BeleuchtungsmathematikMathematics of lighting

Das Direct3D-Beleuchtungsmodell deckt Umgebungs-, diffuse, spiegelnde und ausstrahlende Beleuchtung ab.The Direct3D Light Model covers ambient, diffuse, specular, and emissive lighting. Dies bietet eine ausreichende Flexibilität zum Lösen einer breiten Palette an Beleuchtungssituationen.This is enough flexibility to solve a wide range of lighting situations. Die Gesamtmenge an Licht in einer Szene wird als globale Beleuchtung bezeichnet.The total amount of light in a scene is called the global illumination.

Die globale Beleuchtung wird wie folgt berechnet:The global illumination is computed as follows:

global_illumination = ambient_lighting + diffuse_lighting + specular_lighting + emissive_lighting;

Umgebungsbeleuchtung ist konstante Beleuchtung.Ambient lighting is constant lighting. Umgebungsbeleuchtung ist in alle Richtungen konstant und färbt alle Pixel eines Objekts identisch.Ambient lighting is constant in all directions and it colors all pixels of an object the same. Sie lässt sich schnell berechnen, bewirkt jedoch, dass Objekte flach und unrealistisch aussehen.It is fast to calculate but leaves objects looking flat and unrealistic.

Diffuse Beleuchtung hängt sowohl von der Richtung des Lichts als auch von der Flächennormalen des Objekts ab.Diffuse lighting depends on both the light direction and the object surface normal. Diffuse Beleuchtung ist auf der Oberfläche eines Objekts durch die Änderung der Richtung des Lichts und den sich ändernden Oberflächenzahlvektor unterschiedlich.Diffuse lighting varies across the surface of an object as a result of the changing light direction and the changing surface numeral vector. Es dauert länger, diffuse Beleuchtung zu berechnen, da sie sich für jeden Eckpunkt des Objektes ändert; der Vorteil der Verwendung liegt jedoch darin, dass sie Objekten einen Schatten und eine dreidimensionale (3D) Tiefe verleiht.It takes longer to calculate diffuse lighting because it changes for each object vertex, however the benefit of using it is that it shades objects and gives them three-dimensional (3D) depth.

Spiegelnde Beleuchtung bezeichnet die glänzenden spiegelnden hellsten Bildteile, die auftreten, wenn Licht auf eine Objektfläche trifft und in Richtung der Kamera reflektiert wird.Specular lighting identifies the bright specular highlights that occur when light hits an object surface and reflects back toward the camera. Spiegelnde Beleuchtung ist intensiver als diffuses Licht und fällt über die Objektoberfläche schneller ab.Specular lighting is more intense than diffuse light and falls off more rapidly across the object surface. Die Berechnung von spiegelnder Beleuchtung ist zeitaufwendiger als die für diffuse Beleuchtung; der Vorteil der Anwendung liegt jedoch darin, dass die Oberfläche erheblich detailreicher wird.It takes longer to calculate specular lighting than diffuse lighting, however the benefit of using it is that it adds significant detail to a surface.

Ausstrahlende Beleuchtung ist Licht, das ein Objekt ausstrahlt; beispielsweise ein Leuchten.Emissive lighting is light that is emitted by an object; for example, a glow. Durch das Ausstrahlen erscheint ein angezeigtes Objekt als selbstleuchtend.Emission makes a rendered object appear to be self-luminous. Die Ausstrahlung wirkt sich auf die Farbe des Objekts aus und kann beispielsweise ein dunkles Material heller erscheinen lassen und einen Teil der ausgestrahlten Farbe annehmen.Emission affects an object's color and can, for example, make a dark material brighter and take on part of the emitted color.

Durch die Anwendung jedes dieser Beleuchtungstypen auf einer 3D-Szene kann eine realistische Beleuchtung erreicht werden.Realistic lighting can be accomplished by applying each of these types of lighting to a 3D scene. Die für Umgebungs-, ausstrahlende und diffuse Komponenten berechneten Werte werden als die diffuse Eckpunktfarbe ausgegeben; der Wert für die spiegelnde Beleuchtungskomponente wird als spiegelnde Eckpunktfarbe ausgegeben.The values calculated for ambient, emissive, and diffuse components are output as the diffuse vertex color; the value for the specular lighting component is output as the specular vertex color. Werte für Umgebungs-, diffuse und spiegelnde Beleuchtung können durch den Abschwächungs- und Spotlicht-Faktor eines bestimmten Lichts beeinflusst werden.Ambient, diffuse, and specular light values can be affected by a given light's attenuation and spotlight factor. Siehe Abschwächungs- und Spotlicht-Faktor.See Attenuation and spotlight factor.

Um einen realistischeren Beleuchtungseffekt zu erzielen, müssen Sie weitere Lampen hinzufügen, woraus jedoch eine längere Wiedergabe der Szene resultiert.To achieve a more realistic lighting effect, you add more lights; however, the scene takes longer to render. Um alle durch einen Designer angestrebten Effekte zu erzielen, verwenden einige Spiele mehr CPU-Leistung als allgemein verfügbar.To achieve all the effects a designer wants, some games use more CPU power than is commonly available. In diesem Fall es ist üblich, die Anzahl der Beleuchtungsberechnungen auf ein Minimum zu reduzieren, indem Beleuchtungskarten und Umgebungskarten eingesetzt werden, um eine Szene besser zu beleuchten, während Texturkarten verwendet werden.In this case, it is typical to reduce the number of lighting calculations to a minimum by using lighting maps and environment maps to add lighting to a scene while using texture maps.

Die Beleuchtung wird im Kameraraum berechnet.Lighting is computed in the camera space. Siehe Kameraraumtransformationen.See Camera space transformations. Optimierte Beleuchtung kann in einem Modellraum berechnet werden, in dem spezielle Bedingungen vorherrschen: die Normalvektoren sind bereits normalisiert, Eckpunktvermischung ist nicht erforderlich und Transformationsmatrizen sind orthogonal.Optimized lighting can be computed in model space, when special conditions exist: normal vectors are already normalized, vertex blending is not needed, and transformation matrices are orthogonal.

Alle Beleuchtungsberechnungen erfolgen im Modellraum durch Ändern von Position und Richtung der Lichtquelle, sowie der Kameraposition, um den Raum unter Verwendung des Gegenteils der Weltmatrix zu modellieren.All lighting computations are made in model space by transforming the light source's position and direction, along with the camera position, to model space using the inverse of the world matrix. Die resultierende Beleuchtung kann daher, wenn die Welt- oder Ansichtsmatrizen eine ungleichmäßige Skalierung einführen, unter Umständen ungenau sein.As a result, if the world or view matrices introduce non-uniform scaling, the resultant lighting might be inaccurate.

In diesem AbschnittIn this section

ThemaTopic BeschreibungDescription

Umgebenden BeleuchtungAmbient lighting

Umgebungsbeleuchtung bietet konstante Beleuchtung für eine Szene.Ambient lighting provides constant lighting for a scene. Sie leuchtet alle Objekteckpunkte gleich aus, da sie nicht von anderen Beleuchtungsfaktoren abhängig ist, wie der Eckpunktnormalen, der Richtung des Lichts, der Position der Lichtquelle, der Reichweite oder Abschwächung des Lichts.It lights all object vertices the same because it is not dependent on any other lighting factors such as vertex normals, light direction, light position, range, or attenuation. Umgebungsbeleuchtung ist in alle Richtungen konstant und färbt alle Pixel eines Objekts identisch.Ambient lighting is constant in all directions and it colors all pixels of an object the same. Sie lässt sich schnell berechnen, bewirkt jedoch, dass Objekte flach und unrealistisch aussehen.It is fast to calculate but leaves objects looking flat and unrealistic.

Diffuse BeleuchtungDiffuse lighting

Diffuse Beleuchtung hängt sowohl von der Richtung des Lichts als auch von der Flächennormalen des Objekts ab.Diffuse lighting depends on both the light direction and the object surface normal. Diffuse Beleuchtung ist auf der Oberfläche eines Objekts durch die Änderung der Richtung des Lichts und den sich ändernden Oberflächenzahlvektor unterschiedlich.Diffuse lighting varies across the surface of an object as a result of the changing light direction and the changing surface numeral vector. Es dauert länger, diffuse Beleuchtung zu berechnen, da sie sich für jeden Eckpunkt des Objektes ändert; der Vorteil der Verwendung liegt jedoch darin, dass sie Objekten einen Schatten und eine dreidimensionale (3D) Tiefe verleiht.It takes longer to calculate diffuse lighting because it changes for each object vertex, however the benefit of using it is that it shades objects and gives them three-dimensional (3D) depth.

GlanzlichtSpecular lighting

Spiegelnde Beleuchtung bezeichnet die glänzenden spiegelnden hellsten Bildteile, die auftreten, wenn Licht auf eine Objektfläche trifft und in Richtung der Kamera reflektiert wird.Specular lighting identifies the bright specular highlights that occur when light hits an object surface and reflects back toward the camera. Spiegelnde Beleuchtung ist intensiver als diffuses Licht und fällt über die Objektoberfläche schneller ab.Specular lighting is more intense than diffuse light and falls off more rapidly across the object surface. Die Berechnung von spiegelnder Beleuchtung ist zeitaufwendiger als die für diffuse Beleuchtung; der Vorteil der Anwendung liegt jedoch darin, dass die Oberfläche erheblich detailreicher wird.It takes longer to calculate specular lighting than diffuse lighting, however the benefit of using it is that it adds significant detail to a surface.

Selbstleuchtendes BeleuchtungEmissive lighting

Ausstrahlende Beleuchtung ist Licht, das ein Objekt ausstrahlt; beispielsweise ein Leuchten.Emissive lighting is light that is emitted by an object; for example, a glow. Durch das Ausstrahlen erscheint ein angezeigtes Objekt als selbstleuchtend.Emission makes a rendered object appear to be self-luminous. Die Ausstrahlung wirkt sich auf die Farbe des Objekts aus und kann beispielsweise ein dunkles Material heller erscheinen lassen und einen Teil der ausgestrahlten Farbe annehmen.Emission affects an object's color and can, for example, make a dark material brighter and take on part of the emitted color.

Kamera Speicherplatz TransformationenCamera space transformations

Eckpunkte im Kameraraum werden durch das Wandeln der Objekteckpunkte mit der Weltansichtsmatrix berechnet.Vertices in the camera space are computed by transforming the object vertices with the world view matrix.

Attenuation und Spotlight-FaktorAttenuation and spotlight factor

Die diffusen und spiegelnden Beleuchtungskomponenten der globalen Beleuchtungsgleichung enthalten Begriffe, die die Abschwächung des Lichts und den Spotlicht-Kegel beschreiben.The diffuse and specular lighting components of the global illumination equation contain terms that describe light attenuation and the spotlight cone.

 

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