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Das Radiosity-Verfahren arbeitet grundsätzlich anders. Hier sind die Objekte aus Flächenelementen aufgebaut, die entweder ideale diffuse Reflektoren oder flächenhafte Lichtquellen sind.

Zwischen all diesen Flächen findet ein Austausch von Licht statt. Licht wird hier als Strahlung betrachtet, die eine gewisse Energie besitzt. Diese ist in einem abgeschlossenen System konstant.

Mit diesem Verfahren können nun aber keine Spiegelungen und Brechungen berechnet werden. In der natürlichen Umwelt reflektieren die meisten Stoffe jedoch ohnehin meist nur diffus, so dass mit Radiosity erzeugte Bilder eine sehr große Realitätsnähe aufweisen.

Die Primitive sind in den bisher vorgestellten Systemen durch ihre Eckpunkte und mit einem Satz von Attributen definiert, daher findet die Berechnung eines Farbwertes durch das Beleuchtungsmodell in der Regel an diesen Eckpunkten statt. Da aber eigentlich das gesamte Polygon beleuchtet ist, müssen die Pixel im Inneren des Polygons ebenfalls eingefärbt werden. Für diese Berechnung sind Shader zuständig. Sie berechnen aus den Reflexionseigenschaften und der Beleuchtungssituation einen Farbverlauf auf einer Fläche. [FHRS02]

Es existieren drei Verfahren:

Flat- Schattierung

Das einfachste Verfahren ist das von Romney, Warnock und Watkins vorgestellte Flat-Shading-Verfahren. Beim Flat- Shading wird jeder Polygonfläche ,aus welchen die einzelnen Objekte während der Entwurfphase bestehen, lediglich eine Farbe zugeordnet, die in Abhängigkeit von der Beleuchtung bestimmt wurde. Das bedeutet, dass die Farben an den Kanten zwischen den Polygonen übergangslos aneinander stoßen. Da das Flat-Shading insbesondere bei gekrümmten Oberflächen nur unbefriedigende Ergebnisse liefert, ist es für die realistische Bilddarstellung ungeeignet. Die Einfachheit des Verfahrens drückt sich jedoch auch in einer kurzen Berechnungszeit aus, und so werden Flat-Shading-Verfahren bevorzugt bei kostengünstigen VR- Systemen eingesetzt. [BOSV94]

Bild 1: Unterteilung einer Fläche in verschiedenen Polygonen
Quelle: studweb.studserv.unistuttgart.de/studweb/users/tky/tky28359/vr/VirtualReality.pdf
Bild 2: Flat- Shading
Quelle: www.rz.rwth-aachen.de/vr/news/previous/previousevents.php
von Dr. Torsten Kühlen Techniken und wissenschaftliche Anwendungen

Gouraud Schattierung

1971 wurde das von Henri Gouraud entwickelte Gouraud-Shading- Verfahren eingeführt. Im Gegensatz zum Flat- Shading wird bei der Bildberechnung ein Farbverlauf zwischen den Polygonkanten erzeugt. Hierzu werden zunächst den Ecken eines Polygons in Abhängigkeit der Beleuchtungsverhältnisse Farbwerte zugeordnet. In einem weiteren Schritt werden die Farbwerte der dazwischenliegenden Bildpunkte durch Interpolation berechnet. Durch dieses auch als Smoothing (Verwischen) bezeichnete Vorgehen können gekrümmte Oberflächen erzeugt werden, ohne dass diese kantig erscheinen. Im Vergleich zum Flat-Shading können durch das Gouraud-Shading bedeutend realistischere Objektoberflächen generiert werden. Jedoch benötigt die kompliziertere Berechnung dieses Schattierungsverfahrens erheblich mehr Zeit. Außerdem  bestehen beim Gouraud-Shading Restriktionen hinsichtlich der Erzeugung von spiegelnden Flächen oder Glanzpunkten, da diese i.d.R. verwischt erscheinen. Auch können sich bei sehr großen Polygonflächen, bei denen also die Referenzpunkte für die Interpolation sehr weit auseinander liegen, eine unrealistische Schattierung ergeben. Bei leistungsfähigen VR-Systemen wird das Gouraud-Shading eingesetzt. [BOSV94]

Bild 3: Gouraud- Schattierung
Quelle: www.rz.rwth-aachen.de/vr/news/previous/previousevents.php
von Dr. Torsten Kühlen Techniken und wissenschaftliche Anwendungen

Das in der Computergrafik gebräuchlichste Modell Phong geht bei der Beleuchtungsberechnung davon aus, daß das einfallende Licht aus verschiedenen Anteilen zusammengesetzt ist. Jeder Reflexion ist ein Lichtanteil zugeordnet. Die Wechselwirkung des Lichts mit den Objekten erfolgt für jeden Anteil auf spezifische Art. Die Gesamtintensität ist die Summe der einzelnen Ergebnisse. Der Anteil der ambienten Reflexion ist das Produkt der Intensität des ambienten Lichts (Ia) und des ambienten Reflexionskoeffizienten des Materials (ka):

                                                                Iamb = Ia· ka

In die Berechnung der diffusen Reflexion geht zusätzlich zur Intensität der Punktlichtquelle (Ip) und des entsprechenden Reflexionskoeffizienten auch der Einfallswinkel α mit ein:

                                                             Idif = Ip· ka· cos α

Soll spiegelnde Reflexion berechnet werden, muß auch der Winkel zwischen dem zum Blickpunkt gerichteten Vektor und dem Reflexionsvektor (Φ) berechnet werden. Dabei ist ks der spekulare Reflexionskoeffizient und n ist der spekulare Exponent:

                                                             Ispl = Ip· ks· cos Φ

Dieser Reflexionsanteil ist als einziger blickpunktabhängig. Das kennt man aus dem alltäglichen Leben. Blicken wir z.B. auf eine glatte, gekrümmte Oberfläche, die durch eine in der Nähe befindliche Lampe beschienen wird, sehen wir dort eventuell einen Highlight. Bewegt man nun den Kopf, so wandert der Lichtfleck mit, solange noch ein spiegelnd reflektierter Lichtstrahl das Auge trifft. Der Blickpunkt kann als unendlich weit entfernt angenommen werden, dann ist die Blickrichtung auf alle Punkte der beleuchteten Objekte identisch. Es kann aber auch für jeden Punkt eine Berechnung der Blickrichtung und der Winkelverhältnisse ausgeführt werden. Der Rechenaufwand steigt dann enorm.

Grundsätzlich ergibt sich die Gesamtintensität aus der Addition der Terme aus den obigen Formeln. Es können jedoch weitere Faktoren wie z.B. eine Dämpfung des diffusen und des spekularen Anteils mit eingehen.

Da Objekte mit zunehmendem Abstand zur Lichtquelle dunkler wirken, ist ein weiterer Dämpfungsfaktor notwendig. Dieser teilt sich in mehrere Komponenten auf: eine konstante, eine lineare und eine quadratische Dämpfung. [FHRS02]

Das Phong-Shading-Verfahren von Phong-Bui Tuong wurde 1973 erstmals eingesetzt. Im Gegensatz zu den vorher besprochenen Verfahren wird beim Phong-shading nicht eine gesamte Fläche gleichzeitig schattiert, sondern jeder einzelne Bildpunkt berechnet. Natürlich erhöht dies die Rechenzeit erheblich, jedoch sind mit dem Phong-Shading bedeutend realistischere Schattierungen zu erzielen. Gleichzeitig unterliegt das Phong-Shading nicht der Restriktionen der Gouraud-Shadings. Die realistische Berechnung von Reflexionen oder großen Flächen ist mit dem Phong- Shading- Verfahren problemlos möglich. [BOSV94]

Bild 4: Phong- Shading
Quelle: www.rz.rwth-aachen.de/vr/news/previous/previousevents.php
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