Globale Beleuchtung: Vision voranbringen, Einblicke in die globale Beleuchtung

Von Fouad Sabry

Was ist globale Beleuchtung

Globale Beleuchtung (GI) oder indirekte Beleuchtung ist eine Gruppe von Algorithmen, die in 3D-Computergrafiken verwendet werden und dazu dienen, eine realistischere Beleuchtung hinzuzufügen 3D-Szenen. Solche Algorithmen berücksichtigen nicht nur das Licht, das direkt von einer Lichtquelle kommt, sondern auch nachfolgende Fälle, in denen Lichtstrahlen derselben Quelle von anderen Oberflächen in der Szene reflektiert werden, unabhängig davon, ob sie reflektierend sind oder nicht.

Wie Sie davon profitieren

(I) Einblicke und Validierungen zu den folgenden Themen:

Kapitel 1: Globale Beleuchtung

Kapitel 2: Rendering (Computergrafik)

Kapitel 3: Radiosität (Computergrafik)

Kapitel 4: Raytracing (Grafik)

Kapitel 5: Phong-Reflexionsmodell

Kapitel 6: Metropolis-Lichttransport

Kapitel 7: Photonenkartierung

Kapitel 8: Schattierung

Kapitel 9: Strahlenverteilung

Kapitel 10: Lichtkarte

(II) Beantwortung der häufigsten öffentlichen Fragen zur globalen Beleuchtung.

(III) Beispiele aus der Praxis für den Einsatz globaler Beleuchtung in vielen Bereichen .

Für wen sich dieses Buch eignet

Profis, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Hobbyisten und diejenigen, die über grundlegendes Wissen oder Informationen hinausgehen möchten jede Art von globaler Beleuchtung.

 

 

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 4. Mai 2024

Buchvorschau

Kapitel 1: Globale Beleuchtung

Eine Sammlung von Algorithmen, die als Global Illumination (GI) und auch als indirekte Beleuchtung bezeichnet werden, wird in der 3D-Computergrafik verwendet, um 3D-Szenen realistischer zu beleuchten. Diese Algorithmen berücksichtigen Licht, das direkt von einer Lichtquelle ausgeht (direkte Beleuchtung), sowie die folgenden Fälle, in denen Lichtstrahlen von derselben Quelle von verschiedenen Oberflächen in der Szene reflektiert werden, unabhängig davon, ob sie reflektieren oder nicht (indirekte Beleuchtung).

Reflexionen, Brechungen und Schatten sind allesamt theoretische Beispiele für globale Beleuchtung, da sie, wenn sie simuliert werden, einen Einfluss darauf haben, wie ein anderes Objekt gerendert wird (im Gegensatz zu einem Objekt, das nur von einer direkten Lichtquelle beeinflusst wird). In Wirklichkeit bezieht sich der Begriff Global Illumination jedoch nur auf die Simulation von diffuser Interreflexion oder Kaustik.

Im Vergleich zu Renderings, die ausschließlich Algorithmen der direkten Beleuchtung verwenden, erzeugen globale Beleuchtungsalgorithmen häufig fotorealistischer aussehende Bilder. Die Erstellung solcher Bilder ist jedoch langsamer und rechenintensiver. Eine typische Methode besteht darin, die globale Beleuchtung der Szene zu berechnen und diese Daten mit der Geometrie (z. B. Radiosität) aufzuzeichnen. Um Walkthroughs einer Szene zu erstellen, können die gespeicherten Informationen anschließend verwendet werden, um Fotos aus verschiedenen Blickwinkeln zu erstellen, ohne ständig teure Beleuchtungsberechnungen durchführen zu müssen.

Zu den Algorithmen, die in der globalen Beleuchtung verwendet werden, gehören Radiosität, Raytracing, Beamtracing, Cone Tracing, Path Tracing, volumetrische Pfadverfolgung, Metropolis-Lichttransport, Ambient Occlusion, Photon Mapping, Signed Distanzfeld und bildbasierte Beleuchtung. Einige dieser Algorithmen können kombiniert werden, um Ergebnisse zu erzielen, die nicht schnell, aber genau sind.

Diese Algorithmen simulieren die diffuse Interreflexion, eine entscheidende Komponente der globalen Beleuchtung. Bis auf eine Ausnahme simulieren alle von ihnen (Radiosität) jedoch auch spiegelnde Reflexionen, was sie zu präziseren Methoden zur Lösung der Beleuchtungsgleichung und zur Erzeugung einer Szene mit realistischerer Beleuchtung macht. Finite-Elemente-Simulationen der Wärmeübertragung sind eng mit den Algorithmen verbunden, die zur Berechnung der Verteilung der Lichtenergie zwischen den Oberflächen einer Szene verwendet werden.

Es ist immer noch eine Herausforderung, die globale Beleuchtung in Echtzeit genau zu berechnen. Ein Umgebungsbegriff in der Beleuchtungsgleichung, der oft als Umgebungsbeleuchtung oder Umgebungsfarbe bezeichnet wird, wird manchmal in Echtzeit-3D-Grafiken verwendet, um die diffuse Reflexionskomponente der globalen Beleuchtung zu imitieren. Obwohl diese Approximationsmethode – die auch als Betrug bezeichnet wird, da es sich nicht um eine globale Beleuchtungsmethode handelt – ist zwar rechnerisch einfach, erzeugt sie aber allein keinen ausreichend realistischen Effekt. Es ist bekannt, dass die Umgebungsbeleuchtung die Schatten in 3D-Situationen abflacht und so die Gesamtästhetik trübt. Aber wenn es richtig gemacht wird, kann die Umgebungsbeleuchtung eine leistungsstarke Methode sein, um einen Mangel an Rechenleistung auszugleichen.

Um die globale Beleuchtung genau nachzubilden, verwenden 3D-Anwendungen immer mehr spezialisierte Algorithmen. Diese Ansätze nähern sich der Renderinggleichung numerisch an. Path Tracing, Photonenkartierung und Radiosität sind einige bekannte Techniken zur Berechnung der globalen Beleuchtung. Hierbei lassen sich folgende Strategien unterscheiden:

Inversion: L=(1-T)^{{-1}}L^{e}\,

wird im wirklichen Leben nicht verwendet

Erweiterung: L=\sum _{{i=0}}^{\infty }T^{i}L^{e}

Bidirektionale Pfadverfolgung, Metropolis-Lichttransport, Photonenkartierung und verteiltes Raytracing sind Beispiele für einen bidirektionalen Ansatz.

Iteration: L_{n}tl_{e}+=L^{{(n-1)}}

Radiosität

Die globale Beleuchtung in der Lichtweg-Notation entspricht * E den Routen des Typs L (D | S).

Die komplette Behandlung ist verfügbar in

Die Verwendung von High-Dynamic-Range-Bildern (HDRIs), allgemein als Umgebungskarten bezeichnet, die die Szene einkreisen und beleuchten, ist eine weitere Methode zur Simulation echter globaler Beleuchtung. Diese Methode wird als bildbasierte Beleuchtung bezeichnet.

{Ende Kapitel 1}

Kapitel 2: Rendering (Computergrafik)

Unter Verwendung einer Computersoftware ist Rendering oder Bildsynthese der Prozess der Erzeugung eines fotorealistischen oder nicht fotorealistischen Bildes aus einem 2D- oder 3D-Modell. Das gerenderte Bild wird als Rendering bezeichnet. Eine Szenendatei, die Objekte in einer genau spezifizierten Sprache oder Datenstruktur enthält, kann viele Modelle definieren. Die Szenendatei enthält Informationen zur Geometrie, zum Ansichtspunkt, zur Textur, zur Beleuchtung und zur Schattierung der Szene. Die Daten der Szenendatei werden dann zur Verarbeitung an ein Rendering-Programm gesendet und als digitales Bild oder Rastergrafik-Bilddatei ausgegeben. Der Begriff Rendering entspricht der Interpretation einer Szene durch einen Künstler. Rendering bezieht sich auch auf den Prozess der Berechnung von Effekten in einem Videobearbeitungstool, um die endgültige Videoausgabe zu erzeugen.

Rendering ist eines der wichtigsten Teilthemen der 3D-Computergrafik und in der Praxis immer mit den anderen verbunden. Es ist der letzte wichtige Schritt in der Grafikpipeline und verleiht Modellen und Animationen ihr endgültiges Aussehen. Seit den 1970er Jahren, als die Computergrafik immer ausgefeilter wurde, ist das Thema immer deutlicher geworden.

Rendering hat Anwendungen in der Architektur, in Videospielen, Simulatoren, visuellen Effekten in Film und Fernsehen sowie in der Designvisualisierung, die jeweils eine einzigartige Kombination von Funktionen und Ansätzen verwenden. Es stehen zahlreiche Renderer zur Verfügung. Einige sind in größere Modellierungs- und Animationssoftwarepakete integriert, während andere kostenlose Open-Source-Projekte sind. Ein Renderer ist ein aufwendig gestaltetes Programm, das auf verschiedenen Bereichen wie Lichtphysik, visueller Wahrnehmung, Mathematik und Softwareentwicklung basiert.

Auch wenn die technischen Details der Renderingtechnologien variieren, behandelt die Grafikpipeline eines Renderinggeräts, z. B. einer GPU, die allgemeinen Probleme beim Erstellen eines 2D-Bildes auf einem Bildschirm aus einer 3D-Darstellung, die in einer Szenendatei enthalten ist. Eine GPU ist ein Gerät, das speziell entwickelt wurde, um eine CPU bei der Durchführung anspruchsvoller Rendering-Berechnungen zu unterstützen. Die Rendering-Software muss die Rendering-Gleichung lösen, damit eine Szene unter virtueller Beleuchtung relativ realistisch und vorhersehbar erscheint. Die Rendering-Gleichung berücksichtigt nicht jedes Beleuchtungsphänomen, sondern dient als grundlegendes Beleuchtungsmodell für computergenerierte Bilder.

Szenen in 3D-Grafiken können vorab gerendert oder in Echtzeit generiert werden. Pre-Rendering ist eine langsame, rechenintensive Technik, die häufig für die Erstellung von Filmen verwendet wird, bei denen Szenen im Voraus vorbereitet werden können, während Echtzeit-Rendering in der Regel für 3D-Videospiele und andere Anwendungen verwendet wird, die Szenen in Echtzeit generieren müssen. Durch die Beschleunigung von 3D-Hardware kann die Echtzeit-Rendering-Leistung verbessert werden.

Wenn das Vorbild (oft eine Drahtmodellskizze) fertig ist, wird das Rendern verwendet, um Bitmap- oder prozedurale Texturen, Lichtquellen, Bump-Mapping und die relative Position von Objekten hinzuzufügen. Das Endprodukt ist ein fertiges Bild, das der Verbraucher oder die Zielgruppe betrachtet.

Um eine Filmanimation zu erstellen, müssen mehrere Bilder (Frames) erstellt und in einem Animationswerkzeug zusammengefügt werden. Die meisten 3D-Bildbearbeitungsprogramme können dies.

Ein gerendertes Bild kann anhand seiner visuellen Eigenschaften verstanden