Lichtquellen

In den meisten Grafiksystemen werden vier Modelle von Lichtquellen definiert:

• Umgebungslicht (ambient light),
• gerichtetes Licht (directed light oder infinite light),
• Punktlicht (point light oder positional light),
• Strahler (spot light).

Abbildung 17.3: Vier Modelle von Lichtquellen (schematisch)

Das einfachste Lichtmodell ist das Umgebungslicht, das durch eine konstante Intensität $I_a$ definiert ist. Diese ungerichtete Hintergrundbeleuchtung simuliert das Licht, das durch Reflexion an den einzelnen Gegenständen überall in einer Szene vorhanden ist und dessen Quelle nicht feststellbar ist.

Gerichtetes Licht ist definiert durch eine Intensität $I$ und eine Lichtrichtung $\mathbf{l}_ d$. Es ist gekennzeichnet durch Lichtstrahlen, die parallel aus dem Unendlichen in eine bestimmte Richtung strahlen, vergleichbar mit dem Sonnenlicht.

Ein Punktlicht mit der Intensität $I_0$ hat eine Position $\mathbf{L}_p$ im Raum (WC), von der aus es in alle Richtungen gleichförmig abstrahlt wie eine Glühbirne. Die Intensität des Lichts nimmt mit zunehmender Entfernung $r$ ab nach der Formel

$$I (r) = \frac{I_0}{C_{1} + C_{2} \cdot r}.$$

Dabei bezeichnet $r$ den Abstand von der Punktlichtquelle. $C_1$ und $C_2$ heißen Abschwächungskoeffizienten (attenuation coefficients, $C_1 \geq 1$, $C_2 \geq 0$).

Das aufwendigste Lichtmodell ist der Strahler (Spot). Dieser hat wie das Punktlicht eine Intensität $I_0$, eine Position $\mathbf{L}_p$ sowie die Abschwächungskoeffizienten $C_1$ und $C_2$. Dazu kommt eine bevorzugte Lichtrichtung $\mathbf{l}_ d$, um die herum das Licht nur im Winkel $\alpha_s$ (spread angle) abgestrahlt wird. Außerhalb dieses Lichtkegels ist die Intensität Null. Der concentration exponent $L_e$ definiert, wie stark die ausgesandte Lichtenergie mit zunehmendem Winkel zwischen $\mathbf{l}_ d$ und der Strahlrichtung $\mathbf{r}$ abnimmt. Die Abnahme ist proportional zu

$$\cos ({\bf r} ,{\bf l}_d )^{L_e}$$

innerhalb des durch $\alpha_s$ definierten Lichtkegels. Je größer $L_e$, um so stärker ist die Intensität im Zentrum des Lichtkegels gebündelt.

Abbildung 17.4: Lichtintensitätsverteilung beim Strahler (schematisch)