4. Beleuchtung

Damit die im Rechner erzeugten Szenen realitätsnäher aussehen, braucht es eine Schattierung der dargestellten Objekte. Wie sich die Szene von der Beleuchtung aus darstellt, hängt von dem verwendeten Farbmodell, den Lichtquellen in der Umgebung und der Struktur bzw. der Materialart der Oberfläche ab. Ein Teil des Lichtes wird von der Oberfläche absorbiert, in Wärmeenergie umgewandelt. Absorbiert ein Objekt das gesamte Licht, so ist es für den Betrachter unsichtbar. Der restliche Teil wird reflektiert oder, wie bei transparenten Objekten, durchgelassen, wodurch die Objekte für den Betrachter sichtbar werden. Wird z.B. eine Lichtquelle angenommen, die weißes Licht aussendet und ein Objekt, welches in dieser Beleuchtung grün erscheint, so erscheint das Objekt in dieser Farbe, da bis auf die Wellenlängen, die der Mensch grün wahrnimmt, alle anderen Wellenlängen von der Oberfläche absorbiert werden. Menschliches Sehen definiert sich also über die Intensität oder Luminanz der einzelnen Wellenlängen, wobei in den späteren Rechnungen von einfachen Farbmodellen ausgegangen wird, wie z.B. vom RGB-Modell mit seinen drei Primärfarben, um die Berechnungen zu vereinfachen. In dem folgenden Abschnitt werden nun verschiedene Methoden gezeigt, wie die Intensität des Lichtes in einem Punkt berechnet werden kann.
Im folgenden Teil werden Beleuchtungsmodelle vorgestellt, die für einen Punkt einer Fläche die Farbe berechnen. Es wird von punktförmigen Lichtquellen ausgegangen, die ihr Licht gleichmäßig in alle Richtungen aussenden. Dies ist eine starke Einschränkung, erleichtert die Berechungen aber erheblich.

4.1 Selbstleuchtende Objekte

Zum Anfang wird die einfachste Möglichkeit vorgestellt, um Objekte zu beleuchten. Es wird keine äußere Lichtquelle angenommen die diese anstrahlt, sondern die Beleuchtung wird sozusagen in die Objekte selbst eingebaut. Die Oberflächen leuchten selbst und erscheinen einfarbig. Um verschiedenfarbige Oberflächen zu erhalten, können diese in mehrere Polygone unterteilt werden, die jeweils in einer anderen Farbe leuchten. Dieses Beleuchtungsmodell kann durch folgende Beleuchtungsgleichung beschrieben werden.

I=K_i

Das Ergebnis I ist die Intensität des Lichtes, und k_i ist die konstante Intensität für das Objekt i. Die Berechnung der Beleuchtungsgleichung wird auch Beleuchtung des Objekts genannt.

4.2 Ambientes Licht

In der Realität werden sichtbare Flächen, die nicht direkt beleuchtet werden, durch Lichtreflexionen von anderen Flächen erhellt. Die nachfolgenden Modelle beachten nur das direkt einfallende Licht, um die Berechungen zu vereinfachen. Da so nicht beleuchtete Oberflächen schwarz erscheinen würden, wird eine konstante Intensität auf die errechneten Werte addiert, wodurch die Szenen realistischer wirken. Diese indirekte Beleuchtung wird auch Hintergrundbeleuchtung oder ambientes Licht genannt.