, Universität Linz

Das Ray-Tracing Verfahren

• Inhalt
• Einführung
• Der Grundgedanke
• Die Beleuchtung
• SCHLUSS

Ray-Tracing unterscheidet sich grundsŠchlich von den besprochenden Shading-Verfahren. 1963 ging der IBM-Forscher Appel bei der Konzeption von der strahlenfšrmigen Natur des Lichtes aus. Ray-Tracing, also die Lichtstahlenverfolgung ist die vordergrŸndige Idee dieser Methode.

Der Grundgedanke

Der Grundgedanke ist bemerkenswert einfach: Die von einer Lichtquelle ausstršmenden unendlich vielen Lichtstrahlen werden von Objekten in unserer RealitŠt reflektiert und gebrochen, bis einige wenige das Auge des Betrachters (oder beim Fotoapparat die Linse) erreichen und somit das Bild seiner Umgebung projizieren . Beim Ray-Tracing verlŠuft dieses Verfahren umgekehrt. Da nicht unendlich viele Strahlen einer Lichtquelle in einer Berechnung verfolgt werden kšnnen, werden nur genau die Strahlen betrachtet, die das Auge des Beobachters oder eine gedachte Kamera erreichen. Dies wird mšglich, indem man Strahlen vom Auge des Betrachters in die Objektwelt aussendet. FŸr jeden Pixel auf dem Bildschirm wird ein "Lichtstrahl" vom Auge des Betrachters auf den Bildschirm und dann auf ein Objekt der Szene geworfen, auf das der Strahl zuerst trifft. Der auftreffende Strahl wird von der OberflŠche reflektiert, bzw. gebrochen. Der Lichtstrahl wird weiter in die Szene geworfen und verfolgt, bis er auf eine Lichtquelle trifft oder die Szene gŠnzlich verlŠ§t. Bei jedem Treffer wird die PrimŠr-IntensitŠt an der OberflŠchenstelle ermittelt. Nach Verlassen der Szene werden rŸckwŠrts Farbe und IntensitŠt an allen Knotenpunkten auf den OberflŠchen von sichtbaren Kšrpern berechnet. Der Strahlenverlauf ist einer binŠren Baumstruktur vergleichbar. Jeder Ast entspricht dem Reflexions- und Brechnungsanteil. Jedem Knotenpunkt ist zusŠtzlich die direkte IntensitŠtskomponente (PrimŠr-IntensitŠt) hinzugefŸgt. Je lŠnger der zu durchlaufende Weg ist, um so grš§er ist die AbschwŠchung der IntensitŠt.

Die Beleuchtung

Treffen Strahlungen verschiedener WellenlŠngen auf einen Kšrper, so erscheint die OberflŠche farbig.Die Farbtheorie unterscheidet Kšrperfarben und Lichtfarben. Lichtfarben entstehen durch additive Farbmischung der PrimŠrfarben (Basisfarben) Rot, GrŸn und Blau, Kšrperfarben durch subtraktive Farbmischung der PrimŠrfarben Gelb, Mangentarot und Cyanblau. In der Computergrafik wird die additive Farbmischung (Lichtfarben) angewendet. Um nun die Farben einer OberflŠche bestimmen zu kšnnen, mu§ ihre IntensitŠt ermittelt werden. Hier unterscheidet man eine direkte und eine indirekte Hauptkomponente:

Die erste Komponente berŸcksichtigt die direkten Lichtquellen. Sie umfa§t die ambiente GrundintensitŠt, die PrimŠr-IntensitŠten der diffusen Reflexion der einfallenden Stahlen aller Lichtquellen und die PrimŠrintensitŠt der Spiegelungsreflexion.

Die zweite Komponente betrifft die Vorkšrper und insbesondere die SekundŠr-IntensitŠt des Anteils der Reflexioin des ankommenden Sehstrahls und die SekundŠr-IntensitŠt des Brechungsanteils des "durch" den Kšrper ankommenden Strahls.

Ray-Tracing ist ein sehr zeitaufwendiges Verfahren, welches je nach Computer und KomplexitŠt bis zu einigen Tagen zur Bildberechnung benštigen kann. Es eignet sich hervorragend zur Simulation von spiegelnden Reflexionen, obwohl diese nur einen geringen Anteil (etwa 10%) in unserer wirklichen Welt haben. Trotzdem ist es eine sehr leistungsstarke Technik, weil sie nachbildet, wie Licht physikalisch mit den Objekten einer Szene zusammenwirkt. Bei bestimmten Szenenzusammenstellungen ist man in der Lage unglaublich realistische Bilder zu erzeugen.