Radiosity (Computergrafik)

Radiosity ist ein globales Beleuchtungsmodell für die 3D-Computergrafik. Es beruht auf dem Energieerhaltungssatz: Alles Licht, das eine Fläche empfängt und nicht absorbiert, muss sie wieder emittieren. Außerdem kann eine Fläche auch selbstleuchtend sein.

Im Radiosity-Verfahren wird nun für jede Fläche eine Gleichung aufgestellt, die das emittierte Licht aus dem von den anderen Flächen empfangenen Licht und evtl. ihrer eigenen Leuchtkraft bestimmt. Insgesamt ergibt sich damit ein Gleichungssystem, dessen Lösung die Helligkeit jeder einzelnen Fläche angibt.

Vorteile

Ein Vorteil des Radiosity-Verfahrens ist, dass die Berechnung vom Standort und Blickwinkel des Betrachters unabhängig erfolgt. Die Radiosity-Berechnungen müssen so für eine Szene nur ein Mal berechnet werden. Danach kann die Szene in Echtzeit gerendert werden, was für Anwendungen wie virtuelle Architekturmodelle interessant ist.

Diffuse Lichtreflexionen sind im Radiosity-Verfahren enthalten. Die Helligkeit und Farbe einer Fläche wird nicht allein aufgrund der direkten Beleuchtung einer Lichtquelle, sondern auch durch diffus reflektiertes Licht anderer Flächen bestimmt. Ein Beispiel dafür ist ein Zimmer, das durch einfallendes Sonnenlicht nicht nur an den beschienenen Stellen, sondern auch insgesamt heller wird.

Durch Photon-Mapping, Monte-Carlo-Raytracing, BRDF-Simulation, BSSRDF-Simulation, BTDF-Simulation u.a. ist es möglich, auch kompliziertere Interaktionen zwischen Strahlern und Reflektoren zu simulieren.

Nachteile

Hauptnachteil des Radiosity-Verfahrens war, dass es bisher nur diffuse Reflexion kannte. Spiegelnde Flächen ließen sich mit dieser Methode nicht berechnen. Mittlerweile existieren aber auch Lösungen, die Interaktionen zwischen diffusen, spekularen und transluzenten (Transluzenz) Flächen in beliebiger Kombination ermöglichen. Diese Möglichkeiten existieren aber überwiegend noch im akademischen Bereich und werden wahrscheinlich erst in naher Zukunft in den kommerziellen Bereich vordringen. Realisiert ist schon die Simulation transluzenter Objekte in diversen kommerziellen Softwarepaketen.

Gleichung

Mathematisch besteht das Verfahren in der Lösung des Gleichungssystems

$B_{i}=E_{i}+\rho \sum _{j=1}^{n}B_{j}F_{ij},1\leq i\leq n$

mit

$E_{i}$ = Von der Fläche i abgegebene Eigenstrahlung

$\rho _{i}$ = Reflexionsvermögen der Fläche i

$n$ = Anzahl der Flächen

$F_{ij}$ = Anteil an der von Fläche j abgegebenen Energie, die auf Fläche i auftrifft, genannt Formfaktor

$B_{i}$ = gesamte von Fläche i abgestrahlte Energie (Summe aus Eigenstrahlung und Reflexion als Energie pro Zeit und pro Flächeneinheit), genannt Radiosity der Fläche i

Für die Lösung des Gleichungssystems kann ein iteratives Verfahren angewendet werden, das gegen die exakte Lösung konvergiert. Damit ist ein frei wählbarer Kompromiss zwischen Darstellungsqualität und Rechenzeit möglich.

Weblinks

• Uni Osnabrück

Siehe auch: BRDF, BTDF, Photon-Mapping, Raytracing, SSS