Schattierung: Erforschung der Bildschattierung in der Computer Vision

Von Fouad Sabry

Was ist Schattierung

Schattierung bezeichnet die Darstellung der Tiefenwahrnehmung in 3D-Modellen oder Illustrationen durch Variation des Dunkelheitsgrads. Die Schattierung versucht, das lokale Verhalten des Lichts auf der Oberfläche des Objekts anzunähern und darf nicht mit Techniken zum Hinzufügen von Schatten verwechselt werden, wie z. B. Schattenkartierung oder Schattenvolumen, die unter das globale Verhalten des Lichts fallen.

Wie Sie davon profitieren

(I) Einblicke und Validierungen zu den folgenden Themen:

Kapitel 1: Schattierung

Kapitel 2: Gouraud-Schattierung

Kapitel 3: Phong-Schattierung

Kapitel 4: Per-Pixel-Beleuchtung

Kapitel 5: Blinn-Phong-Reflexionsmodell

Kapitel 6 : Computergrafikbeleuchtung

Kapitel 7: Shader

Kapitel 8: Vertex-Normal

Kapitel 9: Texturzuordnung

Kapitel 10: Rendering (Computergrafik)

(II) Beantwortung der häufigsten öffentlichen Fragen zum Thema Schattierung.

(III) Beispiele aus der Praxis für den Einsatz von Schattierung in vielen Bereichen.

Für wen sich dieses Buch eignet

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

 

 

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

Buchvorschau

Kapitel 1: Schattierung

Schattierung ist die Darstellung der Tiefenwahrnehmung in 3D-Modellen (im Bereich der 3D-Computergrafik) oder Zeichnungen (im Bereich der bildenden Kunst) durch Anpassung des Dunkelheitsgrades. Die Schattierung ist nicht zu verwechseln mit Techniken zur Erzeugung von Schatten, wie z. B. Shadow Mapping oder Shadow Volumes, die unter die Kategorie des globalen Verhaltens von Licht fallen.

Das Auftragen von Medien dichter oder mit einem tieferen Farbton für dunklere Bereiche und weniger dicht oder mit einem helleren Farbton für hellere Bereiche ist die klassische Methode zum Schattieren beim Zeichnen. Das Erzeugen von Tiefe auf Papier wird durch Lichtmuster unterstützt, z. B. durch Objekte mit hellen und dunklen Teilen.

Es gibt zahlreiche Schattierungstechniken, darunter Kreuzschraffuren, bei denen ein Raster aus senkrechten Linien unterschiedlicher Nähe verwendet wird, um einen Bereich zu schattieren. Je größer der Abstand der Linien ist, desto dunkler erscheint der Bereich. Wenn der Abstand zwischen den Linien zunimmt, wird der Bereich heller angezeigt.

Powder Shading ist eine Schattierungstechnik, die beim Skizzieren verwendet wird. Bei diesem Ansatz wird mit Stumpfpulver und Papierstümpfen ein Bild gezeichnet. Diese kann eingefärbt werden. Das Stumpfpulver ist glatt und frei von reflektierenden Partikeln. Kleine Körner sollten auf dem Papier vorhanden sein, um sicherzustellen, dass das Pulver auf dem Papier bleibt.

Schattierung in der Computergrafik ist der Prozess, bei dem die Farbe eines Objekts/einer Oberfläche/eines Polygons in einer 3D-Szene basierend auf dem Winkel der Oberfläche zu Lichtern, ihrem Abstand zu Lichtern, ihrem Winkel zur Kamera und Materialeigenschaften (z. B. bidirektionale Reflexionsverteilungsfunktion) geändert wird, um einen fotorealistischen Effekt zu erzielen.

Während des Rendering-Prozesses führt ein Programm, das als Shader bezeichnet wird, eine Schattierung durch.

Durch die Schattierung werden die Farben von Flächen in einem 3D-Modell basierend auf dem Winkel der Oberfläche zu einer oder mehreren Lichtquellen geändert.

Die Flächen des Feldes werden im ersten Bild gerendert, haben aber alle den gleichen Farbton. Zusätzlich wurden Kantenlinien angezeigt, wodurch das Bild besser sichtbar wird.

Das zweite Bild zeigt das identische Modell ohne sichtbare Randlinien. Es ist schwierig zu bestimmen, wo eine Schachtelfläche endet und eine andere beginnt.

Für das dritte Bild ist die Schattierung aktiviert, wodurch es realistischer und einfacher ist, zwischen den Gesichtern zu unterscheiden.

Ein Shader verwendet ein Beleuchtungsmodell, um bei der Berechnung der Ausgabefarbe die Lichtmenge zu bestimmen, die an bestimmten Stellen auf einer Oberfläche reflektiert wird. Verschiedene Beleuchtungsmodelle können mit verschiedenen Beschattungstechniken kombiniert werden. Während die Beleuchtung definiert, wie viel Licht reflektiert wird, entscheidet die Beschattung, wie diese Informationen zur Berechnung des Endergebnisses verwendet werden. Es kann z.B. nur die Beleuchtung an bestimmten Stellen berechnen und den Rest interpolieren. Der Shader kann auch die Anzahl der zu berücksichtigenden Lichtquellen usw. bestimmen.

Eine Umgebungslichtquelle ist eine omnidirektionale Lichtquelle mit konstanter Intensität und konstanter Farbe, die alle Objekte in einer Szene gleichmäßig beleuchtet (ist allgegenwärtig). Während des Renderns werden alle Szenenobjekte mit der vorgegebenen Intensität und dem vorgegebenen Farbton beleuchtet. Diese Art von Lichtquelle wird hauptsächlich verwendet, um eine rudimentäre Perspektive auf die verschiedenen Elemente der Szene zu bieten. Diese Art der Beleuchtung ist am einfachsten zu installieren und simuliert, wie Licht mehrfach gestreut oder reflektiert werden kann, um einen gleichmäßigen Effekt zu erzielen.

Umgebungsbeleuchtung und Umgebungsverdeckung können gekoppelt werden, um anzuzeigen, wie exponiert jeder Szenenpunkt ist, was sich auf die Menge des Umgebungslichts auswirkt, die er reflektieren kann. Dadurch entsteht eine diffuse, ungerichtete Beleuchtung in der gesamten Szene, die keine deutlichen Schatten erzeugt, sondern geschützte und begrenzte Bereiche abdunkelt. Der Effekt ähnelt in der Regel visuell einem bewölkten Tag.

Das Licht kommt aus einer einzigen Quelle und streut in alle Richtungen.

Licht geht von einem einzigen Punkt aus und breitet sich in einem Kegel aus, wie ein Scheinwerfer.

Die Lichtquelle ist ein kleiner Bereich auf einer einzigen Ebene. (Ein realistischeres Modell als eine Punktlichtquelle.)

Eine gerichtete Lichtquelle beleuchtet alle Dinge gleichmäßig aus einer bestimmten Richtung, vergleichbar mit einem Flächenlicht von unbegrenzter Größe und unendlicher Entfernung von der Szene; Es gibt Schatten, aber es ist kein Entfernungsabfall möglich. Das ähnelt der Sonne.

Theoretisch werden zwei parallele Flächen von einer entfernten, ungehinderten Lichtquelle wie der Sonne nahezu gleichmäßig beleuchtet. Der Entfernungsabfalleffekt erzeugt Bilder mit stärkeren Schattierungen, was für nahe gelegene Lichtquellen realistisch ist.

Dem Bild auf der linken Seite fehlt der Entfernungsabfall. Beachten Sie, dass die Farben auf den Vorderseiten beider Boxen identisch sind. Diese optische Täuschung wird durch die vertikale