Beleuchtung & Shading Flashcards
Was ist die Basis von Lokale Beleuchtung?
Licht wird durch seine Interaktion mit eine Oberfläche strukturiert.
Diese Interaktion wird von mehrere Faktoren beeinflusst:
- Eigenschaften der Lichtquelle
- Evtl. durch weitere „Objekte“ (z.B., Nebel)
- Optische Eigenschaften des beleuchteten Materials (durch die Struktur, Aufbau und Bearbeitung der Oberfläche bestimmt)
idR gibt es viele Vereinfachungen, z.B. wo nur betrachtet wird:
- Lichtquellen (emittieren Licht)
- Objekte (absorbieren, reflektieren, transmittieren Licht)
Ignoriert wird dabei:
- Atmosphärische Effekte (e.g., Nebel), Diffraktion (Beugung), Refraktion (Brechung), Dispersion (Streuung), Interferenz, Polarisation, usw…
Was ist der Unterschied zwischen Beleuchtungsmodelle und Shadingmodelle? Welche Rolle spielt Phong dabei?
Beleuchtungsmodelle (illumanion models) beschreiben die Faktoren, die die Farbe eines Objekts an einem Punkt bestimmen.
Shadingmodelle (shading models) beschreiben, wann und wie ein Beleuchtungsmodell angewendet wird – und erfüllen häufig (auch) den Zweck der visuellen Glättung von Polygonnetzen.
Shadingmodelle basieren also auf die Faktoren, die durch die Beleuchtungsmodelle beschrieben werden.
Das Phong-Beleuchtungsmodell gibt dir die Faktoren, der Phong-Shader beschreibt wie diese angewandt werden.
Was sind die Eigenschaften von Lichtquellen?
Eine Lichtquelle hat 2 Eigenschaften: eine Position und eine Richtung
- Richtungslicht (directional light) hat eine definierte Richtung aber unendliche Position
- Punkquelle (piont light source) hat eine definierte Position aber keine konkrete Richtung
- Spot Light (distributed light source) hat eine definierte Position und Richtung aber auch noch eine cut-off Angle dazu.
Was sind die Beleuchtungsmodelle von Lokale Beleuchtung?
Die 3 Beleuchtungsmodelle sind:
- Ambient (Hintergrundlicht)
- Diffuse (Lambertsche Reflektion)
- Specular (glänzende Flächen).
Was ist Ambient Beleuchtung?
Es ist ein einfaches Beleuchtungsmodell. Es hat keine wirkliche Tiefe (depth) und sieht daher flach aus. Es ist Konstant für ein Objekt.
Die Beleuchtungsintensität (I) ist unabhängig von einfallender Beleuchtung und Beobachtungsrichtung.
Gleichung: I = I_a k_a
Die Intensität für ein bestimmtes Pixel oder Bild wird durch die ambient Intensity definiert. K ist konstant, das bestimmt, wie ein bestimmtes Objekt auf diese Lichtintensität reagiert.
Was ist Diffuse Beleuchtung?
Bei Diffuse Beleuchtung wird Licht gleichmäßig in alle Richtungen reflektiert. Die Helligkeit ist abhängig vom Winkel θ zwischen Vektor L zur Lichtquelle und Oberflächennormalvektor N.
Großes θ -> flacher Lichteinfall -> kleinere Lichtmenge pro Flächeneinheit -> geringere Intensität der diffusen Reflektion. Kleiners θ = direktere Beleuchtung.
Muss in Weltkoordinaten durchgeführt werden, denn bei der Transformation in den Bildraum wird der Winkel θ verändert.
Gleichung: I = I_l k_d cos θ (außer L&N sind normalisiert, dann I = I_l k_d (N*L) )
Was ist Specular Reflection/Beleuchtung?
Specular Refection/Beleuchtung ist abhängig vom Betrachter-Standpunkt. Dabei haben specular “highlights” die Farbe der Lichtquelle.
Bei perfekten Speigeln wird Licht nur in die Reflektionsrichtung R abgestrahlt.
Gleichung: I = I_l k_s (R*L)^n
Involves where is the light, what is the surface orientation, and where is the viewer. Those 3 HAVE to be involved, although the final formula we use can vary quite a bit.
Was ist die allgemeine Geleichung für Beleuchtung?
Iλ = Odλ Iaλ ka + fatt Ilλ (Odλ kd (NL) + ksλ Osλ (RH)n)
Diffuse und Specular haben eine gemeinsame Lichtquelle und Attenuation Factor (f att).
Die Verschiedene Variablen bedueten:
- I = Beleuchtungsintensität
- λ = stellt einfach einen Punkt auf der Oberfläche dar (hat mit wavelength / distribution of wavelength at a given piont zu tun)
- O = Farbmodifikator der Oberfläche (wie Oberfläche zu Farbe reagiert)
- k = Beleuchtungskonstante (wie stark geht Ambient/Diffuse/Specular)
- f att = Attenuation Factor (makes intensity of light smaller, since light gets weaker with distance)
- N = Oberflächennormale
- L = Richtung der Beleuchtung / Lichtquelle
- R = Reflektionsrichtung
- H = Blinn-Phong-Komponente, bzw. Halbvektor der beinhaltet die Normalisierung des Licht-Vektors und des Viewing-Vektors (Halb-Vektor, der L und V beinhaltet)
- n = Exponent, der bestimmt, wie breit der Specular Highlight ist
- m = die unterschiedlichen Lichtquellen, die man haben könnte
Was bedeutet Iλ = Odλ Iaλ ka + fatt Ilλ (Odλ kd (NL) + ksλ Osλ (RH)n)
Es ist die allgemeine Beleuchtungsgleichung.
Die Verschiedene Variablen bedueten:
- I = Beleuchtungsintensität
- λ = stellt einfach einen Punkt auf der Oberfläche dar (hat mit wavelength / distribution of wavelength at a given piont zu tun)
- O = Farbmodifikator der Oberfläche (wie Oberfläche zu Farbe reagiert)
- k = Beleuchtungskonstante (wie stark geht Ambient/Diffuse/Specular)
- f att = Attenuation Factor (makes intensity of light smaller, since light gets weaker with distance)
- N = Oberflächennormale
- L = Richtung der Beleuchtung / Lichtquelle
- R = Reflektionsrichtung
- H = Blinn-Phong-Komponente, bzw. Halbvektor der beinhaltet die Normalisierung des Licht-Vektors und des Viewing-Vektors (Halb-Vektor, der L und V beinhaltet)
- n = Exponent, der bestimmt, wie breit der Specular Highlight ist
- m = die unterschiedlichen Lichtquellen, die man haben könnte
Was ist Shading / was wird beim Shading berechnet?
Shading berechnet die Farbe zwischen Punkten.
Evaluation: Was ist die Farbe eines Punkts?
Abfrage: Was passiert zwischen die Punkte?
Was für Möglichkeiten gibt es, die Intensität eine Oberfläche eines Polygons zu rechnen?
- Flat Shading (aka Constant Shading)
- Gourad Shading
- Phong Shading
Was ist Flat Shading? Wann wird es benutzt?
Wir berechnen es für einen Punkt eines Polygons, und das gesamte Polygon bekommt das Ergebnis. Dies sieht aber meistens schlecht aus (Glattunsproblem).
Wird benutzt wenn Lichtquellen im Unendlichen, Betrachter im Unendlichen, und/oder Polygon repräsentiert die wirkliche Objektoberfläche.
Was ist Gourad Shading? Welche Probleme gibt es dabei?
3 Eckpunkte werden definiert, und wir interpolieren dann die Intensität entlang der Kante und Scanline
Probleme:
- Specular Highlights wachsen oder verschwinden
- Rand immer noch eckig.
Was ist Phong Shading? Vorteile & Nachteile?
Wir berechnen die Normale an jedem gegebenen Punkt und führen dann dort eine vollständige Lichtberechnung durch.
- Normalen werden interpoliert und werden dann für jeden Punkt den uns angeht direkt berechnet (Interpolation der Normalvektoren dann berechnen wir die Intensitätswerde – Shading für jeden Pixel berechnet).
Sehr aufwendig, aber beste Qualität (Ränder können aber trotzdem noch eckig sein)
Was ist Ray-Tracing?
Grundidee: folgt Lichtstrahl vom Auge (oder der Kamera) zurück zur Lichtquelle.
3 sekundäre Strahlen, die in jedem Auftreffpunkt erzeugt werden:
- Primärstrahl a vom Betrachter
- Sekundärstrahl l zur Lichtquelle (Schattenstrahl)
- Sekundärstrahl r (perfekt reflektierter Strahl)
- Sekundärstrahl t (gebrochener Strahl)
Eine Lichtquelle beeinflusst die Beleuchtung direkt nur wenn es keine Objekten dazwischen gibt.
Schattenberechnung: Man sendet von den Auftreffpunkten des Sehstrahls Schattenstrahlen zu den Lichtquellen der Szene. Wenn kein undurchsichtiges Objekt zwischen auf eine Schattenstrahle liegt, trägt sie zur (lokalle) Beleuchtung bei.
Bei Raytracing gibt es 3 möglichkeiten: das licht kommt von einem Objekt dahinter (transparency), es kommt von einem Objekt davor (reflection), oder es kommt direkt vom licht (um dies zu kalkulieren können wir Blinn-Phong benutzen, oder noch besser, wir benutzen Radiosity).
