Lumen-Prinzip — wie Licht von Wänden springt (3D)
Über diese App
Ein Raum mit Fenster, roter und grüner Wand, gerechnet mit Pfadverfolgung: Bei 0 Sprüngen nur ein harter Lichtfleck, ab einem Sprung hellt der Raum auf und der Boden nimmt die Wandfarben an. Strahlen per Tipp verfolgen, Sonnenstand und Wandfarben ändern, Rauschen gegen Mittelung über Zeit, Ersatzszene als Prinzipbild. Nachgebaut, keine Unreal-Engine-Software.
Direktes und indirektes Licht
Direktes Licht kommt auf geradem Weg von der Lichtquelle, hier von der Sonne durch ein Fenster. In einem echten Raum wird es aber von jeder Fläche weitergestreut und erreicht so auch Stellen, die die Sonne nie trifft. Dieses indirekte Licht nennt man globale Beleuchtung (Global Illumination). Es hellt Schatten auf und trägt Farbe weiter: Neben einer roten Wand wird der Boden rötlich (Farbbluten). Echtzeit-Engines wie Lumen in der Unreal Engine schätzen dieses Licht mit wenigen Strahlen pro Bild und mitteln über die Zeit; das Ergebnis ist eine Näherung, kein exaktes Bild.
Was die App zeigt
Einen Raum nach dem Vorbild der Cornell-Box mit roter und grüner Seitenwand, einer Kiste und einem Fenster in der Rückwand, gerechnet mit einem einfachen Pfadverfolger. Bei 0 Sprüngen sieht man nur den harten Sonnenfleck, ab einem Sprung hellt der Raum auf und der Boden nimmt die Wandfarben an. Für einen gewählten Bildpunkt zeichnet die App Blickstrahl, Sprünge und Schattenstrahlen in 3D. Eine Ansicht zeigt nur das indirekte Licht, eine andere eine vereinfachte Ersatzszene als Prinzipbild. Nachgebaut zur Veranschaulichung, keine Unreal-Engine-Software.
Selbst ausprobieren
Schalte die Zahl der Sprünge zwischen 0 und 3 um, verschiebe Sonnenhöhe und -richtung und färbe die Wände um. Tippe auf einen Bildpunkt, um seine Strahlen zu sehen. Schalte die Mittelung über die Zeit ab: Mit nur einem Strahl je Bildpunkt rauscht das Bild stark, nach dem Wiedereinschalten wird es in einigen Sekunden ruhig.
Häufige Fragen
- Was ist globale Beleuchtung (Global Illumination)?
- Globale Beleuchtung berücksichtigt nicht nur das Licht, das direkt von einer Lampe oder der Sonne auf eine Fläche fällt, sondern auch Licht, das vorher von anderen Flächen reflektiert wurde. Dadurch werden Schatten aufgehellt, Ecken wirken weicher, und farbige Flächen färben ihre Umgebung.
- Wie funktioniert Lumen in der Unreal Engine im Prinzip?
- Lumen berechnet indirektes Licht in Echtzeit, indem es Strahlen gegen vereinfachte Darstellungen der Szene verfolgt, etwa Distanzfelder und einen Cache mit Oberflächenkarten, und die Ergebnisse über mehrere Bilder hinweg filtert und mittelt. So bleibt die Rechenzeit pro Bild begrenzt. Die App baut nur das Prinzip nach.
- Was ist Pfadverfolgung (Path Tracing)?
- Ein Verfahren, bei dem man von der Kamera aus Strahlen in die Szene schickt und ihren Weg über mehrere Reflexionen bis zur Lichtquelle verfolgt. Mittelt man viele zufällige Pfade pro Bildpunkt, nähert sich das Bild der physikalisch korrekten Beleuchtung an; mit wenigen Pfaden bleibt Rauschen.
- Ist die Lumen-Prinzip-App Software der Unreal Engine?
- Nein. Die App rechnet einen kleinen Raum mit einem eigenen, einfachen Pfadverfolger im Browser. Sie veranschaulicht die Idee hinter Echtzeit-Global-Illumination; Verfahren wie Screen-Space-Tracing, Distanzfelder oder Radiance Cache sind nicht nachgebaut.
Fach: Informatik
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