5.5 Das Licht

Licht als physikalisches Phänomen ist so komplex, daß es nicht mit einem mathematischen Modell vollständig beschrieben werden kann. Statt dessen bedient man sich bei der Analyse und Synthese des Lichts immer nur bestimmter Teilaspekte. So wird Licht je nachdem untersucht als: Welle, Quant, Strahl, Energie oder einfach nur als Information (z.B. Helligkeit). Rendering-Progamme sind also nicht in der Lage, das Licht physikalisch exakt zu simulieren. Vielmehr werden zur Simulation von Licht im Computer stark vereinfachte Modelle gewisser Teilaspekte der Lichterscheinung verwendet. Diese Modelle sind stets nur bestmögliche Annäherung an die tatsächliche Wirkung des Lichts in der Realität. Dem Bildautor steht das synthetische Licht als Gestaltungselement zur Verfügung. Der folgende Abschnitt beschäftigt sich mit einigen Aspekten der Lichtgestaltung, die berücksichtigt werden sollten.

5.5.1 Lichtquellen im Computer

Im folgenden sollen einige typische Lichtquellen, welche besonders in Raytracing und Radiosity-Programmen eingesetzt werden, beschrieben werden. Dabei stehen gestalterische Faktoren im Vordergrund. Technische Informationen finden sich in [Rau93], [FvDF +94] und [Fel91].

Das Umgebungslicht (Ambient-Light) dient zur Festlegung einer gewissen Grundhelligkeit in der Szene. Zu hohes Umgebungslicht kann zu reduzierten Kontrasten führen. Dem Bild wird nicht nur Spannung entzogen, es verliert auch an Tiefenwirkung. Der Raumeindruck kommt nicht mehr in vollem Umfang zur Geltung, wodurch das Bild verflacht und auf den Betrachter langweilig wirkt. Das Umgebungslicht sollte daher nicht als ,,Helligkeitsregler`` verstanden werden, sondern eher als ,,Kontrastregler``. Abbildung 5.10 zeigt die Wirkungsweise des Umgebungslichts. Punktförmige Lichtquellen werden in Spotlichter (Spot-Lights) und Glühbirnen (Omni-Lights bzw. Point- Lights) unterteilt. Bei flächigen Lichtquellen unterscheidet man zwischen dem Sonnenlicht (unbegrenzt-flächige Lichtquelle) und Lichtwannen (begrenzt-flächige Lichtquellen). Punkt- und Flächenlichter unterscheiden sich vor allem in den Schattenwürfen. Punktförmige Lichtquellen erzeugen perspektivische Schatten. Die Schatten sind um so größer, je näher sich die Lichtquelle sich am beleuchteten Objekt befindet. Lichtwannen hingegen erzeugen durch Kern- und Halbschatten einen sanften Hell-Dunkel-Übergang. Beim Sonnenlicht hat die Entfernung zum beleuchteten Objekt keinen Einfluß auf die Größe der Schatten. Denn wegen der großen Entfernung der Sonne zur Erde verlaufen alle Lichtstrahlen nahezu parallel.

  

Abbildung 5.10: links: Umgebungslicht 0%, Mitte: Umgebungslicht: 50 %, rechts: Umgebunglicht 100 %

5.5.2 Aufgaben der Lichtgestaltung

Das Licht in der Computergrafik ist eine softwaretechnisch umgesetzte physikalische Erscheinung. Obwohl dadurch die Lichtinformation objektiv bestimmbar wird, bleibt das Licht doch stets eine sehr individuelle Empfindung. Die wichtigste Aufgabe der Lichtgestaltung in der Computergrafik ist es daher, einen glaubhaften Lichteindruck zu erzeugen, der den Sehgewohnheiten des Betrachters entspricht. Wie alle anderen formalen Gestaltungselement übernimmt auch das Licht eine wichtige inhaltsgebundene Funktion. So können direkt durch die Lichtgestaltung Aussagen vermittelt oder zusätzlich betont werden. Ein heller Bildteil wirkt beispielsweise heiter, einladend und leicht. Hingegen wirkt ein eher dunkles Bild bzw. ein dunkler Bildteil schwer, müde und melancholisch. Durch gezielte Gestaltung der Lichtfarbe hat der Bildautor weiterhin die Möglichkeit, eine gewisse Stimmungslage in der Szene entstehen zu lassen. Mit blauem Licht kann Kälte vorgetäuscht werden, Rot und Gelb dagegen strahlen Wärme aus. Durch entsprechendes Verteilen von Licht und Schatten kann man Objekte zudem unterschiedlich gewichten. Typischerweise schenkt der Betrachter Objekten, die hellerausgeleuchtet sind, mehr Beachtung als Objekten mit geringer Beleuchtung. Auch kann der Bildautor mit Licht die Aufmerksamkeit eines Betrachters steuern. So werden z.B. intensiv ausgeleuchtete Bildteile bevorzugt betrachtet, während Bildteile im Halbdunkel, zurückgestellt werden. Das Ziel bewußter Lichtgestaltung ist es daher, die Bildaussage mit diesen Mitteln zu untermalen.

5.5.3 Lichtrichtung

Synthetische Lichtquellen können an beliebigen Stellen im Raum plaziert werden. Dabei muß sich der Bildautor über die Wirkungen von Licht aus verschiedenen Richtungen bewußt sein. Die Wirkung der Beleuchtung wird durch die Plazierung der Lichtquellen in Relation zu dem beleuchteten Objekt und der Kameraposition bestimmt. Frontales Licht verwandelt jeden 3D-Körper in eine zweidimensionale Scheibe. Formen und Strukturen treten kaum noch hervor, wodurch das Motiv verflacht; dies nicht nur, weil die Körperoberfläche an allen Stellen nahezu die gleiche Helligkeit aufweist, sondern auch, weil das frontale Licht keine Schatten auf dem Körper entstehen läßt. Die Trennung zwischen Motiv und Hintergrund wird gewissermaßen aufgehoben. Soll die Plastizität eines Bildelements hervorgehoben werden, so sollte die Lichtquelle seitlich positioniert werden. Seitliches Licht bewirkt, abhängig von der Intensität, eine plastische Modulation des angestrahlten Objekts. Schatten kommen deutlich zur Geltung. Diese Beleuchtungsart entspricht dem Idealfall einer Szenenausleuchtung.

  

Abbildung 5.11: Motiv mit frontalem Licht, seitlichem Licht, Streiflicht und Gegenlicht.

Durch Streiflicht kommt eine besonders starke Schattenmodellierung zustande. Die Lichtquelle wird hier im Winkel von 80 bis 90 Grad zu der vorderen Seite eines Objekts positioniert. Bei diesem Verfahren werden die Strukturen und Konturen der Oberfläche des beleuchteten Objekts besonders herausgearbeitet. Werden die Schatten nicht von einer weiteren Lichtquelle überdeckt, so entsteht ein intensiver Hell-Dunkel-Kontrast. Gegenlicht kann ein Objekt vom Hintergrund lösen. Direktes Gegenlicht, mit einer einzigen Lichtquelle, die in einem Winkel von nahezu 180 Grad in Richtung der Kamera verläuft, führt in der Computergrafik nicht zu dem gewünschten Ergebnis. Will man beispielsweise sowohl auf der linken als auch entlang der rechten Außenkontur eines Gegenstandes einen Lichtsaum, so benötigt man dazu zwei Gegenlichtquellen, die sich in einem bestimmten, vom Einzelfall abhängigen Winkel überkreuzen.