Rendering

Rendering bezeichnet die Berechnung einer Grafik aus den Daten des Modellers und Shaders. Zum Rendering gehören die Ermittlung der vom Betrachter aus sichtbaren Flächen eines Objekts, Schattenwurf und Oberflächenschattierung der Objekte. Die einfachste und schnellste Renderingmethode ist Wireframe. Objekte werden als einfaches Drahtgittermodell dargestellt. Dabei sind auch die Rückseiten eines Objektes sichtbar. Lichtquellen, Schattenwurf und Oberflächenstrukturen werden nicht berücksichtigt. Hidden-Line arbeitet nach der gleichen Renderingtechnik wie Wireframe. Allerdings werden nur die vom Betrachter sichtbaren Flächen dargestellt.

Rendering von Polygonmodellen

Generell kann für jeden Punkt eines Grafikobjekts die Schattierung einzeln berechnet werden. Diese direkte Berechnung der Farbwerte der einzelnen Pixel ist jedoch sehr zeitaufwendig. Um das Rendering effizienter zu gestalten, können für Polygonmodelle die folgenden Methoden angewand werden. Im folgenden Abschnitt wird davon ausgegangen, daß Grafikobjekte aus Polygongittern zusammengesetzt sind.

Flat-Shading oder konstante Schattierung. Der Farbwert für ein Polygone wird nur in einem Punkt berechnet. Die gesamte Polygonfläche wird dann mit diesem Wert eingefärbt. Bei der Modellierung von gekrümmten Flächen mit Hilfe von Polygonenmodellern, stellen die Polygone nur eine Annäherung an das Grafikobjekt dar. Werden die Polygone konstant schattiert, ensteht dadurch ein "`facettiertes"' Objekt. Um diese Polygonfacetten zu vermeiden und eine gleichmäßig gekrümmte Fläche aus einem Polygongitter zu erstellen, benutzt eine Rendering-Programm Schattierung durch Interpolation. Ziel dieser Methode ist es, die Schattierungswerte nur an wenigen Punkten des Polygongitters zu berechnen und die anderen Punkte aus den berechneten Werten zu interpolieren. Diese Schattierungsmethode soll anhand des Gouraud- und Phongshadings erklärt werden:

• Gouraud-Shading berechnet zu jedem Polygon eines Polygongitters dessen Normale. Die Normale einer Ebene steht senkrecht auf dieser. In Abb.6.11 ist ein Polygongitter und die zugehörigen Normalen zu sehen. Gouraud-Shading berechnet nun aus diesen Polygonnormalen gemittelte Normale an den Knotenpunkte. Aus der Richtung des einfallenden Lichts und der Knotennormalen, kann der Lichteinfallswinkel berechnet werden. Davon abhängig ist dann der Einfluß der Lichtquelle auf die Knotenfarbe. Nur für diese Knotenpunkte werden die Farbwerte unter Berücksichtigung der Lichtquellen berechnet. Die Farbwerte der Punkte, die auf einer Kante zwischen zwei Knoten liegen, werden interpoliert. Sind so alle Punkte auf den Kanten berechnet worden, wird das Innere der Polygone durch Interpolation bestimmt. Gouraud-Shading liefert abgerundete Flächen mit realistischer Schattierung.

   

• Phong-Shading berechnet wie das Gouraud-Shading die Knotennormalen. Allerdings werden dann nicht Farbwerte, sondern Richtung und Größe der Normalen interpoliert (siehe Abb.6.11). Das hat den Vorteil, daß Glanzlichter auch in der Mitte eines Polygons, darstellbar sind. Glanzlichter treten auf einer Objektoberfläche immer dann auf, wenn das Licht senkrecht auf das Objekt fällt. Bei Gouraud-Shading fallen diese weg, wenn sie nicht zufälligerweise auf einen Knoten fallen würden. Phong-Shading bietet auch die Möglichkeit, Transparenz eines Objektes zu simulieren. Allgemein bietet sich diese Methode besonders für realistische Beleuchtungen an. Durch Spiegel- und Schattensimulation erhält das berechnete Bild zusätzlichen Fotorealismus.

Raytracing

Raytracing kann echte Schatten sowie Reflexionen mit unterschiedlichen Brechungen und Schatten erzeugen und ist nicht auf Polygonmodelle beschränkt. Dabei wird vom Ergebnisbild ausgegangen. Für jedes Pixel werden Strahlen(Rays) zu jeder Lichtquelle ausgeschickt (Siehe Abb.6.12). Trifft dabei der Strahl auf ein Objekt, liegt das Pixel im Schatten, und die Lichtquelle hat keinen Anteil an dem Farbwert dieses Pixels. Ist das Objekt allerdings transparent oder spiegelnd, werden weitere Strahlen unter Berücksichtigung der Brechung ausgeschickt. Treffen diese Strahlen wiederum auf ein Objekt, müssen von dort wieder Strahlen zu allen Lichtquellen ausgeschickt werden, um den Farbwert der Spiegelung zu bestimmen. Alle Strahlen, die eine Lichtquelle erreichen, werden dann in die Bestimmung des Farbwertes mit einbezogen. Die Berechnung erfolgt rekursiv und wird ab einer bestimmmten Tiefe, oder wenn keine Strahlen mehr zu verfolgen sind, abgebrochen. Für komplexe Szenen muß bei Benutzung des Raytracing-Verfahrens bei der heutigen Hardware mit einem beträchtlichen Aufwand von mehreren Stunden bis einigen Tagen pro Bild gerechnet werden.

 

Zu der fotorealistischen Darstellung gehört auch die Berücksichtigung atmosphärischer Gegebenheiten. So kann man durch Filter und Nebelobjekte bestimmte Stimmungen erzeugen. Besonders wichtig ist die atmosphärische Abschwächung des Lichts. Je weiter ein Objekt entfernt ist, desto kleiner wird die Intensität des Lichts. Hinzu kommt noch eine Farbverschiebung zum Blau/Grau bei großen Entfernungen.