Beleuchtung in der 3D - Computergrafik / Allgemein

Einer der wichtigen Abschnitt in der 3d-Computergrafik stellt die Beleuchtung dar. Ähnlich wie in den Bereichen Foto, Film und Video definiert Licht wie Objekte wahrgenommen werden. Das Beleuchtungsdesign in einer 3d-Szene ist vergleichbar mit einer realen Beleuchtung, die Regeln und Funktionsweisen der Lichtquellen sind jedoch sehr unterschiedlich. Die Lichtquellen der 3d-Computergrafik sind angelehnt an die in unserer natürlichen Umgebung vorkommenden Lichtquellen . Beispielsweise können Umgebungslichter, Punktlichter oder Spotlichter definiert werden, um Szenen möglichst realistisch auszuleuchten. Diese Lichtquellen bieten aber noch weitere unrealistische Eigenschaften, die in der realen Welt nicht bzw. nur sehr aufwendig erzielt werden können. So ist es möglich Lichtquellen zu definieren, die unendlich weit mit gleicher Intensität strahlen, die durch bestimmte Objekte hindurchleuchten, die keine Schatten werfen und die nur bestimmte Objekte beleuchten und andere ausschließen. Es gibt auch negative Lichter, die beleuchtete Teile abdunkeln.

In der realen Welt werden Lichtstrahlen, die auf Objekte auftreffen, weitergeleitet. Lichtstrahlen beginnen bei einer Lichtquelle wie Sonne oder Lampe und werden beim Aufprall auf eine Fläche entweder weitergeleitet oder absorbiert. Ein Photograph setzt zuerst das Licht und reguliert durch die Blende das einfallende Licht – sowohl direktes als auch indirektes Licht. Die indirekte Beleuchtung funktioniert in der 3d- Beleuchtung entscheidend anders. Bei einem Standardrenderer wie z.B. Raycasting werden die Flächen ausschließlich direkt beleuchtet. Die Flächen leiten kein Licht weiter. Es handelt sich dabei um sogenannte lokale Beleuchtungsmodelle.

Beleuchtung in der realen Welt Durch die Einstellungen der Lichtquellen wird die Ausleuchtung einer Szene definiert. Die Lichtmenge, die für die Erstellung des finalen Bildes verwendet wird, reguliert die Kameraeinstellung.	Digitale Beleuchtung Die Lichtintensität wird bei den Lichtquellen eingestellt. Bei einem Standardrenderer muss indirekte Beleuchtung durch weitere Lichtquellen simuliert werden. Diese Lichtquellen produzieren meist weiches Licht.
Die Szene wird entweder direkt, indirekt oder gemischt beleuchtet. Beleuchtete Flächen reflektieren bzw. absorbieren Licht je nach Oberflächeneigenschaften. Direktes Licht ist meist hart, indirektes reflektiertes Licht ist weicher.	Das Blickfeld der Kamera wird nach den Rendereinstellungen in Bildpunkte eingeteilt. Diese werden von der Kamera aus berechnet.
Die Lichtintensität wird mittels Belichtungsmesser ermittelt. Dadurch kann die geeignete Blendeneinstellung für die Kamera bestimmt werden.	Nach den Einstellungen der einzelnen Flächen- und Materialeigenschaften werden die Lichtinformationen verarbeitet.
Kameraeinstellungen wie F-Stop, Shutter angle, exposure time und Filmgeschwindigkeit definieren die Lichtmenge.	Die Lichteinstellungen wie Intensität, Farbe und Lichtabfall steuern die Beleuchtung dieser Flächen.

Die meisten 3d-Programme stellen viele verschiedene Arten von Lichtquellen zur Verfügung. Generell werden folgende Lichtquellen unterscheiden:

 

	Ambiente Lichtquellen: Name: Ambiente Lichtquelle, Umgebungslicht, Allgemeine Definition: Modell für indirekte Beleuchtung, Grundhelligkeit; Ambiente Lichtquellen strahlen in alle Richtungen gleich intensives Licht und sorgen für eine allgemeine Grundhelligkeit. Dieses Licht erzeugt flache, eintönige Farbschattierungen und ist in der Regel nicht besonders rechenintensiv, da es kein Glanzlicht erzeugt und keinen Lichtabfall besitzt. Die Positionierung der Lichtquelle ist somit irrelevant. Die alleinige Verwendung von ambientem Licht macht keinen Sinn, da die Objekte vollkommen flach wirken würden. In Kombination mit anderen direkten Lichtquellen kann damit die Grundhelligkeit gesteuert werden. Nicht bei allen 3d -Programmen erfolgt die Steuerung des Umgebungslichtes durch eine Lichtquelle. Das Ambient Light in Maya kann durch spezielle Einstellungen von einer Punktlichtquelle zu einer ambienten Lichtquelle umgestellt werden. In 3ds max steht keine ambiente Lichtquelle zur Verfügung. Die Grundhelligkeit wird hier im Enviromentsetup durch einen Farbwert eingestellt. In der Standardeinstellung ist die Ambientfarbe in 3ds max (Global Lighting) schwarz und somit deaktiviert.
	Punktlichtquelle: Name: Punktlicht, Omnidirektionales Licht, Omni Allgemeine Definition: direkte Beleuchtung, Lichtquelle klein im Verhältnis zur Objektgröße, strahlt in alle Richtungen;
	Spotlichtquelle: Name: Spotlicht Allgemeine Definition: direkte Beleuchtungsquelle, Emittiert nur in einem begrenzten Kegel mit abnehmender Intensität im Verhältnis zu den Rändern hin.
	Richtungslichtquelle: Name: Gerichtetes Licht, Direktionales Licht, Sonnenlicht, Distanzlicht, direktes Licht; Allgemeine Definition: direkte Beleuchtung, Lichtquelle im Unendlichen, paralleler Einfall
	Flächenlichtquelle: Name: Area Light, Bereichslichter, Allgemeine Definition: direkte Beleuchtung, Lichtquelle relativ groß im Verhältnis zu Objektgröße, flächig, begrenzt;