Raytracing   • Raytracing •

< Raytracing

< IBL und HDRI


> Intro

• Übersicht

> Korrektur

> HDRI und Gamma


 

— IBL und HDRI: HDRI für IBL, Übersicht —

Einführung

Was sind bedeuten HDRI und IBL überhaupt?
Für HDRI braucht es kein IBL aber für IBL wird ein HDRI benötigt, und zwar in Form eines Panoramas, welches eine ganze Kugelinnefläche belegt. IBL steht für Image Based Light, also bildbasierendes Licht. HDRI steht für High Dynamic Range Image, Bild mit hoher Dynamik.

IBL ist eine natürlichere Methode, um eine 3D Szene, welche mit einem Simulator – einem Raytracing Program – erstellt wird, zu beleuchten. Ohne IBL wird die Szene durch eine Sonne und möglicherweise weiteren Lichtquellen beleuchtet. Obwohl die Lichtquellen eine Ausdehnung aufzuweisen scheinen, werden sie vom Raytracer als eindimensionale Punkte gesehen und von einer solchen können keinen Strahlen gefolgt und berechnet werden. Das bedeutet, dass auf einem Körper keine Reflexionen vom Licht abgebildet werden können.

Aus diesem Grund wurde ein Glanzkanal eingeführt, welcher die Reflexion des Lichtes auf dem Körper simuliert. Wird die Szene unter IBL gerendert, hat der Glanzkanal weniger Bedeutung, denn das für IBL eingesetzte Bild ist nicht eindimensional punktförmig, sondern ist um die ganze Szene angeordnet und der Raytracer kann den Strahlen des Lichts folgen und die Reflexionen auf dem Körper berechnen.

Der Computerbildschirm stellt Bilder mit einem Kontrast von 1:256 pro Farbe rot, grün und blau dar. In der Natur ist der Kontrastumfang – der Dynamikbereich – im Bereiche von 1:2 Milliarden. Das mit einer Digitalkamera gemachte Foto hat auch nur eine Dynamik von 1:256, falls es im Rohformat gespeichert wird, bestenfalls eine von 1:65'536. Das HDR Format speichert Bilder mit einer Dynamik von 1:4 Milliarden für jede der drei Farben.

Um sich auf dem Bildschirm ein als HDR gespeichertes Bild ansehen zu können, benötigt man ein entsprechendes Anzeigeprogramm, bei welchem man durch die Helligkeitstufen blättern kann, die gespeichert sind.

Bilder mit einem Dynamikumfang von mehreren zehn oder hundert Tausend können als Lichtquellen für IBL benutzt werden, um eine Szene zu beleuchten. Der Raum ist um die auf dem Tisch stehende Vase angeordnet und die Landschaft mit Himmel und Boden um die Außenaufnahme. Man kann sich vorstellen, dass sich der Gegenstand, die Kamera und der Betrachter oder die Betrachterin in einer riesigen Kugel befinden. Auf die Innenseite dieser Kugel wird das HDRI proijziert und beleuchtet das Innere der Kugel. Deshalb wird ein entsprechendes Panorama HDRI benötigt.

Unter dem Thema «3D Welt» wird das Erstellen von zylindrischen, sphärischen und kubischen Panoramen diskutiert, die schließlich als animierter QTVR Film betrachtet werden können. Hier aber werden Panoramen zu einem anderen Zweck benötigt. Daher muss man sich hier erneut mit der Erzeugung von Panoramen beschäftigen, die sich für HDRI und IBL eignen. Man wird sich auch überlegen müssen, in welcher räumlicher Auflösung das HDR Panorama-Bild vorliegen muss.


Projektionen für Panoramen

Es gibt mehrere Wege, Panoramen zu erstellen, die auf die Innenwand einer Kugel projiziert werden können. Sie werden hier gezeigt. Damit man sich darunter auch etwas vorstellen kann, gehen wir hier von einer Normszene aus.

In Wings3D wurde ein kugelförmiger Käfig erstellt. Die Rippen folgen sich im Abstand von 30°, sowohl horizontal wie vertikal. Mit Elefont wurden die Ziffern erstellt, welche die Richtung zeigen.

Standard

Eine einzelne kugelörmige Lichtquelle befindet sich etwas links, oberhalb und vorne des Zentrums und gewährleistet die Beleuchtung. Der Käfig steckt in einer großen Kugel, auf welche der Käfig Schatten wirft. Je nach der verwendeten Methode steht entweder die Kamera im Zentrum oder eine Spiegelkugel.

Das Bild oben zeigt den Sachverhalt in der Übersicht. Die Kamera wurde aus der äußeren Kugel genommen, welche zu 75% transparent gemacht wurde.


Kubische Methoden

Bei der kubischen Methode werden die sechs Seiten eines Würfels gerendert. Die Kamera steht im Zentrum, ihr Sichtwinkel ist auf 90° gestellt und das Dokument ist quadratisch (Bryce: Blickfeld = 90°, Skalierung = 72.5%). Es wird je ein Render erstellt bei der Kamera Drehung 0°, 90°, 180° und 270°. Dann wird die Kamera auf Y = 0° zurückgesetzt und noch je ein Render mit der Kamera Neigung X = -90° und X = 90° gemacht. Damit sind die Würfelseiten, der Deckel und der Boden gerendert.

Aus den 6 Würfelseiten kann ein kubischer QTVR Film erstellt werden. Hier werden sie aber benötigt, um an die Innenseite einer Kugel zu projizieren. Manche Konverter können mit den sechs Bildern so nichts anfangen und benötigen ein einziges Bild. Die Einzelbilder müssen daher in einem Bildbearbeitungsprogramm zusammen gestellt werden.

HCF

Das Bild oben hat die sechs gerenderten Würfelseiten als horizontales Kreuz (horizontal cross cube format) zusammengestellt. Die einzelnen Bilder müssen nahtlos aneinander gefügt sein. Hier wurde ein kleiner Abstand gelassen, um die einzelnen Bilder hervorzuheben, aus welchen dieses horizontale Kreuz zusammen gestellt wurde.

VCF

Andere Programme erwarten ein vertikales Kreuz (vertical cross cube format). Ein solches ist oben gezeigt. Das VCF unterscheidet sich vom HCF einzig durch die Position der Würfel Rückseite (oder Südseite). Sie bildet den Fuß des Kreuzes und ist um 180° gedreht.

Man muss sich vorstellen, wie der Würfel aus dieser Abwicklung gefaltet wird um zu verstehen, weshalb die Rückseite auf dem Kopf stehen muss. Auch hier müssen die einzelnen Bilder nahtlos aneinander angefügt sein.


Spiegelkugel Methode

Hier wird die Reflexion der Umgebung auf einer spiegelnden Kugel aufgenommen. In der Szene ersetzt die Kugel die Kamera, welche zur├╝ckgesetzt wird. Die Methode mit der Spiegelkugel (mirror ball) kann auch mit einer Kamera benutzt werden, um ein Panorama aufzunehmen. Jedenfalls ist es die kostengünstigste Methode. Wird aus einer gerenderten Szene ein Panorama erstellt, ist die Methode mit den sechs Würfelseiten der Spiegelkugel vorzuziehen.

Um mit einer Spiegelkugel dieselbe Auflösung zu erreichen, wie mit der Würfelmethode, muss der Durchmesser der Kugel 2.773 mal größer gewählt werden als eine Würfelseite. Gerendert werden muss eine Fläche, die 27.3% größer ist als die Nutzfläche, also der Scheibe der Spiegelkugel. Das sind Nachteile.

Eine frei stehende Kugel spiegelt nicht nur den ihr zugewandten Teil der Umgebung sondern auch was sich hinter ihr befindet. Allerdings wird jener Teil am Rand der Kugel gespiegelt und es steht eine kleinere Fläche für eine bestimmte Ausdehnung zur Verfügung als für jene auf der Vorderseite. Zusätzlich verdeckt die Kugel selbst einen Teil der Umgebung und das zeigt sich als schwarzer Fleck.

Je kleiner der Durchmesser der Spiegelkugel, desto kleiner fällt der schwarze Fleck aus. Dafür wird die Umgebung hinter der Kugel auf noch engerem Raum zusammen gepresst. Benutzt man eine Spiegelkugel um eine Umgebung zu fotografieren, ist ausgerechnet die Kamera und der Fotograf in bester Qualität abgebildet.

Man macht deshalb mehr als eine Aufnahme von der Spiegelkugel. Dabei bewegt man die Kamera in einem gedachten Kreis um die Spiegelkugel und fotografiert sie von der Seite. Auch wenn man die Abbildung auf einer Spiegelkugel rendert sollte man von mehreren Seiten einen Render machen. Hat man zwei oder drei Aufnahmen, lassen sich Fotograf und Kamera entfernen. Die mit niederer Qualität abgebildeten Teile können ersetzt werden.

Noch ein wichtiger Hinweis: Die Kugel sollte von möglichst weit weg aufgenommen werden. Erstens werden Kamera und Fotograf kleiner und sind einfacher zu entfernen. Zweitens soll der Kamerawinkel sehr klein sein. Bei Aufnahmen mit der Kamera verwendet man das stärkste Teleobjektiv, das man hat und geht nur so nah an die Kugel, als nötig, um die Kugel bildfüllend aufnehmen zu können. Den Blickwinkel der Bryce Kamera stellt man auf weniger als 10°.

Vier Render der Spiegelkugel. Natürlich sind die Bilder spiegelverkehrt, es sind ja auch Aufnahmen eines Spiegels. Die Kamera wurde an vier Orten um die Kugel platziert und die Abbildung gerendert.

000

Die Verzerrungen am Rande der Kugel sind offenkundig. Mit den vier Rendern aus verschiedenen Blickrichtungen kann das Panorama korrigiert werden. Doch ist dies in dieser Projektion sehr schwierig. Dazu werden diese Projektionen später in eine andere konvertiert.


Die Himmelskuppel

Himmelskuppeln können mit einem Fischaugenobjektiv direkt fotografiert werden. Dabei liegt die Kamera auf dem Boden und schaut in den Zenith. Das aus dieser Aufnahme entstehende Panorama ist unvollständig, aber für gewisse Anwendungen vollauf genügend. Was fehlt, ist der Teil vom Horizont in den Nadir; man hat nur den Teil vom Horizont zum Zenit.

Skydome

Auch mit Bryce kann ein Himmelskuppel Panorama in einem Durchgang erstellt werden. Man stellt eine spiegelnde Kugel auf den Boden und platziert die Kamera hoch über die Kugel und läßt sie zu dieser hinunter schauen (X=90°). Sie soll hoch oben sein und der Blickwinkel klein, wie für ein Spiegelkugel Panorama. Auch ist das Dokumentformat quadratisch zu wählen. Der einzige Unterschied ist, dass die Kamera um 90° geneigt ist. Es wird auch der Boden in der Kugel gespiegelt, aber der Teil unterhalb des Horizontes wird später abgeschnitten und das Bild zurück in die Horizontale gekippt.


Zusammenfassung

Panoramen, die sich für IBL eignen, können auf verschiedene Weise erstellt werden. Kubische Umgebungen erstellt man aus den sechs Seiten eines Würfels und stellt die Einzelbilder zu einem horizontalen oder vertikalen Kreuz zusammen. Dies ist die beste Methode, mit Bryce ein Panorama zu erstellen: Die Qualität ist am Höchsten, die Renderzeit am Kürzesten und es wird nur wenig zusätzliche Arbeit mit einem Bildbearbeitungsprogramm benötigt.

Die Methoden mit der Spiegelkugel und der Himmelskuppel eignen sich für Fotografien. Mit Bryce können diese Methoden ebenfalls benutzt werden. Sie sind aber arbeitsintensiv.

Es kommt nämlich noch mehr Arbeit. Zuerst müssen die Aufnahmen korrigiert werden. Und man hat noch kein HDRI – man hat erst gelernt, wie ein geeignetes Panorama erstellt werden kann. Um ein HDRI zu bekommen, benötigt man mehrere Aufnahmen oder mehrere Render. Das bedeutet, dass die ganze Arbeit der Korrektur auch mehrfach anfält. Man wird später mehrere verschieden belichtete Panoramen zu einem HDRI kombinieren.

 
  © 2004 - 2018 by Horo Wernli.