16. Globale Beleuchtung in der Computergraphik

In diesem Kapitel wenden wir uns einer ur-informatischen Anwendung von Modellierung und Simulation zu – und befassen uns doch zugleich mit Physik im Rechner. Schließlich ist eines der großen Ziele der Computergraphik der Photorealismus, also die Erzeugung möglichst realistisch anmutender Computerbilder. An vielen Stellen begegnen wir dabei Modellen – bei der Beschreibung von Objekten und Effekten – sowie Simulationen – bei deren effizienter graphischer Darstellung. Als Beispiele seien genannt die Darstellung natürlicher Objekte (Berge, Bäume etc.) mittels Fraktalen oder Grammatikmodellen, die Darstellung natürlicher Effekte (Feuer, Nebel, Rauch, Faltenwurf von Stoffen etc.) mittels Partikelsystemen, die Abbildung biomechanischer Vorgänge (Dinosaurierbäuche und sonstige „Schwabbelmassen“) oder allgemein die Beschreibung von Animation. Von zentraler Bedeutung für die Computergraphik sind ferner Techniken zur globalen Beleuchtung. Mit ihr wollen wir uns im Folgenden befassen. Die Darstellung folgt dabei [13]. Vom Instrumentarium aus Kap. 2 werden insbesondere die Abschnitte zur Analysis und Numerik benötigt.

In der Computergraphik studierte man früh lokale Beleuchtungsmodelle, um die Lichtverhältnisse an einem bestimmten Punkt einer Szene beschreiben zu können, und unterschied dabei ambientes Licht, punktförmige Lichtquellen mit diffuser Reflexion und punktförmige Lichtquellen mit spiegelnder Reflexion. Für die Erzeugung photorealistischer Bilder ist aber auch die Modellierung der globalen Beleuchtung, also der Licht-Wechselwirkungen aller Objekte der Szene miteinander, wichtig.

Der erste Ansatz, das so genannte Ray-Tracing , geht auf Whitted und Appel zurück [4, 62]. Es kann spiegelnde Reflexion perfekt wiedergeben, diffuse Beleuchtung bzw. ambientes Licht dagegen überhaupt nicht. Die resultierenden Bilder wirken synthetisch und fast zu perfekt. Gewissermaßen das Gegenstück, das Radiosity-Verfahren , wurde von Goral et al. vorgestellt [26] und gibt diffuse Beleuchtung perfekt wieder. Spiegelnde Reflexionen sind allerdings nicht möglich. Die resultierenden Bilder wirken natürlicher, aber noch nicht realistisch – es fehlen eben Spiegelungs- und Glanzeffekte. In der Folge wurden zahlreiche Ansätze zur Kombination von Ray-Tracing und Radiosity entwickelt, ausgehend von der einfachen Hintereinanderschaltung bis hin zu komplizierteren Verfahren. Trotzdem bleiben Probleme bei der Wiedergabe indirekter spiegelnder Beleuchtungen (etwa über einen Spiegel), so genannte Caustics . Weitere Entwicklungsstufen waren Path-Tracing [37] und Light oder Backward Ray-Tracing [5]. Beide sind prinzipiell in der Lage, das globale Beleuchtungsproblem zu lösen, haben jedoch Probleme hinsichtlich Aufwand bzw. Einschränkungen bei der Geometriebeschreibung. Eine signifikante Verbesserung stellt Monte Carlo Ray-Tracing mit Photon Maps dar [36], das auch Caustics in befriedigender Qualität effizient wiedergeben kann.