Wellenlängenbasiertes Beleuchtungsmodell in Shadern

In der Realität setzen sich Farben aus einzelnen Wellen zusammen, welche in Kombination mit zugehörigen Wellenlängen und Intensitäten bei Menschen den Sinneseindruck einer Farbe hervorrufen. Die Computergraphik definert 
In der Realität setzen sich Farben aus einzelnen Wellen zusammen, welche in Kombination mit zugehörigen Wellenlängen und Intensitäten bei Menschen den Sinneseindruck einer Farbe hervorrufen. Die Computergraphik definert Farben mit dem RGB-Modell, in dem durch 3 Grundfarben (Rot, Grün, Blau) der darstellbare Farbbereich festgelegt wird. Ein Spektrum (genauer Spectral Power Distribution, SPD) ermöglicht eine variablere, physikalisch exaktere Darstellung von Farbe, kann aber nicht einfach mit dem RGB-Modell verwendet werden. Das von der Commission Internationale de l'Eclairage definierte XYZ-Farbmodell erlaubt es mit Wellenlängen zu rechnen, und bildet die Grundlage der Beleuchtungsrechnung mit Spektren.
Farben mittels Spektren zu ermitteln ist die Paradedisziplin von Raytracern, da der Berechnungsaufwand für Echtzeitanwendungen meist zu groß ist. Die neueste Graphikkarten-Generation kann große Datenmengen effizient parallel verarbeiten, und es wurden entsprechende Ansätze gesucht, wellenlängenbasiert zu rechnen. Das hier vorgestellte System erlaubt auf Grundlage von physikalischen Formeln einzelne Intensitäten zu beeinflusen, welche in Kombination mit den Tristimulus-Werten des Menschen in dem XYZ-Farbmodell abgebildet werden können. Diese XYZ-Koordinaten können anschließend in das RGBModell transformiert werden.
Im Gegensatz zu bestehenden Systemen wird direkt mit Spektren gearbeitet und diese nicht von einer RGB-Farbe abgeleitet, so dass für bestimmte Effekte eine höhere Genauigkeit entsteht. Durch die Verwendung einer SPD ist es möglich, Interferenzeffekte an dünnen Schichten und CDs in einem Polygon-Renderer zu visualisieren. In dieser Arbeit wird eine Berechnung von mehrlagigen dünnen Schichten mit komplexen Brechungsindizes präsentiert und ein LOD-System vorgestellt, welches es ermöglicht den Berechnungsaufwand frei zu skalieren.
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In reality, color is the sum of individual waves which lead to a sensation of color for humans. Waves are defined by their wavelength and the corresponding intensity. Computergraphics are based on the RGB-model, construc
In reality, color is the sum of individual waves which lead to a sensation of color for humans. Waves are defined by their wavelength and the corresponding intensity. Computergraphics are based on the RGB-model, constructed via the 3 base colors red, green and blue, to specify a color. A Spectrum (more precisely a Spectral Power Distribution, short SPD) allows a more variable and physically based approach, but cannot easily be implemented in the RGB-model. Based on the XYZ-model from the Commission Internationale de l'Eclairage, a calculation with single wavelenghts is possible, and is the main system for all wavelength based illumination models.
Calculating colors via a SPD is mainly implemented with ray tracing renderer, because the costs are basically to high for real time applications. But the newest generation of graphic cards is able to process efficiently and parallel a high amount of data, so it seems possible to implement a wavelength based model on a polygon renderer. The developed system can manipulate single intensities based on physical formulas and can calculate the corresponding color in XYZ-coordinates using the human tristimulus values. These values can be transformed into the RGB-model.
Unlike other systems, the SPD is not derived via a transformation of an RGB-color defined in the renderer. Using individual SPDs for calculation should allow a higher precision. This approach also allows to model interference effects of thin films or a CD on a polygon renderer. A formula for modeling a multi-layer system with complex indices of refraction and an LOD system is presented. The latter can decrase the amount of time spent on calculation at the cost of accuracy.
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Metadaten
Author:Daniel Schiffner
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-420828
URL:http://www.gdv.informatik.uni-frankfurt.de/abschlussarbeiten/download/2008-5/ausarbeitung.pdf
Place of publication:[Frankfurt am Main]
Referee:Detlef Krömker
Advisor:Sebastian Schäfer
Document Type:Diplom Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2016/11/22
Year of first Publication:2008
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Release Date:2016/11/22
Pagenumber:100
HeBIS PPN:396794386
Institutes:Informatik
Dewey Decimal Classification:004 Datenverarbeitung; Informatik
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

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