Phong Schattierung: Erkundung der Tiefe des visuellen Renderings: Phong-Schattierung in der Bildverarbeitung

Von Fouad Sabry

Was ist Phong-Schattierung?

In der 3D-Computergrafik ist Phong-Schattierung, Phong-Interpolation oder Normalvektor-Interpolationsshading eine Interpolationstechnik zur Oberflächenschattierung, die vom Pionier der Computergrafik erfunden wurde Bui Tuong Phong. Die Phong-Schattierung interpoliert Oberflächennormalen über gerasterte Polygone und berechnet Pixelfarben basierend auf den interpolierten Normalen und einem Reflexionsmodell. Phong-Schattierung kann sich auch auf die spezifische Kombination aus Phong-Interpolation und dem Phong-Reflexionsmodell beziehen.

Wie Sie davon profitieren

(I) Einblicke und Validierungen zu folgenden Themen:

Kapitel 1: Phong-Schattierung

Kapitel 2: Gouraud-Schattierung

Kapitel 3: Phong-Reflexionsmodell

Kapitel 4: Shader

Kapitel 5: Lichtkarte

Kapitel 6: Reflexionszuordnung

Kapitel 7: Bui Tuong Phong

Kapitel 8: Blinn-Phong-Reflexionsmodell

Kapitel 9: Computergrafikbeleuchtung

Kapitel 10: Scheitelpunktnormal

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

(III) Beispiele aus der Praxis für die Verwendung von Phong-Shading in vielen Bereichen.

Für wen dieses Buch gedacht ist

Berufstätige, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Bastler und diejenigen, die über das Grundwissen oder die Informationen für jede Art von Phong-Schattierung hinausgehen möchten.

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

Buchvorschau

Kapitel 1: 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 Glanzlichter in den Scheitelpunkten des Polygons fehlen und die Gouraud-Schattierung in Abhängigkeit von den Scheitelpunktfarben interpoliert wird, fehlt im Inneren des Polygons das Glanzlicht. Dieses Problem wird mit der Phong-Schattierung behoben.

Im Gegensatz zur Gouraud-Schattierung, bei der Farben über Polygone hinweg interpoliert werden, wird bei der Phong-Schattierung ein Normalenvektor linear von den Scheitelpunktnormalen des Polygons über die Oberfläche des Polygons interpoliert. An jedem Pixel wird die Oberflächennormale interpoliert und normalisiert, bevor sie in einem Reflexionsmodell, z. B. dem Phong-Reflexionsmodell, verwendet wird, um die endgültige Pixelfarbe zu bestimmen. Die Phong-Schattierung ist rechnerisch aufwendiger als die Gouraud-Schattierung, da das Reflexionsmodell für jedes Pixel und nicht für jeden Scheitelpunkt generiert werden muss.

Varianten dieses Ansatzes werden mit Pixel- oder Fragment-Shadern auf moderner Grafikhardware implementiert.

Phong-Schattierung kann sich auch auf die Kombination von Phong-Interpolation und dem Phong-Reflexionsmodell, einem empirischen Modell der lokalen Beleuchtung, beziehen. Es zeigt die Art und Weise, wie eine Oberfläche Licht reflektiert, als eine Kombination aus diffuser Reflexion und spiegelnder Reflexion. Basierend auf der informellen Beobachtung von Bui Tuong Phong weisen helle Oberflächen kleine, intensive spiegelnde Glanzlichter auf, während stumpfe Oberflächen große, weniger intensive Glanzlichter aufweisen. Das Reflexionsmodell enthält auch einen Umgebungsterm, um das Streulicht in der Gesamtszene zu berücksichtigen.

{Ende Kapitel 1}

Kapitel 2: 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