Beleuchtungsalgorithmen in der Computergrafik by Dipl.-Inform. Heiko Duin, Dipl.-Inform. Günter Symanzik, Dr.

By Dipl.-Inform. Heiko Duin, Dipl.-Inform. Günter Symanzik, Dr. Ute Claussen (auth.)

Eine der interessantesten Aufgaben bei der Umsetzung der Idee eines Bildes in das computergenerierte Bild ist die Beleuchtungsberechnung. Die Simulation von Licht und Schatten macht einen gro~en Teil der realit{tsnahenWirkung eines k}nstlich erzeugten Bildes aus. In diesem Buch wird das Thema anhand zweier Ans{tze aufgegriffen: dem Ray Tracing und dem Radiosity-Verfahren. Eine Einf}hrung widmet sich den notwendigen physikalischen Grundlagen der Beleuchtungsberechnung. Anschlie~end werden die beiden Verfahren vorgestellt und schrittweise vertieft. Programmiersprachliche Darstellungen verdeutlichen deren Umsetzung. Der Vergleich der beiden Verfahren auf verschiedenen Ebenen bildet den Schwerpunkt des Inhaltes. Sie werden in den klassischen Ma~en der Komplexit{tstheorie durch Laufzeitmessungen wie auch durch die subjektive Gegen}berstellung der erzeugbaren Bilder in ihrer Qualit{t verglichen. Die Herleitung beider Verfahren aus der "Rendering Equation" ist der wissenschaftliche H|hepunkt des Buches. Neben den Grundlagen erwerben Leserinnen und Leser aktuelles Wissen in einem sich schnell wandelnden Forschungsgebiet. Sie erhalten somit die M|glichkeit, eigene Experimente und Arbeiten in diesem Bereich durchzuf}hren.

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2 ? wobei ~ den Winkel zwischen der Normalen des Beleuchtungs-Ereignisses und der Richtung des betrachteten Punktes angibt und r den Abstand dazwischen. dA ist die Flache des Beleuchtungs-Ereignisses und cos(~)·dA steht filr die tatsachlich gesehene Flache (projizierte Flache). Wird die nach der Interaktion mit der Oberflache entstandene Leuchtdichte in Verhaltnis zur Beleuchtungsstiirke gesetzt, so ergibt sich die bidirektionale Reflexion (im engl. 3 die die Einheit Vsr hat. Rb ist eine Funktion von Einfalls- und Ausfallsrichtung.

4), so daB er sehr nahe bei N liegt, wenn der Winkel zwischen N und Lund der Winkel zwischen N und A fast gleich sind. H gibt also an, wie die Normale in P liegen muBte, damit samtliches einfallendes Licht aus Richtung L in Richtung A reflektiert wird. 3 48 Ein wei teres Modell, das aus der Arbeit von Physikem abgeleitet ist, wurde ebenfalls von Blinn vorgeschlagen (siehe [BLIN77]). Dieses Modell betrachtet die Oberflachenstruktur des Objektes, als sei sie aus vielen kleinen Mikrofacetten zusammengesetzt.

Die Lichtstrahlen dieser Lichtquelle kommen aus einer bestimmten Richtung und fallen parallel ein. Die LichtsHirke einer soIche Lichtquelle ist konstant. Parameter der direktionalen Lichtquelle: Ld Richtung, in der sich die Lichtstrahlen der Lichtquelle ausbreiten helA) wellenlangenabhangige Lichtstarke der Lichtquelle Isotrope Punktlichtquelle Weit verbreitet ist das Modell der isotropen Punktlichtquelle. h. die Lichtswke ist konstant und in alle Richtungen gleich groB. A) wellenlangenabhangige Lichtstarke der Lichtquelle Strahler Wam fiihrte in [WARN83] zur Verbesserung dieses Modells sogenannte Strahler (im engl.

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