Licht & Material

C A R L 

V O N 

O S S I E T Z K Y 

Licht & Material 

Johannes Diemke 

Übung im Modul OpenGL mit Java 

Wintersemester 2010/2011

Motivation 


Geometrisch gut aussehende Modelle allein sind nicht ausreichend 

Ein realistisches visuelles Erscheinungsbild benötigt mehr 

◮ Lichtquellen 

◮ Materialien 

◮ Texturen 

◮ Nebel 

◮ Transparenz 

◮ Schatten 

◮ . . . 

Johannes Diemke OpenGL mit Java WiSe 2010 / 2011 2/26

Motivation 



Grundlagen 

Lichtquellen 

Menschen sehen Objekte, indem Photonen ihr Auge erreichen 

◮ Prallen von der Oberfläche ab 

◮ Werden von der Oberfläche emittiert 

Photonen stammen von anderen Objekten oder Lichtquellen 

◮ Directional Lights 

◮ Point Lights 

◮ Spot Lights 


Grundlagen 

Lichtquellen (Forts.) 

Alle drei Lichtquellen haben Gemeinsamkeiten 

◮ Intensität 

◮ Farbe (RGB Werte) 

Weitere Unterteilung möglich 

◮ Ambiente Farbintensität 

◮ Diffuse Farbintensität 

◮ Spiegelnde Farbintensität 

Notation 

s amb 

s diff 

s spec 

s pos 

Beschreibung 

ambiente Intensität 

diffuse Intensität 

spiegelnde Intensität 

Position der Lichtquelle (vierelementig) 


Grundlagen 

Lichtquellen (Forts.) 

Unterteilung ist nicht physikalisch korrekt 

◮ Gibt aber viel Kontrolle über Erscheinungsbild 

Spot Lights besitzen weitere Parameter 

◮ Richtungsvektor 

◮ Cutt-Off Winkel 

◮ Spot Exponent 

Notation 

s dir 

s cut 

s exp 

Beschreibung 

Richtung des Spot Lights 

Cutt-Off Winkel des Lichtkegels 

Spot Exponent zur Kontrolle der Dämpfung 


Grundlagen 

Material 

In Echtzeit-Computergrafik Systemen besitzen Materialien folgende 

Parameter 

Notation 

m amb 

m diff 

m spec 

m shi 

m emi 

Beschreibung 

Ambiente Materialfarbe 

Diffuse Materialfarbe 

Spiegelnde Materialfarbe 

Shininess Parameter (Skalar) 

Emissive Materialfarbe 

Die Farbe einer Oberfläche wird durch dessen Materialeigenschaften, 

den Eigenschaften der Lichtquelle und dem Beleuchtungsmodell 

bestimmt 


Grundlagen 

Beleuchtung 

Bezeichnet Interaktion zwischen Material, Licht und Geometrie 

Shading 

Prozess der Beleuchtungsberechnung und Bestimmung der daraus 

resultierenden Farben eines Pixels 

Drei verschiedene Shading Typen 

◮ Flat, Gouraud und Phong 


Grundlagen 

Beleuchtungsmodelle 

Die Beleuchtung wird mittels eines Beleuchtungsmodells berechnet 

Unterteilung in Komponenten 

◮ Ambient 

◮ Diffus 

◮ Spiegelnd 

Hat nicht viel mit der Realität zu tun 

i tot = i amb + i diff + i spec 


Grundlagen 

Einschub: komponentenweise Multiplikation von Vektoren 

Ausschließlich für Farbvektor-Operationen sinnvoll 

Farben werden durch vierelementige Vektoren repräsentiert in denen 

jedes Element im Intervall [0, 1] liegt 

u ⊗ v = 

⎛ 

⎜ 

⎝ 

⎞ ⎛ 

u 1 

u 2 

⎟ 

u 3 

⎠ ⊗ ⎜ 

⎝ 

u 4 

⎞ ⎛ 

v 1 

v 2 

⎟ 

v 3 

⎠ := ⎜ 

⎝ 

v 4 

⎞ 

u 1 · v 1 

u 2 · v 2 

⎟ 

u 3 · v 3 

⎠ 

u 4 · v 4 

m diff ⊗ s diff beschreibt bspw. die Tatsache, das Oberflächen nur 

Photonen mit der Farbe der Oberfläche diffus reflektieren können 


Grundlagen 

Ambiente Komponente 

Ad hoc Versuch Licht zu berücksichtigen, das von anderen 

Oberflächen kommt 

Indirekte Beleuchtung durch Lichtreflexion zwischen Objekten 

i amb = m amb ⊗ s amb 


Grundlagen 

Diffuse Komponente 

Basiert auf Lamberts Gesetz 

Photonen streuen gleichmäßig in alle Richtungen 

i diff = max((n · l), 0)m diff ⊗ s diff 


Grundlagen 

Spiegelnde Komponente 

Basiert auf dem Phong Beleuchtungsmodell (nicht Phong Shading) 

Simuliert Glanzlicht 

i spec = max((r · v), 0) m shi 

m spec ⊗ s spec , 

r = 2(n · l)n − l 


Grundlagen 

Spiegelnde Komponente (Forts.) 

m shi beschreibt wie glänzend ein Material erscheint 

Je größer m shi ist, desto glänzender das Material 



Licht in OpenGL 

Maximal 8 Lichter in der Fixed Function Pipeline 

Verwendet Variante des Phong Beleuchtungsmodells 

◮ Blinn–Phong 

Beleuchtungsberechnung pro Vertex 

Mögliche Shading Typen 

◮ Flat 

◮ Gouraud 

Mögliche Licht Typen 

◮ Directional Lights 

◮ Point Lights 

◮ Spot Lights 



Licht in OpenGL (Forts.) 

Ein- und Ausschalten der Beleuchtungsberechnung 

gl.glEnable(GL2.GL_LIGHTING); 

gl.glDisable(GL2.GL_LIGHTING); 

Jedes der 8 möglichen Lichter muss einzeln ein- und ausgeschaltet 

werden 

gl.glEnable(GL2.GL_LIGHT0); 


// draw fully lit deathstar 

gl.glDisable(GL2.GL_LIGHT0); 

gl.glDisable(GL2.GL_LIGHT7); 



Licht in OpenGL (Forts.) 

Setzen der Parameter einer Lichtquelle 

gl.glEnable(GL2.GL_LIGHTING); 


float[] ambientLight = {0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f}; 

float[] diffuseLight = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f}; 

float[] specularLight = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f}; 

float[] lightPosition = {0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f}; 

gl.glLightfv(GL2.GL_LIGHT0, GL2.GL_AMBIENT, ambientLight, 0); 

gl.glLightfv(GL2.GL_LIGHT0, GL2.GL_DIFFUSE, diffuseLight, 0); 

gl.glLightfv(GL2.GL_LIGHT0, GL2.GL_SPECULAR, specularLight, 0); 

gl.glLightfv(GL2.GL_LIGHT0, GL2.GL_POSITION, lightPosition, 0); 

Aber das ist noch lange nicht alles . . . 



Point Lights 

Licht strahlt gleichmäßig in alle Richtungen 

Wird definiert durch Setzen der w-Komponente der Lichtposition 

auf w = 1 

float[] lightPosition = {point.x, point.y, point.z, 1.0f}; 




Directional Lights 

Simulation von Lichtquellen mit unendlicher Entfernung 

Alle Lichtstrahlen verlaufen parallel 

Wird definiert durch Setzen der w-Komponente der Lichtposition 

auf w = 0 

◮ Position wird dann als Vektor in Richtung der Lichtquelle interpretiert 

float[] lightPosition = {vector.x, vector.y, vector.z, 0.0f}; 




Spot Lights 

Simulation von Scheinwerferlicht 

Definition analog zu Pointlights mit w = 1 

Spezielle Spotlightparameter 

◮ Spotlight Cutoff (≥ 180 ergibt wieder ein Pointlight) 

◮ Spotlight Direction 

◮ Spotlight Exponent 



Spot Lights (Forts.) 

Setzen der Spot Light Parameter 

float[] spotDirection = {0.0f, 0.0f, -1.0f}; 

float spotExponent = 0.0f; 

float spotCutoff = 30.0f; 

gl.glLightf(GL2.GL_LIGHT0, GL2.GL_SPOT_CUTOFF, spotCutoff); 

gl.glLightf(GL2.GL_LIGHT0, GL2.GL_SPOT_EXPONENT, spotExponent); 

gl.glLightfv(GL2.GL_LIGHT0, GL2.GL_SPOT_DIRECTION, spotDirection, 0); 



Alle Parameter im Überblick 

Setzen aller Parameter einer Lichtquelle 

gl.glLightfv(GL2.GL_LIGHT0, GL2.GL_AMBIENT, ambientLight, 0); 

gl.glLightfv(GL2.GL_LIGHT0, GL2.GL_DIFFUSE, diffuseLight, 0); 

gl.glLightfv(GL2.GL_LIGHT0, GL2.GL_SPECULAR, specularLight, 0); 

gl.glLightf(GL2.GL_LIGHT0, GL2.GL_CONSTANT_ATTENUATION, constantAttenuation); 

gl.glLightf(GL2.GL_LIGHT0, GL2.GL_LINEAR_ATTENUATION, linearAttenuation); 

gl.glLightf(GL2.GL_LIGHT0, GL2.GL_QUADRATIC_ATTENUATION, quadraticAttenuation); 

gl.glLightf(GL2.GL_LIGHT0, GL2.GL_SPOT_CUTOFF, spotCutoff); 

gl.glLightf(GL2.GL_LIGHT0, GL2.GL_SPOT_EXPONENT, spotExponent); 

gl.glLightfv(GL2.GL_LIGHT0, GL2.GL_SPOT_DIRECTION, spotDirection, 0); 




Material 

Bestimmt Materialeigenschaften 

◮ Reflexion des ambienten, diffusen und spiegelnden Lichts 

◮ Eigene Lichtemission und Glänzen 

float[] matAmbient = {0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f}; 

float[] matDiffuse = {0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f}; 

float[] matSpecular = {0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f}; 

float[] matEmission = {0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f}; 

float matShininess 

= 0.0f; 

gl.glMaterialfv(GL2.GL_FRONT, GL2.GL_AMBIENT, matAmbient, 0); 

gl.glMaterialfv(GL2.GL_FRONT, GL2.GL_DIFFUSE, matDiffuse, 0); 

gl.glMaterialfv(GL2.GL_FRONT, GL2.GL_SPECULAR, matSpecular, 0); 

gl.glMaterialfv(GL2.GL_FRONT, GL2.GL_EMISSION, matEmission, 0); 

gl.glMaterialf(GL2.GL_FRONT, GL2.GL_SHININESS, matShininess); 



Material (Forts.) 

Zusammenfassen der Materialparameter zu einer Klasse 

Material material = new Material(); 

material.setAmbient(0.2f, 0.2f, 0.2f, 1.0f); 

material.setDiffuse(0.5f, 0.56f, 0.5f, 1.0f); 

material.setSpecular(Color.ORANGE); 

material.setEmission(0,0,0,0); 

material.setShininess(12.0f); 

material.bind(gl); 

deathstar.draw(gl); 


Literatur 

 

 

 

 

Dave Shreiner 

OpenGL Programming Guide 

http://www.opengl-redbook.com/ 

Richard S. Wright, Benjamin Lipchak und Nicholas Haemel 

OpenGL SuperBibel 

http://www.starstonesoftware.com/OpenGL/ 

Randi J. Rost 

OpenGL Shading Language 

http://www.3dshaders.com/ 

Tomas Akenine-Möller, Eric Haines und Naty Hoffman 

Real-Time Rendering 

http://www.realtimerendering.com/ 


Literatur 

 

 

 

Edward Angel 

Interactive Computer Graphics 

http://www.cs.unm.edu/˜angel/ 

Gerald Farin und Dianne Hansford 

Practical Linear Algebra 

http://www.farinhansford.com/books/pla/ 

Fletcher Dunn und Ian Parberry 

3D Math Primer for Graphics and Game Development 

www.gamemath.com/

Licht & Material

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