Simulation von Kunst- und Tageslicht mit dem Radiosity-Verfahren:
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INHALTSVERZEICHNIS
1. EINLEITUNG 1
1.1 PHYSIKALISCH BASIERTES RENDERING.
A. 1
1.2 ZIEL UND AUFBAU DIESER ARBEIT.5
1.3 ALLGEMEINES ZUM RADIOSITY-VERFAHREN. 7
1.3.1 FULL-MATRIX-METHODE.9
1.3.2 METHODE DES PROGRESSIVE-REFINEMENT.9
1.3.3 RAYTRACING-BASIERTE PROGRESSIVE-REFINEMENT-METHODE .10
2. STRAHLUNGSPHYSIKALISCHE UND LICHTTECHNISCHE GRUNDLAGEN 11
2.1 RADIOMETRISCHE UND PHOTOMETRISCHE DEFINITIONEN. 12
2.1.1 UMRECHNUNG VON RADIOMETRISCHEN UND PHOTOMETRISCHEN GROESSEN.12
2.1.2 STRAHLUNGSMENGE
Q(X) (LICHTMENGE Q).15
2.1.3 STRAHLUNGSFLUSS (LICHTSTROM G ) .15
2.1.4 STRAHLSTAERKE I(X) (LICHTSTAERKE T).15
2.1.5 RAUMWINKEL Q . 15
2.1.6 STRAHLDICHTE
L(X) (LEUCHTDICHTE L).18
2.1.7 SPEZIFISCHE AUSSTRAHLUNG B(X) (SPEZ. AUSSTRAHLUNG, RADIOSITY B)
.19
2.1.8 BESTRAHLUNGSSTAERKE E(X) (BELEUCHTUNGSSTAERKE E).20
2.1.9 DER LAMBERT-STRAHLER .21
2.1.10 ZUSAMMENFASSUNG.23
2.2 REFLEXION. 25
2.2.1 SPEKTRALER REFLEXIONSGRAD P(X) (REFLEXIONSGRAD P).26
2.2.2 DIE BIDIREKTIONALE REFLEXIONS-VERTEILUNGS-FUNKTION (BRDF).27
2.3 HERLEITUNG DER RADIOSITY-GLEICHUNG.29
2.3.1 STRAHLUNGSAUSTAUSCH ZWISCHEN ZWEI FLAECHEN .30
2.3.2 STRAHLUNGSAUSTAUSCH IN EINER SZENE (RENDERING EQUATION).32
3. FORMFAKTOR-BERECHNUNGSVERFAHREN 37
3.1 EIGENSCHAFTEN DER FORMFAKTOREN.38
3.2 FORMFAKTORVEREINFACHUNGEN.40
3.2.1 ERSTE FORMFAKTORVEREINFACHUNG.41
3.2.2 ZWEITE FORMFAKTORVEREINFACHUNG.42
3.2.3 FORMFAKTORGUETE.42
3.3 ANALYTISCHE FORMFAKTORBERECHNUNG.44
3.3.1 ZWEITE FORMFAKTORVEREINFACHUNG.44
3.3.2 ERSTE FORMFAKTORVEREINFACHUNG.45
VII
BIBLIOGRAFISCHE INFORMATIONEN
HTTP://D-NB.INFO/952896974
3.3.2
.1
NUSSELT-ANALOGON.
45
3.3.2.2 FORMFAKTOR EINER KREISSCHEIBE.
3.
3
.
2.3
FORMFAKTOR EINER PARALLELEN, RECHTECKIGEN FLAECHE.
46
3.3.2.4 FORMFAKTOR EINER NICHT-PARALLELEN, RECHTECKIGEN FLAECHE.48
3.3.2.5 KONTURINTEGRALDARSTELLUNG.
49
3.3.2.6 BELEUCHTUNGSVEKTORDARSTELLUNG (PRISMA-LOESUNG) .
52
3.3.2.7 PRISMA-LOESUNG .
56
3.3.3 VOLLSTAENDIGE FORMFAKTORGLEICHUNG .
57
3.3.3
.1
KONTURINTEGRALDARSTELLUNG.
57
3.3.3.2 BELEUCHTUNGSVEKTORDARSTELLUNG .
59
3.4 DIE SCHROEDER-LOESUNG.
60
3.4.1 KOORDINATENTRANSFORMATION .62
3.4.2 DER LOESUNGSWEG. 62
3.4.3 ANWENDUNGEN DIESER LOESUNG.64
3.5 RAYTRACING-BASIERTE FORMFAKTORBERECHNUNG.
64
3.5
.1
FORMFAKTOREN VIA RAYCASTING UEBER EINE DISKRETISIERTE HALBKUGEL .65
3.5.2 FORMFAKTOREN VIA RAYTRACING NACH WALLACE
ET AL.
66
3.5.3 VISIBILITAETSFAKTOR NACH HANRAHAN ET AL.
68
3.5.4 EFFIZIENZANMERKUNGEN.
70
3.6 DISKRETE FORMFAKTORBERECHNUNG.
72
3.6.1 DERHEMI-CUBE .
73
3.6.2 SINGLE-PLANE .
77
3.6.3 MODIFIZIERTE SINGLE-PLANE .
79
3.6.4 ERWEITERTE SINGLE-PLANE. GG
3.6.5 TETRAEDER. G
2
3.6.6 HEMISPHAERE. G
5
3.7 ZUSAMMENFASSUNG, BEWERTUNG UND VORSTELLUNG EINES EIGENEN
VERFAHRENS.89
3.7.1 BEMERKUNGEN ZU DEN DISKRETEN FORMFAKTOR-BERECHNUNGSVERFAHREN.90
3.7.2 DISKRETE VERSUS RAYTRACING-BASIERTE METHODEN.
91
3
.
7.3
EIN HYBRIDES FORMFAKTOR-BERECHNUNGSVERFAHREN.91
4
. AUTOMATISCHE PATCH-UNTERTEILUNG
95
4
.1
GEOMETRIEANFORDERUNGEN.
97
4.2 REGULAERE PATCH-AUFTEILUNG UND IHRE FEHLER.
9
G
4.2
.1
MITTELPUNKT- VERSUS ECKPUNKT-RADIOSITY .
99
4.2.2 FEHLENDE SCHATTEN, SCHWEBENDE OBJEKTE
(MISSING SHADOWS,FLOATING
OBJECTS) .
4.2.3 GEZACKTE SCHATTENGRENZEN
(JAGGED SHADOW BOUNDARIES).
101
4.2.4 SCHATTEN- UND LICHTLOECHER (SHADOW/LIGHT LEAKS).
102
4.2.5 NAEHTE (SEAMS, ZIP-LOCKING) .
103
4.2.6 MACH-BAENDER. JO
3
4.2.7 FORMFAKTORFEHLER . M/,
IX
4.2.8 ZUSAMMENFASSUNG UND BEWERTUNG.105
4.3 ADAPTIVE PATCH-AUFTEILUNGEN. 105
4.3.1 ADAPTIVE PATCH-AUFTEILUNG DURCH VERGLEICH ABGESCHAETZTER RADIOSITY-
GRADIENTEN NACH COHEN
ET AL
.107
4.3.2 BERUECKSICHTIGUNG DER SCHATTENKANTEN NACH SILLION.111
4.3.3 AUTOMATISCHE DATENAUFBEREITUNG UND ADAPTIVE PATCH-AUFTEILUNG
NACH BAUM
ET AL
.112
4.3.4 UNTERSUCHUNGEN VON VEDEL & PUECH .115
4.3.5 ADAPTIVE DISKRETISIERUNG NACH LANGU6NOU.116
4.4 GEOMETRISCHE REPRAESENTATION DER UNSTETIGKEITSSTELLEN. 117
4.4.1 ADAPTIVE MESH-GENERIERUNG NACH CAMPBELL.118
4.4.2 DISCONTINUITY MESHING.121
4.5 ZUSAMMENFASSUNG UND VORSCHLAG EINES AUTOMATISCHEN
UNTERTEILUNGSVERFAHRENS 126
5. RADIOSITY-VERFAHREN 133
5.1 FULL-MATRIX-METHODE. 134
5.1.1 GESAMTSCHRITT- ODER JAKOBI-VERFAHREN . 138
5.1.2 EINZELSCHRITT ODER GAUSS-SEIDEL-VERFAHREN.139
5.1.3 SOUTHWELL-RELAXATION.140
5.1.4 BEISPIELE.140
5.1.5 DISKUSSION UND BEWERTUNG.143
5.2 PROGRESSIVE REFINEMENT. 143
5.2.1 DAS VERFAHREN.143
5.2.2 BEISPIEL.146
5.2.3 RAYTRACING-BASIERTEPROGRESSIVE-REFINEMENT-VERFAHREN .147
5.2.4 VERWENDUNG EINES AMBIENTEN TERMS .148
5.2.5 DISKUSSION UND BEWERTUNG.150
5.3 OVERSHOOTING. 151
5.3.1 UNVOLLSTAENDIGE RELAXATION. 152
5.3.2 OVERSHOOTING NACH FEDA & PURGATHOFER.152
5.4 HIERARCHISCHES RADIOSITY. 154
5.4.1 ZWEI-LEVEL-HIERARCHIE.155
5.4.2 MULTI-LEVEL-HIERARCHIE .157
5.4.3 ADAPTIVES HIERARCHISCHES RADIOSITY (BF-REFINEMENT).165
5.5 VERGLEICH DER RADIOSITY-VERFAHREN. 169
5.5.1 FMS-FEHLER.170
5.5.2 KONVERGENZVERHALTEN.170
5.5.3 RECHENZEITBEDARF.171
5.5.4 SPEICHERPLATZBEDARF.172
5.6 FALLSTUDIE EINES ORAKELS FUER DEN UNVERDECKTEN FALL. 174
5.6.1 GENAUE FEHLERBETRACHTUNG.174
5.6.2 EFFIZIENTES KRITERIUM DURCH ABSCHAETZUNG EINES MAXIMALFEHLERS .177
5.6.3 VERALLGEMEINERTE MAXIMALABSCHAETZUNG ZWISCHEN ZWEI FLAECHEN
5.7 ZUSAMMENFASSUNG UND VORSCHLAG EINES AKKURATEN ORAKELKRITERIUMS.
5.7.1 KOHAERENZ DER VISIBILITAET.
5.7.2 TOPLEVEL-LINKING.
5.7.3 FORMFAKTOR-BERECHNUNG.
5.7.4 ORAKEL FUER DEN PARTIELL VERDECKTEN FALL.
5.7.5 GESAMTABLAUF.
6. RADIOSITY IN DYNAMISCHEN UMGEBUNGEN
6.1
EINLEITUNG.
6.2
DER BACK-BUFFER.
6.3 INFORMATIONSLISTEN.
6.4 INKREMENTELLES RADIOSITY-VERFAHREN.
6.5 RADIOSITY-REDISTRIBUTION.
6.6
HIERARCHISCHES RADIOSITY IN DYNAMISCHEN UMGEBUNGEN.
6.7 RADIOSITY-REPROPAGATION MIT HILFE EINER SCHATTEN-FORMFAKTOR-LISTE.
6.7.1 DIE ERWEITERUNG DER PROGRESSIVE REFINEMENT METHODE.
6.7.2 SHOOTING LISTE UND SCHATTEN-FORMFAKTOR-LISTE.
6
.
7.3
SPEICHERPLATZANFORDERUNGEN UND EFFIZIENZ.
6
.
7.4
AKTUALISIERUNG VON DIREKTEN EFFEKTEN .
6.7.5 REPROPAGATIONS-SCHRITT.
6
.
7.6
VERAENDERUNG DER SZENEN-GEOMETRIE.
6
.
7.7
REPROPAGATION KONTRA REDISTRIBUTION .
6.7.8 ERGEBNISSE .
6.7.9 ZUSAMMENFASSUNG UND BEWERTUNG
7. SIMULATION VON KUNST- UND TAGESLICHT
7.1 EINLEITUNG.
7
.2
SPEKTRALE GROESSEN UND FARBVALENZEN.
7.2
.1
UMRECHNUNG SPEKTRALER WERTE IN DAS RGB-SYSTEM.
7.2.2 BERECHNUNG LICHTTECHNISCHER GROESSEN AUS RGB-WERTEN .
7.2.3 BEISPIEL FUER DIE MITTLERE TAGESLICHT-PHASE MIT T=6504K.
7.2.4 FESTLEGUNG DES SKALIERUNGSFAKTORS S.
7.2.5 WAHL DES WEISSPUNKTES.
7.2.6 DIREKTE EINGABE VON
RGB-WERTEN .
7.2.7 DARSTELLUNG DER RG/?-ERGEBNISSE.
7.3
LVKS UND VIRTUELLE LICHTQUELLEN.
7.3.1 LICHTSTAERKEVERTEILUNGSKURVEN (LVKS).
7.3.2 VIRTUELLE PUNKTLICHTQUELLEN UND SPOTLIGHTS
7.4 TAGESLICHT.
7.4
.1
DIE BERECHNUNG DER SONNENPOSITION.
7.4.2 CIE BEWOELKTER HIMMEL .
7.4.3 CIE KLARER HIMMEL .
. 180
. 181
.182
,.182
,183
,185
,186
189
. 189
. 190
. 192
. 194
. 198
.
201
.
202
YY203
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.208
YY211
.214
.214
.216
217
217
218
.219
.222
,223
.226
.228
.229
.230
231
232
237
240
241
242
243
XI
7.4.4 DAS PEREZ-MODELL.244
7.4.5 GEMESSENE DATENSAETZE.248
7.4.6 REPRAESENTATION DER DIREKTEN SONNENEINSTRAHLUNG.248
7.5 VERFAHREN ZUR SIMULATION DES TAGESLICHTS.249
7.6 EIN RADIOSITY-VERFAHREN ZUR TAGESLICHTSIMULATION.251
7.6.1 DEFINITION DER HEMISPHAERE.251
7.6.2 DAS RADIOSITY-VERFAHREN. 252
7.6.3 ERGEBNISSE .254
7.6.4 DISKUSSION UND BEWERTUNG.I.255
8. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 259
8.1 ZUSAMMENFASSUNG.259
8.1.1 AUTOMATISCHES RADIOSITY-VERFAHREN DURCH FEHLERKONTROLLE.260
8
.1.2 INTERAKTION IN DYNAMISCHEN UMGEBUNGEN.263
8
.1.3 SIMULATION VON KUNST- UND TAGESLICHT.264
8.1.4 INTEGRIERTES GESAMTKONZEPT FUER EINE ANWENDBARES RADIOSITY-SYSTEM
. 265
8.2 AUSBLICK.
.
7
.
.266
LITERATURVERZEICHNIS 269
FARBTAFELN 285 |
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