Gouraud-Schattierung: Gouraud-Shading: Erhellende Computer Vision

Von Fouad Sabry

Was ist Gouraud-Schattierung

Gouraud-Schattierung, benannt nach Henri Gouraud, ist eine Interpolationsmethode, die in der Computergrafik verwendet wird, um eine kontinuierliche Schattierung von Oberflächen zu erzeugen, die durch Polygonnetze dargestellt werden. In der Praxis wird die Gouraud-Schattierung am häufigsten verwendet, um eine kontinuierliche Beleuchtung auf Dreiecksnetzen zu erreichen, indem die Beleuchtung an den Ecken jedes Dreiecks berechnet und die resultierenden Farben für jedes vom Dreieck abgedeckte Pixel linear interpoliert werden. Gouraud veröffentlichte die Technik erstmals im Jahr 1971. Die verbesserte Hardware-Unterstützung für überlegene Schattierungsmodelle hat jedoch dazu geführt, dass die Gouraud-Schattierung im modernen Rendering weitgehend veraltet ist.

Wie Sie davon profitieren werden

(I) Erkenntnisse und Validierungen zu den folgenden Themen:

Kapitel 1: Gouraud-Schattierung

Kapitel 2: Phong-Schattierung

Kapitel 3: Phong-Reflexion Modell

Kapitel 4: Pro-Pixel-Beleuchtung

Kapitel 5: Scheitelpunktnormal

Kapitel 6: Rendering (Computergrafik)

Kapitel 7: Shader

Kapitel 8: Computergrafikbeleuchtung

Kapitel 9: Polygonale Modellierung

Kapitel 10: Vertex (Computergrafik)

(II) Beantwortung der häufigsten öffentlichen Fragen zur Gouraud-Schattierung.

(III) Beispiele aus der Praxis für die Verwendung der Gouraud-Schattierung in vielen Bereichen.

Für wen dieses Buch gedacht ist

Profis, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Bastler und diejenigen, die über grundlegende Kenntnisse oder Informationen für jede Art von Gouraud-Schattierung hinausgehen möchten.

 

 

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 5. Mai 2024

Buchvorschau

Kapitel 1: Gouraud-Schattierung

Gouraud-Schattierung, benannt nach Henri Gouraud, ist eine Interpolationstechnik, die in der Computergrafik verwendet wird, um eine kontinuierliche Schattierung von Oberflächen zu erzeugen, die durch Polygonnetze dargestellt werden. In der Praxis wird die Gouraud-Schattierung am häufigsten verwendet, um eine kontinuierliche Beleuchtung auf Dreiecksnetzen zu erzeugen, indem die Beleuchtung an den Ecken jedes Dreiecks berechnet und die resultierenden Farben für jedes Pixel, das vom Dreieck abgedeckt wird, linear interpoliert werden. Der Ansatz wurde erstmals 1971 von Gouraud veröffentlicht.

Eine Schätzung der Oberflächennormalen jedes Scheitelpunkts in einem polygonalen 3D-Modell wird entweder für jeden Scheitelpunkt bereitgestellt oder durch Mittelung der Oberflächennormalen der Polygone berechnet, die an jedem Scheitelpunkt konvergieren. Anhand dieser Schätzungen werden dann Beleuchtungsberechnungen auf der Grundlage eines Reflexionsmodells, wie z. B. des Phong-Reflexionsmodells, durchgeführt, um die Vertex-Farbintensitäten zu bestimmen. Die Farbintensitäten für jedes Pixel, das vom polygonalen Netz abgedeckt wird, können dann aus den an den Scheitelpunkten abgeleiteten Farbwerten interpoliert werden.

Die Gouraud-Schattierung gilt als überlegen gegenüber der flachen Schattierung und erfordert viel weniger Verarbeitung als die Phong-Schattierung, erzeugt jedoch in der Regel ein facettiertes Aussehen.

Im Vergleich zur Phong-Schattierung lag die Stärke und Schwäche der Gouraud-Schattierung in ihrer Interpolation. Wenn ein Gitter mehr Pixel auf dem Bildschirm einnimmt, als Scheitelpunkte vorhanden sind, ist die Interpolation von Farbwerten aus Stichproben kostspieliger Beleuchtungsberechnungen an Scheitelpunkten weniger prozessorintensiv als das Ausführen der Beleuchtungsberechnung für jedes Pixel, wie bei der Phong-Schattierung. Stark lokalisierte Lichteffekte (z. B. Glanzlichter, z. B. das Glitzern von reflektiertem Licht auf der Oberfläche eines Apfels) werden jedoch nicht korrekt gerendert, und wenn ein Glanzlicht in der Mitte eines Polygons liegt, sich aber nicht auf den Scheitelpunkt des Polygons ausbreitet, ist es in einem Gouraud-Rendering nicht sichtbar.

Bei einem Rendering, bei dem ein spiegelndes Glanzlicht gleichmäßig über die Oberfläche eines rotierenden Modells verlaufen soll, wird der Fehler sofort angezeigt. Die Gouraud-Schattierung sorgt für ein Glanzlicht, das in benachbarten Bereichen des Modells ständig ein- und ausgeblendet wird und seine maximale Intensität erreicht, wenn das beabsichtigte Glanzlicht an einem Modellscheitelpunkt ausgerichtet ist. Dieses Problem kann behoben werden, indem die Scheitelpunktdichte des Objekts erhöht wird, aber irgendwann wird es aufgrund der abnehmenden Renditen dieser Strategie vorzuziehen, in ein ausgefeilteres Schattierungsmodell zu konvertieren.

Eine Geometrie mit einer Gouraud-Schattierung, die einer Kugel ähnelt; Beachten Sie das schlechte Verhalten der Glanzlichter.

Ein weiteres kugelförmiges Netz mit einer extrem großen Polygonanzahl.

Die ursprüngliche Arbeit von Gouraud beschrieb die lineare Farbinterpolation, eine perspektivisch korrekte Alternative zur linearen Interpolation, die in GPUs verwendet wird. Die linearen und hyperbolischen Variationen der Farbinterpolation von Scheitelpunkten zu Pixeln werden zusammenfassend als Gouraud-Schattierung bezeichnet.

Jede lineare Interpolation der Intensität führt zu diskontinuierlichen Ableitungen, die Mach-Bänder erzeugen, ein häufiges visuelles Artefakt der Gouraud-Schattierung.

{Ende Kapitel 1}

Kapitel 2: Phong-Schattierung

Phong-Schattierung oder Phong-Interpolation ist eine Interpolationstechnik für die Oberflächenschattierung in der 3D-Computergrafik, die vom Computergrafikpionier Bui Tuong Phong entwickelt wurde. Bei der Phong-Schattierung werden Oberflächennormalen über gerasterte Polygone interpoliert und Pixelfarben in Übereinstimmung mit den interpolierten Normalen und einem Reflexionsmodell berechnet. Phong-Schattierung kann sich auch auf eine bestimmte Kombination aus Phong-Interpolation und dem Phong-Reflexionsmodell beziehen.

Bui Tuong Phong erfand an der University of Utah die Phong-Schattierung und das Phong-Reflexionsmodell und veröffentlichte sie 1973 in seiner Doktorarbeit. Zum Zeitpunkt ihrer Veröffentlichung galten Phongs Ansätze als revolutionär, aber sie sind in der Folge zur Standard-Schattierungstechnik für viele Rendering-Anwendungen geworden. Aufgrund ihrer typischerweise effektiven Nutzung der Rechenzeit pro produziertem Pixel haben Phongs Techniken eine breite Akzeptanz gefunden.

Die Phong-Schattierung bietet eine genauere Annäherung an die Schattierung einer glatten Oberfläche als die Gouraud-Schattierung. Die Phong-Schattierung setzt einen kontinuierlich fluktuierenden Normalenvektor auf der Oberfläche voraus. Bei Verwendung eines Reflexionsmodells mit bescheidenen Glanzlichtern, wie z. B. dem Phong-Reflexionsmodell, übertrifft der Phong-Interpolationsansatz die Gouraud-Schattierung.

Wenn sich Glanzlichter in der Mitte eines riesigen Polygons befinden, stellt die Gouraud-Schattierung die größte Schwierigkeit dar. Da diese