht mit Bestrahlungsdichte von einem Watt/m²sr wirkt heller als das selbe Licht in rot • Empfindlichkeit des Auges beschrieben durch CIE Hellempfindlichkeitskurve V(λ) Florian Höpfner

  17. CIE Hellempfindlichkeitskurve • Photopisch: Tageslicht • Skotopisch: Nachtsehen • Gewichtung einer radio- metrischen Größe Xe mit V(λ) liefert fotometrische Größe Xv: • Monochromatisch: • Polychromatisch: Florian Höpfner

  18. Radiometrie und Fotometrie RadiometrieFotometrie Florian Höpfner

  19. Übersicht I) Einführung und Motivation II)Lighting • Physikalische Grundlagen • Farben • Die BRDF • Beleuchtungsmodelle III) Shading • Grundlagen • Bump Mapping • Environment Mapping Florian Höpfner

  20. Das menschliche Auge • Auf der Netzhaut befinden sich die Farbrezeptoren Florian Höpfner

  21. Farbrezeptoren • Wandeln Lichtsignale in elektrische Signale um • Elektr. Signale über Sehnerv ans Gehirn • Zwei Typen: • Stäbchen • Nur Helligkeit • Sehen bei Dämmerung und Nacht • Zapfen • Farbwahrnehmung • Sehen bei Tageslicht • Drei Zapfentypen (trichromatisch): S-, M- und L-Zapfen Florian Höpfner

  22. Die drei Zapfentypen • S-Zapfen (Blaurezeptoren): 420 nm • M-Zapfen (Grünrezeptoren): 534 nm • L-Zapfen (Rotrezeptoren): 563 nm • Unterschiedliche Lichtspektren können den selben Farbeindruck hervorrufen Florian Höpfner

  23. Metamerie • Jeder Farbeindruck durch unendlich viele Wellenlängen- kombinationen darstellbar • Ermöglicht die Mischung von Spektralfarben mittels dreier Werte (RGB) Florian Höpfner

  24. Farben von Objekten Florian Höpfner

  25. Übersicht I) Einführung und Motivation II)Lighting • Physikalische Grundlagen • Farben • Die BRDF • Beleuchtungsmodelle III) Shading • Grundlagen • Bump Mapping • Environment Mapping Florian Höpfner

  26. Licht-Materie Interaktion • Drei Arten der Interaktion: • Reflektion • Transmission • Absorption • Reflektion wichtigster Interaktionstyp in der Computergrafik • Reflektionsverhalten eines Materials beschrieben durch die BRDF Florian Höpfner

  27. Die BRDF • BidirectionalReflectance Distribution Function • Quotient aus Strahlungsdichte und Bestrahlungsstärke • Im allgemeinsten Fall 7-dimen- sionale Funktion: • Alternative Interpretation: Wahrscheinlichkeit, dass Photon aus Richtung (θi,φi) in Richtung (θr,φr) reflektiert wird Florian Höpfner

  28. Orientierung der Oberfläche • Johann Friedrich Lambert: Bestrahlungsstärke einer Oberfläche auch abhängig vom Winkel zwischen Oberfläche und Licht: Florian Höpfner

  29. BRDF Eigenschaften • Vereinfachende Annahmen: • Positionsinvariant • Wellenlängeninvariant bzw. drei BRDFs (RGB) • Helmholtz Reziprozität: • Energieerhaltung: • BRDFs müssen nicht physikalisch korrekt sein Florian Höpfner

  30. BRDF Klassen • Isotrope BRDFs • Invariant bei Drehung der Oberfläche um die Normale • Anisotrope BRDFs • Veränderte Reflektion bei Drehung um Normale • z.B. gebürstetes Metall, Haare, CD Florian Höpfner

  31. Globale Beleuchtung • Aus einer Richtung: • Aus allen Richtungen: • Render-Gleichung: Florian Höpfner

  32. Implementierung von BRDFs • Verwendung von Messdaten • Messung mit Gonioreflektometer • Speicherung als 4D lookuptable • Zerlegung in zwei 2D Texturen (z.B. durch SVD) • Mathematisches Modell • Reflektionsverhalten durch Beleuchtungsmodell Florian Höpfner

  33. Übersicht I) Einführung und Motivation II)Lighting • Physikalische Grundlagen • Farben • Die BRDF • Beleuchtungsmodelle III) Shading • Grundlagen • Bump Mapping • Environment Mapping Florian Höpfner

  34. Blinn-Phong Beleuchtungsmodell • Häufigstes Beleuchtungsmodell • Entwickelt von Bui TuongPhong (1973) • Weiterentwickelt von James F. Blinn (1977) • Lokales Beleuchtungsmodell • Keine physikalisch korrekte BRDF (heuristisches Modell) • Drei Terme: • Diffuse • Ambient • Specular Florian Höpfner

  35. Diffuse Term • Lambertsche Oberfläche • Perfekt matt • Licht gleichmäßig in alle Richtungen • Lambertsches Gesetz • Betrachterunabhängig Cd = Id cos(θ)kd = Id (N•L) kd Florian Höpfner

  36. Ambient Term • Simuliert indirekte Beleuchtung • Beleuchtet auch vom Licht wegzeigende Flächen Ca = Iaka Florian Höpfner

  37. Specular Term (1/2) • Spiegelnde Oberfläche • Die meisten Photonen reflek- tiert in Richtung R • Glanzpunkte • Betrachterabhängig • PhongSpecular: Cs = Is cos(α)pks = Is (R•V)pks mit R = 2(N•L)N - L Florian Höpfner

  38. Specular Term (2/2) • Blinn-PhongSpecular: Cs = Is cos(α)pks = Is (N•H)pks mit Florian Höpfner

  39. Blinn-Phong Beleuchtungsmodell • Für eine Lichtquelle: Ctotal= Ca + Cd + Cs = Iaka + Id (N•L) kd + Is (N•H)pks Ambient Diffuse Specular Total + + = • Für n Lichtquellen: Ctotal= Iaka + (Id (N•L) kd + Is (N•H)pks) Florian Höpfner

  40. Blinn-Phong in Direct3D • Erweitertes Blinn-Phong Beleuchtungsmodell • Ein Material M und n Lichter I • Drei Lichttypen: Point, Spot und Directional Light Ctotal= Memissive+ IglobalambientMambient + Atti· Spoti(IambientMambient + IdiffuseMdiffusemax{0, (N•L)} + IspecularMspecularmax{0, (N•H)}p ) Florian Höpfner

  41. Lichttypen in Direct3D • Point Light • Gleiche Intensität in alle Richtungen • Position; keine Richtung • Directional Light • Licht unendlich weit entfernt • Lichtstrahlen parallel • Keine Position, nur Richtung • Spot Light • Scheinwerfer • Position und Richtung • Zwei Kegel (Winkel θ und φ) Florian Höpfner

  42. Attenuation und Spotlight factor • Attenuation • Abschwächung der Lichtintensität • Bei DirectionalLights = 1 • Spotlight factor • Bei Nicht-Spot lights = 1 Florian Höpfner

  43. Cook-Torrance Beleuchtungsmodell • Entwickelt von Robert Cook und Kenneth Torrance (1981) • Physikalische Basis • Benutzt das Torrance-Sparrow (1967) Modell: • Oberfläche besteht aus Microfacetten • Microfacetten sind perfekte Reflektoren • Besonders geeignet für Metalle und Plastik Florian Höpfner

  44. Cook-Torrance Beleuchtungsmodell • Basiert auf dem Blinn-Phong Modell: CBlinnPhong= Ca + (Cdi+ Csi) CCookTorrance= Ca + (sCdi+ dCsi) s + d = 1 mit: D: Microfacet Distribution Function G: GeometricalAttenuationFactor F: Fresnel Term Florian Höpfner

  45. Microfacet Distribution Function D • Microfacetten sind lediglich gedankliches Modell • Verteilung der Microfacetten mittels Verteilungsfunktion D • Verteilungsfunktion liefert Anteil Microfacetten, deren lokale Normale in Richtung H zeigt • Verschiedenste Verteilungsfunktionen möglich • Empfohlen wird eine Beckmann-Verteilungsfunktion: β: Winkel zwischen N und H m: Oberflächen-Rauigkeit Florian Höpfner

  46. GeometricalAttenuationFactor G (1/2) • Drei mögliche Interaktionen zwischen Licht und Microfacetten: • G liefert den Anteil an Licht, der die Microfacetten wieder verlässt • G є [0,1] mit 1 = komplett reflektiert und 0 = komplett abgeblen-det (masking) bzw. abgeschattet (shadowing) Florian Höpfner

  47. GeometricalAttenuationFactor G (2/2) • Masking • 1 – abgefangenes Licht = 1 – c/m • Shadowing • Vertauschung von L und V • GeometricalAttenuationFactor Florian Höpfner

  48. Fresnel Term F (1/2) • Wenn Licht auf ein Medium trifft, wird es teilweise reflektiert und gebrochen • Fresnel Term F gibt den Anteil an reflektiertem Licht an • Umso flacher der Winkel zur Ebene, desto mehr Licht reflektiert Florian Höpfner

  49. Fresnel Term F (2/2) • Aufteilung des unpolarisierten Lichts anhand der Ebene des Lichteinfalls: Rpara: Anteil des reflektierten Lichts bei paralleler Polarisierung Rperp: Anteil des reflektierten Lichts bei orthogonaler Polarisierung Florian Höpfner

  50. Übersicht I) Einführung und Motivation II)Lighting • Physikalische Grundlagen • Farben • Die BRDF • Beleuchtungsmodelle III) Shading • Grundlagen • Bump Mapping • Environment Mapping Florian Höpfner

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