Einsteigerguide: Was ist Radiosität?

Radiosität ist ein globaler Illumination-Algorithmus, der beim 3D-Computergrafik-Rendering verwendet wird. Im Gegensatz zu direkten globalen Illumination-Algorithmen (z.B. Raytracing), die dazu neigen, Licht zu simulieren, das nur einmal von jeder Oberfläche reflektiert wird, simulieren globale Illumination-Algorithmen wie Radiosität die vielen Reflexionen des Lichts um eine Szene herum, was im Allgemeinen zu weicheren, natürlicheren Schatten und Reflexionen führt.

Die Radiosität als Rendering-Methode wurde 1984 von Forschern an der Cornell Universität in ihrer Arbeit „Modellierung der Wechselwirkung von Licht zwischen diffusen Oberflächen“ eingeführt. Die Theorie wurde in der Technik zur Lösung von Problemen bei der Strahlungswärmeübertragung seit etwa 1950 verwendet.

Bemerkenswerte kommerzielle Radiosity-Engines waren Lightscape und vor kurzem Maxwell-Renderer von Next Limit.

Auch Radiance, ein Open-Source-Synthetikbildsystem, das nach physikalisch exakten Blitzeffekten sucht, nutzt die Radiosity-Methode.

Visuelle Merkmale.

Die Einbeziehung von Radiosity-Berechnungen in den Rendering-Prozess verleiht der fertigen Szene aufgrund der Art und Weise, wie sie reale Phänomene nachahmt, oft ein zusätzliches Element des Realismus. Denken Sie an eine rote Kugel, die auf einem weißen Boden sitzt.

Das Licht trifft auf den Ball, wirft einen Schatten und reflektiert eine winzige Menge an rotem Licht auf umliegende Objekte – in diesem Fall auf den Boden. Dieses Phänomen verleiht dem weißen Boden in der Nähe des Balles einen rötlichen Farbton. Der Effekt ist subtil, aber da das menschliche Auge an sein Pendant in der realen Welt gewöhnt, hilft es, die Illusion des Realismus zu erzeugen.

Physikalische Eigenschaften.

Die grundlegende Radiosity-Methode hat ihre Basis in der Theorie der Wärmestrahlung, da die Radiosität auf der Berechnung der zwischen zwei Oberflächen übertragenen Lichtenergie beruht. Um die Berechnungen zu vereinfachen, geht der Radiosity-Algorithmus davon aus, dass diese Menge über die Oberflächen (perfekte oder ideale Lambert`sche Oberflächen) konstant ist. Das bedeutet, dass zur Berechnung eines genauen Bildes die Geometrie in der Szenenbeschreibung in kleinere Bereiche oder Patches zerlegt werden muss, die anschließend für das endgültige Bild wieder zusammengesetzt werden können.

Nach dieser Aufteilung kann die Menge der Lichtenergieübertragung berechnet werden, indem das bekannte Reflexionsvermögen des reflektierenden Flecks mit dem Formfaktor der beiden Flecken kombiniert wird. Diese dimensionslose Größe wird aus der geometrischen Orientierung der beiden Flecken berechnet und kann als der Bruchteil der gesamten möglichen emittierenden Fläche des ersten Flecks interpretiert werden, der vom zweiten Fleck abgedeckt wird.

Korrekterweise ist die Radiosität die Energie, die die Patch-Oberfläche pro diskretem Zeitintervall verlässt und stellt die Kombination von emittierter und reflektrierter Energie dar:

Wo:

• B ist die Radiosität von Patch i.
• Ei ist die abgestrahlte Energie.
• Ri ist das Reflexionsvermögen des Flecks, wobei die reflektierte Energie durch Multiplikation mit der einfallenden Energie entsteht.
• Alle j (j≠i) in der gerenderten Umgebung werden für BjFjidAj integriert, um die Energie zu bestimmen, die jeden Fleck j verlässt, der bei Fleck i ankommt.
• Fji ist ein konstanter Formfaktor für die geometrische Beziehung zwischen dem Patch i und jedem Patch j. Die Energie, die von anderen Patches kommt, wird in BjFjidAj integriert.

Die Reziprozität:

ergibt:

Aus Gründen der Benutzerfreundlichkeit wird das Integral ersetzt und eine konstante Strahlungsintensität über den Patch angenommen, was die Handhabung vereinfacht:

Diese Gleichung kann dann auf jeden Patch angewendet werden. Zudem ist diese monochromatisch, so dass das Color Radiosity Rendering für jede der erforderlichen Farben berechnet werden muss.

Die Konstante Fji kann auf verschiedene Arten berechnet werden. Frühe Methoden benutzten einen Hemikubus (ein imaginärer Würfel, der auf die erste Fläche zentriert ist, auf die die zweite Fläche projiziert wurde, entwickelt von Cohen und Greenberg im Jahr 1985), um den Formfaktor zu approximieren, was auch das dazwischenliegende Patch-Problem löste.

Dies ist ziemlich rechenaufwändig, da idealerweise Formfaktoren für jedes mögliche Flächenpaar abgeleitet werden müssen, was zu einem quadratischen Anstieg der Berechnung mit zusätzlicher Geometrie führt.

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