Lichttransmission bei Blättern (Transluzenz)

Im Falle von Pflanzen tritt der Effekt der Transluzenz in erster Linie bei lichtdurchlässigen Blüten- und Laubblättern auf. Hervorgerufen wird dieser durch die Eigenschaft der Blätter,

Abbildung 45: Lokale Schattentextur, globale Schattentextur und Resultat der Kombination beider Texturen

Kapitel: Darstellung der Daten 89 5.3 Natürliche Beleuchtungsphänomene

verschiedene Wellenlängen des einfallenden Sonnenlichts unterschiedlich stark zu absorbi e-ren, zu reflektieren oder durch die Blattschichten hindurch zu leiten (Transmission). In Abbil-dung 46 wird das daraus resultierende Erscheinungsbild anhand zweier Fotografien deutlich.

Mit visuell hervorragenden Ergebnissen bei der Nachbildung globaler Beleuchtungsverhält-nisse während der Echtzeitdarstellung von Pflanzenmodellen konnte 2005 die Gruppe von L.

Wang et al. [53] aufwarten.

Wie in Abschnitt 2.4 beschrieben, verzichtete die Gruppe auf den Versuch einer möglichst exakten Simulation des Schichtenaufbaus von Blättern. Stattdessen verwendeten sie eine Laser-Light-Scattering-Apparatur (LLS), um die Daten zur Bestimmung der Reflexions- und Transmissionseigenschaften realer Blätter einfach messen zu können. Mit Hilfe von Texturen werden die so gewonnen Werte für die BRDF (bidirektionale Reflexionsverteilungsfunktion) und die BTDF (bidirektionale Transferverteilungsfunktion) zur Verfügung gestellt. Das para-metrisierte Blattmodell besteht dabei aus zwei Paaren von BRDFs und BTDFs. Ein Paar be-schreibt die Reflexions- und Transmissionseigenschaften der Blattvorderseite, das andere die Eigenschaften der Rückseite der Blätter. Für die BTDF wird dabei die Dicke des Blattes mit Hilfe einer Textur vermerkt. Für die BRDF werden Albedoeigenschaften sowie die Charakte-ristika der Spekularität (Intensität und Rauheit) in Texturen gespeichert.

Die schmalfrequenten Informationen der globale Beleuchtungseffekte, die aus dem Umg e-bungslicht resultieren, lassen sich sehr gut mit Hilfe von sphärischen Funktionen beschrei-ben. Dieser Ansatz wird bei L. Wang et al. in einem separaten Berechnungsschritt ange-wandt. Für das breite Frequenzband direkten Sonnenlichts ist diese Methode jedoch nicht geeignet. Deshalb berechnen L. Wang et al. die Sichtbarkeit der Sonnenlichtquelle für jeden einzelnen Vertex des Modells für alle Lichtrichtungen innerhalb eines Vorverarbeitung s-schrittes. Dadurch lassen sich die Effekte der Beschattung und der Transluzen z während der Darstellung in hoher Qualität realisieren, wie in Abbildung 47 zu sehen ist:

Abbildung 46: Sichtbarer Effekt der Lichttransmission (Transluzenz) an der Unterseite von realen Laubblättern

Kapitel: Darstellung der Daten

90 5.3 Natürliche Beleuchtungsphänomene

Leider liegt in dieser Vorgehensweise die größte Einschränkung dieses Verfahrens in Bezug auf die Anwendung bei der Visualisierung komplexer Vegetationsszenarien. Die Autoren speichern die Daten für die eben beschriebene Sichtbarkeit der Sonnenlichtquelle (Light-Visibility Convolution (LVC)) in einer sechsseitigen kubischen Umgebungstextur ab. Bei einer Szenenkomplexität von gerade mal 100.000 Vertices beträgt der Speicherplatzbedarf für diese Textur bereits 600 MB. Durch Kompression lässt sich die Speichermenge auf etwa 100 MB reduzieren.

Daraus ergeben sich nun mehrere Probleme. Eine einzelne kubische Textur für ein komplet-tes Szenario mit über 100 Milliarden Vertices ist undenkbar. Es wäre jedoch ein ähnlicher Ansatz wie bei meinen Schattentexturen denkbar. Für die detaillierte Darstellung wird pro Pflanze eine eigene LVC-Textur angelegt, die auch für alle Instanzen verwendet wird. Für einzelne Szenenabschnitte (Geländequads) wird dann nur noch eine niedriger aufgelöste LVC-Textur benötigt, um die Sichtbarkeit des Sonnenlichtes zwischen großen, verdeckenden Pflanzen und kleinen verdeckten Pflanzen behandeln zu können.

Anhand der Speicherbedarfangaben der Autoren wären jedoch allein für die modellbezoge-nen LVC-Texturen minimal 5 GB Texturdaten nötig, um die 257 Modelle des ElmshangSzenarios erfassen zu können. Die für die einzelnen Geländeabschnitte benötigten LVC -Texturen kämen dann noch hinzu. Dieses hohe Datenaufkommen wäre nach heutigen Ge-sichtspunkten nur schwer handhabbar und würde eine interaktive Darstellung komplexer Szenarien nicht ermöglichen. Um den Effekt der Transluzenz trotzdem einsetzen zu können, habe ich nach einer Möglichkeit gesucht, die Lichttransmission ohne zusätzlichen Speicher-aufwand nachzubilden, ohne sie exakt simulieren zu müssen.

Dazu habe ich mich genauer mit dem Reflexions-, Absorptions- und Transmissionsverhalten chlorophyllhaltiger Pflanzenblätter beschäftigt. In der 1973 von H. W. Gausman und W. A.

Allen [91] veröffentlichten Arbeit wurden genau diese Eigenschaften anhand 30 ausgewähl-ter Pflanzenarten unausgewähl-tersucht. Für den sichtbaren Teil des Lichtspektrums lässt sich danach folgende Aussage treffen: Licht der Wellenlänge 500 nm bis 550 nm wird zu einen Großteil reflektiert, wobei bei 550 nm ein Reflexionspeak auftritt. Licht der Wellenlänge 400 nm bis

Abbildung 47: Ansichten mit der Umsetzung globaler Beleuchtungseffekte während der Echtzeitdarstellung, Quelle: [53]

Kapitel: Darstellung der Daten 91 5.3 Natürliche Beleuchtungsphänomene

500 nm und 600 nm bis 700 nm wird größtenteils absorbiert, hierbei wird vom Absorptions-band gesprochen.

In Abbildung 48 ist gut zu erkennen, dass hauptsächlich Licht zwischen den Wellenlängen 550 nm bis 600 nm mittels Transmission durch die Blattschichten weitergeleitet wird. Scheint die Sonne also direkt auf die Vorderseite eines Blattes, so entsteht auf der Rückseite für das menschliche Auge der Eindruck der Vergelblichung des ursprünglichen Grüntons. Bei anders-farbigen Blütenblättern treten ähnliche Effekte auf. Bei roten Blütenblättern wird der Rota n-teil des Lichtes reflektiert, während der Grünann-teil absorbiert wird. Somit tritt auch hier der Effekt der Vergelblichung auf, das ursprüngliche Rot verlagert sich mehr in ein Orange.

Bei gelben Blütenblättern tritt in Folge der Transluzenz kaum eine Farbveränderung an der Rückseite der Blätter auf, da sowohl Grün- als auch Rotanteil des Lichtes absorbiert werden.

Bei blauen Blütenblättern wird nur ein gewisser Teil des Lichtes im roten Bereich des sicht-baren Spektrums mittels Transmission durch die Blütenschicht geleitet. Der ursprüngliche Farbton verschiebt sich damit für das menschliche Auge ins Violette.

Die so gewonnenen Erkenntnisse lassen sich relativ leicht auf das RGB-Farbmodell übertra-gen und ressourcensparend mittels Berechnunübertra-gen im Fragmentshaderprogramm in Echt-zeitumgebungen implementieren. Dabei gilt die folgende simple Regel: Sollte Grün die do-minierende Farbe des aktuellen Fragments sein, so wird der Wert des Grünkanals maximiert und der Wert des Rotkanals um denselben Wert angehoben. Der Wert des Blaukanals bleibt unverändert. Der ursprüngliche Grünton wird demzufolge leicht nach Gelb verschoben. Sol l-te Rot die vorherrschende Farbe sein, so wird der Wert des Rotkanals maximiert und der Wert des Grünkanals dementsprechend verändert. Auch hier bleibt der Blaukanal unang e-tastet. Der anfängliche Farbton wird also leicht nach Orange verschoben. Bei Blau als domi-nierende Farbe wird der zugehörige Wert des Kanals maximiert und die Werte des Grün- und Rotkanals mit jeweils der Hälfte des entsprechenden Wertes addiert.

Exemplarisch ist diese Farbtonverschiebung anhand einiger Beispielfarben in Abbildung 49 dargestellt:

Abbildung 48: Farbige Hervorhebung des Transmissionsanteils des sichtbaren Lichts bei chlorophyllhaltigen Blättern

Kapitel: Darstellung der Daten

92 5.4 Samplingstrategien komplexer geometrischer Szenarien

Auf den Bildern von Abbildung 50 ist der Effekt der Transluzenz anhand der Gegenüberstel-lung einer Szenenansicht gut erkennbar.

5.4 Samplingstrategien komplexer geometrischer Szenarien

Bei der Wiedergabe von detaillierten und komplexen 3D-Szenarien mit Hilfe von Rastergra-fikalgorithmen kann die Notwendigkeit bestehen, Mehrfachsamplingmethoden zu benutzen, um kleinste Objektdetails in Abhängigkeit vom Betrachterabstand länger sichtbar zu halten (siehe Abschnitt 3.5). Außerdem müssen Wege gefunden werden, um dem sogenannten Shaderaliasing, wie es beispielsweise beim Einsatz von Shadowmaps auftritt wirkungsvoll entgegen wirken zu können. Lösungsansätze für diese beiden unterschiedlichen Problemstel-lungen werden in den folgenden Abschnitten expliziert.

Abbildung 49: Verschiebung der RGB-Farbwerte in Folge der Lichttransmission anhand einiger Beispielfarben

Abbildung 50: Nachbildung des Transluzenzeffektes mittels RGB-Farbwertverschiebung während der Echtzeitdarstellung

Kapitel: Darstellung der Daten 93 5.4 Samplingstrategien komplexer geometrischer Szenarien