Beleuchtungsproblem bei teiltransparenten Flächen

[BahnLand]

Hallo @Neo,

wenn die für ein Modell verwendete Haupttextur auch transparente Teilbereiche enthält, die auch beleuchtete Bauteile betreffen, bekomme ich mit der Transparenz im beleuchteten Zustand Probleme, wenn die beim Ein- und Ausschalten des Lichts "kooperiernden" teiltransparenten Bildbereiche der Haupttextur nicht identisch sind. Ich möchte dies mit der folgenden Beschreibung veranschaulichen:

Wenn man in V6 Teile eines Modells unbeleuchtet und auch beleuchtet darstellen können möchte, muss man die für diese im Modell doppelt anzulegenden Bauteile auch die verwendeten Texturbereiche in der Haupttextur doppelt anlegen, wobei die zweite Ausprägung des Texturbereichs zusätzlich in der hinzuzufügenden Emissive-Textur an der selben Position abzulegen ist.

In der hier gezeigten Multitextur gibt es insbesondere ein "Flaschenregal", das sowohl mit ausgeschaltetem als auch mit eingeschaltetem Licht dargestellt werden soll. Um nicht jede einzelne Flasche modellieren und separat texturieren zu müssen, habe ich ein Bild mit kompletten Flaschenreihen erzeugt, das hinter der Fensterscheibe einer Glasvitrine postiert werden soll. Die in dem Bild pink-farben eingefärbte Hintergrundfläche soll im Modellbahn-Studio durchsichtig sein, damit man in den Lücken zwischen den Flaschen in durch sehen kann (ich hätte auch eine ander Farbe, die in der Textur sonst nicht verwendet wird, hernehmen können). Mit GIMP wurde diese Farbe als "transparente Farbe des Bildes" gekennzeichnet (in der entsprechend präparierten Texturdatei nun weiß dargestellt).

Auch in der Emissive-Textur, wo nur die für die beleuchteten Teile vorgesehenen Bereiche eingefärbt sind, existiert ein solcher Flaschen-Bereich. Während die Texturbereiche der Haupttextur, welche in der Emissive-Textur geschwärzt sind, auf jene Bauteile des Modells aufgetragen werden, die als "unbeleuchtet" dargestellt werden sollen, werden jene Texturbereiche, die bei beiden Texturen eingefärbt sind, auf jene Bauteile aufgetragen, die als "beleuchtet" angezeigt werden sollen. Hierbei werden die Farbanteile beider Texturen gegeneinander aufaddiert, was sich bei den schwarz eingefärbten Bereichen der Emissive-Textur nicht auswirkt (schwarz besitzt den Farbwert (0,0,0)).

Wie man an den beiden Bildern oben und unten sehen kann, ist der Speiseraum des hier betrachteten Speisewagens bei Tageslicht mit eingeschalteter Beleuchtung (unten) gegenüber der ausgeschalteten Beleuchtung (oben) "stark überbelichtet", was genau an der Aufaddtition der Farben aus beiden Texturen liegt. 

Schaltet man bei eingeschalteter Beleuchtung in den Nacht-Modus um, wird die Beleuchtungs-Intensität des Speiserazms wieder auf das Niveau des unbeleuchteten Speiseraums bei Tag reduziert. Einzig die Schattenbildung aus dem ersten Speiseraum-Bild ist hier nicht vorhanden. Dass hier die Wiedergabe der beleuchteten Flächen wieder auf das niedrige Niveau abgesenkt wurde, liegt daran, dass der Farbbeitrag der Haupttextur in Abhängigkeit vom Tageslicht reduziert wird und daher bei voller Nacht die Farbaddition zur Emissive-Textur praktisch 0 ist.

Wenn man nun jene Bereiche, die in der Emissive-Textur eine Farbe für die zu beleuchtenden Bauteile aufweisen, in der Haupttextur schwärzt, werden die Farben der Emissive-Textur bei der Aufaddition der Haupttextur-Farben nicvht aufgehellt, weil bei "schwarz" der aufaddierte Wert "0" ist. 

Dadurch erscheint der Speiseraum bei eingeschalteter Beleuchtung auch bei Tageslicht nicht heller als bei ausgeschaltetem Licht (mit Ausnahme der hier nicht mehr vorhandenen Schattenbildung). Dies funktioniert sehr gut, solange man in den Texturen keine transparenten Teilflächen definiert hat.

Betrachten wir nun die Getränke-Vitrine im Bistro-Teil des Speisewagens, so ist bei ausgeschalteter Beleuchtung "alles in Ordnung" (oben).

Dagegen ist bei der Verwendung der ersten Hauptwextur-Variante auch dieser Teil mit eingeschalteter Beleuchtung bei Tageslicht (oben) gegenüber dem Nachtmodus (unten) stark überbelichtet. 

Nimmt man hier nun die zweite Hauottextur-Variante her, bei der die in der Emissive-Textur "aktiven" Bereiche geschwärzt sind, wird in den durchsichtigen Bereichen die in der Textur als "durchsichtig" gekennzeichnete Farbe´"pink" angezeigt. Das ist so natürlich nicht gewollt.

Ich habe daher in der Haupttextur die schwarze Einfärbung für den Emissive-Flaschenbereich durch die als durchsichtig gekennzeichnete Farbe Pink ersetzt, ...

... wonach dann die Vitrine bei der Wiedergabe der beleuchteten Theke plötzlich "leer" war.

Erst als ich in einem weiteren Versuch in der Haupttextur die Flaschen-Silhouetten selbst schwarz einfärbte und den Hintergrund Pink-farben beließ (die Pink-Farbe wurde in allen Versuchen mittels GIMP durch "durchsichtig" (weiße Darstellung) ersetzt),  ...

... konnte ich auch im beleuchteten Zustand die Getränke-Vitrine "gefüllt" und "mit Durchblick" ohne "Überbelichtung" darstellen.

Dennoch gibt es hier noch einen Haken: Wenn bei der Darstellung der beleuchteten Vitrine die Farben der Haupttexur und der Emissive-Textur "aufaddiert" werden,  erscheinen an den Grenzen zur Transparenz voilette Ränder, ...

... die es nicht gibt, wenn man die ursprüngliche Haupttexur-Variante mit den doppelten Bildmotiven anwendet (oben im Nachtmodus).

Im Tagmodus hat man dann aber wieder die Überbelichtung!
 

Ich würde mir wünschen, dass bei der Variante mit den geschwärzten Haupttexturbereichen, die weiterhin in der Emissive-Textur als durchsichtig gekennzeichneten Pink-Bereiche auch im Modellbahn-Studio dann als durchsichtig angezeigt werden, und nicht wie hier gezeigt die eigentlich durchsichtigen Flächen in Pink dargestellt werden. Ansonsten werde ich damit leben müssen, dass ich an Grenzen zwischen durchsichtigen und undurchsichtigen Bereichen in der Textur immer diese "Artefakte" in der als "durchsichtug" gekennzeichneten Farbe (die ja nur in meinem Beispiel "pink" ist) bekomme.

Viele Grüße
BahnLand
 

P.S.:
Als Demonstrationsobjekt habe ich den Wagen mit den in der obigen Reihenfolge angeordneten Variationen mit der Content-ID 246D7878-ADB0-4600-9CD0-AE4D4B633743 als Entwurf hochgeaden.

Bearbeitet 5. Februar 2021 von BahnLand

[Neo]

Hallo BahnLand,

dein Demonstrationsobjekt ist recht komplex und aufwendig in der Analyse. Kannst du mir den Gefallen tun und dein Problem bei einem einfachen Würfel mit einer minimalen Textur nachstellen? Im Speziellen kann ich noch nicht nachvollziehen, was du mit dem Pink bezweckst.

Viele Grüße,

Neo

[Siejay]

Hallo @BahnLand,

mich würde interessieren welche Abmessungen und wieviel DPI Deine Haupttextur hat. Danke.

Viele Grüße,

Siejay

[BahnLand]

Problem gelöst!

Hallo @Neo,

nachdem ich zur besseren Diagnose ein kleines "Würfelzimmer mit Fenster" zusammengeschustert hatte, konnte ich durch ein paar weitere Versuche mit anderen Textur-Varianten das Problem doch noch lösen. Ich lege das Modell des Würfelzimmers hier bei, damit jeder Interessierte die einzelnen Textur-Varianten direkt ausprobieren kann. Die Nummern in den Variationsbezeichnungen entsprechen den hier in der Beschreibung verwendeten Nummern.

Würfelzimmer.zip

Wenn man im Modellbahn-Studio V6 ein Objekt mit schaltberer Beleuchtung realisieren möchte, benötigt man neben der eigentlichen Textur für das Modell (im Folgenden Haupttextur genannt) zusätzlich eine Emissive-Textur. Eine umschaltbare Beleuchtung wird im Modell nun dadurch realisiert, dass die Bauteile, welche zwischen "unbeleuchtet" und "beleuchtet" umgeschaltet werden könnnen sollen, im Modell doppelt vorhanden sind und mit identischen "Motiven" - jedoch von verschiedenen Stellen in der Haupttextur - bemalt werden. Von diesen beiden Bauteilen wird zu einem Zeitpunkt immer nur eines angezeigt, und bei der Umschaltung der Beleuchtung werden dann diese beiden Bauteile gegeneinander ausgetauscht.

Mit der Emissive-Textur wird nun festgelegt, welche Teile der Haupttextur für als leuchtend bestimmte Bauteile verwendet werden sollen. Deshalb müssen die Motive, mit welchen die beiden "Tag- und Nacht-Bauteile" bemalt werden sollen, ebenfalls doppelt vorhanden sein. Die Haupt- und Emissive-Textur sehen dann beispielsweise so aus:

Haupttextur mit doppeltem doppelter Motiv-Darstellung (linke Hälfte für das unbeleuchtete Bauteil, rechte Hälfte für das beleuchtete Bauteil). Diese beiden Bereiche sind hier identisch, weil das "Würfelzimmer" entweder komplett unbeleuchtet oder komplett beleuchtet ist. Normalerweise dupliziert der Texturanteil für die beleuchteten Bauteile nur einen Teil der restlichen Haupttextur. Das hier betrachtete "Würfelzimmer" besteht aus einem Parkettfußboden, 2 Wänden (eine mit Tür und eine "möbliert") und einef Außenwand mit Fensterblick in das Zimmer hinein. Letzterer ist bisher noch durch die pink-farbene "Vorhang-Bespannung" des Fensters verwehrt.

Emissive-Textur mit gleichem Seitenverhältnis wie bei der Haupttextur. Die gefärbten Bereiche der Emissive-Textur (hier rechts) kennzeichnen auf der Haupttextur jene Bereiche, welche für beleuchtete Bauteile verwendet werden. Entsprechend repräsentireren die schwarz gefärbten Bereiche der Emissive-Textur (hier links) die für unbeleichtete Bauteile des Modells vorgesehenen Teile der Haupttextur.

Färbt man das Modell mit diesen beiden Texturen ein, erhält man das im obigen Bild gezeigte Modell (Variation ...00 im MBS-Modell), welches links im Bild unbeleuchtet bei Tageslicht, in der Mitte bei eingeschalteter Beleuchtung im Tageslicht und rechts bei Nacht mit eingeschalteter Beleuchtung zu sehen ist. Man sieht hier deutlich, dass das Modell in der Mitte "überbelichtet" ist. Dies liegt daran, dass bei eingeschalteter Beleuchtung die Farben der Emissive-Textur auf jene der Haupttextur an derselben Stelle aufaddiert werden. Bei Nacht zeigt sich dann im Wesentlichen wieder die "normale" Helligleit, weil hier die Farben der Haupttextur abgedunkelt sind, also nur noch die Farben der Emissive-Textur wirksam sind. Der trotzdem noch vohandene geringere Helligkeitsunterschied resultiert aus dem beim beleuchteten Modell fehlenden Schatten, der beim unbeleuchteten Modell bei Tag für entsprechend der "Sonneneinstrahlung" differenzierte Dämpfungen der Farbwiedergabe sorgt.

Sollen nun im zu bemalenden Modell bestimmte Bereiche mithilfe der Textur unsichtbar gemacht werden (diese Methode verwendet man bei Objekten mit sehr filigranen Aussparungen, um nicht alle Einzelteile des "filigranen Geflechts" ausmodellieren zu müssen, z.B. bei Gartenzäunen oder Vorhängen), muss man beim Erstellen der Textur eine sonst in der Textur nicht vorkommende Farbe auswählen, die dann im Zeichenprogramm (z.B. GIMP) als "durchsichtige Farbe" gekennzeichnet wird (in den obigen Bildern ist dies die Farbe Pink).

Nach der expliziten Deklaration der dafür auserkorenen Farbe (hier Pink) als "durchsichtig" zeigen sich die Haupttextur und die Emissive-Textur mit einem weiß erscheinenden Fenster.

Man kann die Transparenz aber beispiesweise dadurch erkennen, dass bei der im Windows Explorer markierten Datei die Markierungsfarbe durch das transparente Fenster hindurch scheint.

Erzeugt man nun das Modell mit diesen modifizierten Texturen (Variation ...01a), ist das Fenster nun zwar durchsichtig (mit Fenstergitter im Butzenscheiben-Raster), aber es schimmert bei eingeschaltetem Licht (und nur dann) rötlich.

Konkret hat das Gitter die lila Farbe angenommen, die eigentlich als "durchsichtig" gekennzeichnet und nicht für das Gitter selbst, sondern für die "Löcher im Gitter" verwendet wurde. Es irritiert mich daher sehr, dass die Farbe nun da erscheint, wo eigentlich das Grau des Gitters sein sollte (könnten es Kompressions-Artefakte der Emissive-Textur sein, die bei der Haupttextur nicht auftreten?)

Ich habe dann weitere Versuche unternommen, wobei ich hauptsächlich die oben gezeigte Überbelichtung wegnehmen wollte. Hierzu habe ich in der Haupttextur jene Bereiche, die in der Emissive-Textur eingefärbt sind, geschwärzt, um so zu erreichen, dass in den Emissive-Bereichen aus der Haupttextur nur noch "schwarz" aufaddiert wird (Variation ...1b). Dies hat auch soweit funktioniert. Nur bei eingeschaltetem Licht war dann das Fenster nicht mehr durchsichtig, sondern wieder wie ganz am Anfang mit "Pink" zugefärbt. Also machte ich in der Haupttextur den Fensterbereich auf der "Emissive"-Seite "unsichtbar" (Variation ...1c) - mit der Folge, dass nun auch das Gitter weg war. Erst als ich auf der linken Seite das Fenster wieder vollständg darstellte (Gitter mit unsichtbaren Zwischenräumen), erschien das Gitter "mit Durchblick" auch wieder im MBS-Modell (Variation ...1d). Jetzt war zwar die "Überbelichtung" behoben, aber der Lila-Stich des Gitters war immer noch da.

Das war der Stand von gestern aus dem obigen Anfangsbeitrag.

Inzwischen bin ich auf die Idee gekommen, dass ich auch die Emissive-Datei ändern könnte. Wenn ich die Bereiche der Textur, welche im Modell durchsichtig dargestellt werden sollen, als nicht zu beleuchtende Flächen interpretiere, bedeutet dies, dass sie in der Emissive-Textur geschwärzt sein müssen.

Ich habe also in der Emissive-Textur die Lücken im Fenstergitter geschwärzt, und in der Haupttextur die Gitter geschwärzt, damit keine Aufaddierung der Gitterfarben erfolgt. Die Löcher im Gitter sind in der Haupttextur "durchsichtig gefärbt".

Das war letztendlich die Lösung (Variation ...2d), bei welcher sowohl die "Überbelichtung" beseitigt ist ...

... als auch die Deklarationsfarbe für die Unsichtbarkeit (hier Pink) nicht mehr als Störfaktor auftritt. Das letzte Bild zeigt das "Würfelzimmer" mit eingeschalteter Beleuchtung im Nachtmodus.

Die im MBS-Modell noch enthaltenen Variationen ...2a, ...2b und ...2c können ignoriert werden. Es waren zusätzliche Versuche auf dem Weg zur Lösung ...2d.

 

@Siejay:

Sowohl die Haupttextur als auch die Emissive-Textur bei meinen Fernverkehrswagen besitzen die Abmessungen 4096 x 2048 Pixel. DPI betrachte ich in diesem Zusammenhang nicht. Bei den zusätzlichen Texturen "Metallic" und "Roughness", die ich für den "Glanz" der Wagen benötige, reichen mir 512 x 256 Pixel aus (das Layout ist - wenn auch verkleinert - das gleiche). Für die halbtransparenten Fenster (diese Halbtransparenz 50% Lichtdurchlässigkeit hat nichts mit der in diesem Beitrag beschrieben Teiltransparenz (100% Lichtdurchlässigkeit) innerhalb  einer Textur  zu tun), verwende ich eine einfarbige Haupttextur der Größe 16 x 16 Pixel und dazu eine (ebenfalls einfarbige) Metallic-Textur. Die Emissive- und Roughness-Textur benötige ich für die Darstellung der Fenster nicht.

Viele Grüße
BahnLand

[Siejay]

Hallo @BahnLand,

vielen Dank für die Infos. Das mit den DPI würde mich generell interessieren, nicht auf das Thema hier bezogen. Die DPI-Anzahl hat ja Einfluss auf die Texturqualität, wie auch auf die Speichergröße. Vielleicht auch mal die Frage an die anderen Modellbauer, was für eine Auflösung verwendet wird oder sinnvoll ist.

Viele Grüße,

Siejay

[BahnLand]

Hallo @Siejay,

der Ausdruck "DPI" (dots per inch) kommt meines Wissens aus der Welt der Drucker, deren Auflösung (zumindest früher) danach klassifiziert wurde, wieviele Punkte sie in einem Zoll unterbringen konnten.

Natürlich wird auch im Modellbahn-Studio eine Modell-Oberfläche umso schärfer wiedergegeben, je größer die darauf projizierte Textur ist. Neben der Notwendigkeit, möglichst Alles - wegen der schaltbaren Beleuchtung vieles sogar doppelt - in einer Multitextur unterzubringen, und gleichzeitig bei voller Wiedergabe der Wagen-Außenhaut zumindest die Haupt-Beschriftungen noch halbwegs lesbar darstellen zu können, habe ich mich entschieden, bei den Fernverkehrswagen diese Texturgröße zu verwenden (4096 Pixel ist meines Wissens die größte Kantenlänge, die das Modellbahn-Studio überhaupt zulässt).

Natürlich benötigt das Laden von Anlagen um so mehr Zeit, je größer die Texturen der darauf eingesetzten Modelle sind.  Ob dies auch negative Auswirkungen auf die Verarbeitungszeit der geladenenen Modelle hat (solange der Speicher keinen Engpass darstellt), weiß ich nicht (ich hoffe nicht).

Anstelle der DPI-Zahl ist für mich wesentlich, wie ich in der vorhandenen Größe der Textur, deren Ausmaße in jeder Richtung ich ja nur jeweils halbieren oder verdoppeln kann (wegen der 2er-Potenzen für die Kantenlängen), die Oberflächen der Wagen am besten untebringen kann. Hier ist die Wagenlänge (26,4 m für die UIC-X- und UIC-Z-Wagen und 27,5 m für die Speisewagen) die maßgebliche Größe. Abzüglich der an jedem Wagenende überstehenden Puffer und Gummiwülste, stehen mir in der verwendeten Textur für die 27,2 m lange Seitenwand des Speisewagens 3920 Pixel zur Verfügung. Dies entspricht einer Pixeldichte von (gerundet) 144 "PPM" (Pixels per Meter ). Dies ist nicht gerade besonders viel. Deshalb wird der in der Textur verbleibende Platz oft noch dazu genutzt, für spezielle Details eine größere Auflösung zu wählen. Doch gerade wenn man vieile Details (z.B. Innenausbau) realsieren möchte, muss man auch hier "gut haushalten", um "Alles" unterbringen zu können.

Gerade bei der Textur für den Speisewagen habe ich den zur Verfügung stehenden Platz ziemlich ausgeschöpft (die schwarzen Bereiche repräsenteren die in der Emissive-Textur eingefärbten "Leucht-Bereiche").

Viele Grüße
BahnLand

[Siejay]

Hallo @BahnLand,

erstmal ein Dankeschön für Deine Ausführungen. Ich wollte keinesfalls die Texturgröße bemängeln. Ich arbeite mit der "anderen" Texturierungsmethode und da sind von Haus aus die Texturen schon größer. Ich bin mir nicht sicher, aber ich meine Brummi hätte die zwei Varianten mal in einem Beitrag gegenübergestellt. Ich finde den aber jetzt auf die Schnelle nicht. Wie oben schon geschrieben, wollte ich nur die technischen Daten wissen um zu sehen wie die anderen Modellbauer die Texturen handhaben.

Viele Grüße,

Siejay

[maxwei]

Hallo Siejay

um deine Frage aufgreifen zu dürfen:

Grundsätzlich hängt die Größe der Textur von der Größe (Genauigkeit) des Modells und der Komplexität der Texturen ab, zusätzlich kommen dann noch Probleme auf dich zu wenn du mit verschiedenen Variation arbeitest und dann bei gleichbleibender Struktur dementsprechend die Texturen aufzutragen sind.

Als Beispiel meinerseits:
Variation der BB63000: Auflösung im Original (2048*4096)

und dem Kaiserwagen: (2048*512)

lg max

[Siejay]

Hallo @maxwei,

danke für den Input.

Viele Grüße,

Siejay