Design und Realisierung des virtuellen Effekts der Bühnenbeleuchtung

2023/03/21

Durch die Verwendung der Architektur der OGRE-Engine ist es bequemer, eine realistische dreidimensionale Bühnenbeleuchtungsumgebung zu simulieren.Die Präsenz- und Interaktionsfähigkeiten der virtuellen Technologie selbst können nicht nur statisches Design und Kreation in dynamische Reproduktion umwandeln, sondern auch zeitnah erfassen und die Konzeption, Kreativität und Inspiration des Designers präsentierend, ist eine ausgereifte und vollständige virtuelle Designsystemplattform eine ideale Plattform für Lichtdesigner, Performance-Direktoren, Lichtsteuerungsoperatoren, Beleuchtungskunstunterricht und Lichteffektdemonstrationen usw. Ein sehr professionelles und praktisches Designwerkzeug und rechter Assistent. Die Echtzeit- und bequeme interaktive Funktion macht das System echtzeitfähiger und bedienbarer. Dieses System bietet eine interaktive Echtzeit-Betriebsumgebung, um die Bedürfnisse der Benutzer zu erfüllen.

1. Systemarchitektur 1. Logikarchitektur Ob es sich um ein Spiel oder eine virtuelle Realität handelt, um ihren Realismus zu zeigen, ist die virtuelle Szene meistens komplex, daher wird die Erstellung der virtuellen Szene meistens von einem 3D-Modellierungstool generiert und dann Die Szene wird in Echtzeit gerendert und ausgegeben. Für das Bühnenbeleuchtungsdesign bietet 3DMAX grundlegende Szenendateien, die über die DOM-Schnittstelle (Document Object Model) analysiert werden, und Ressourcen werden importiert und Szenen organisiert. Schließlich in das OGRE-System zum Rendern.

Es gibt verschiedene Beleuchtungsmodelle, deren Wirkung separat in der Szene realisiert werden muss. Gleichzeitig sollten Benutzer auch in der Lage sein, verschiedene Operationen über die UI-Schnittstelle durchzuführen. Das System erfordert eine hohe Betriebskomplexität, einen großen Rechenaufwand und eine starke Skalierbarkeit.

Es ist notwendig, eine Gesamtimplementierungsarchitektur (wie in Abbildung 1 gezeigt) mit hoher Datenverarbeitungs- und Recheneffizienz, starker Skalierbarkeit, lockerer Integration und starker Kohäsion von Funktionsmodulen zu entwerfen und einzurichten. Das System ist in Ressourcenschicht, Schnittstellenschicht und unterteilt Rendering-Schicht. Ressourcenebene: Exportiert durch das Plug-in 3DMAX + Ofusion, um Ressourcendateien zu generieren, die für die Szenenorganisation, Materialien, Entitäten, Texturen und andere Systeme erforderlich sind. Schnittstellenschicht: Verantwortlich für den Import dieser Ressourcendateien in die Szene.

Rendering-Ebene: Realisieren Sie das Rendern von Bühnenszenen und -lichtern, die Verwaltung von Systemressourcen, Echtzeitreaktionen auf Benutzerinteraktionen usw. 2. Forschung zu Schlüsseltechnologien der Systemrealisierung 1. Die Organisation der Szenen und die vom System benötigten Ressourcendateien werden von 3DMAX über das Ofusion-Plug-in exportiert. Die exportierte Szenenorganisationsdatei ist im XML-Format, das einige grundlegende Parameter der Bühne und Informationen über die Position und Ausrichtung jeder Bühnenentität aufzeichnet.

Szenenknoten sind in Baumform organisiert.Jeder Knoten hat einen entsprechenden übergeordneten Knoten, sodass wir problemlos mehrere untergeordnete Knoten gleichzeitig durch die Operation des übergeordneten Knotens verschieben und drehen können. 2. 3D-Koordinatentransformation Um die 3D-Rendering-Ergebnisse auf einem 2D-Bildschirm anzuzeigen, ist es notwendig, 3D-Koordinaten in Ebenenkoordinaten umzuwandeln. Zuerst muss ein dreidimensionales Koordinatensystem erstellt werden.Wir erstellen ein dreidimensionales schräges zweiachsiges Seitenkoordinatensystem,in dem die Richtung der x-Achse horizontal nach links ist, die Richtung der z-Achse vertikal nach oben, und die Richtung der y-Achse steht in einem Winkel von 45° zur horizontalen Richtung.

Bei der Anzeige von Grafiken in diesem Koordinatensystem nehmen die Längen in x- und z-Achsenrichtung die tatsächliche Länge der Grafik und die Länge in y-Achsenrichtung die Hälfte der tatsächlichen Länge ein. In der Formel sind ηx, ηy und ηz die axialen Verformungskoeffizienten der x-, y- und z-Achse. Durch Ausführen der axonometrischen Projektionstransformation kann die folgende Gleichung erhalten werden: wobei f und d die Koeffizienten der axonometrischen Transformationsmatrix sind, und durch Lösen dieser Gleichung kann erhalten werden: Um den dreidimensionalen Effekt stärker zu machen, setze d = f = -0,354, und die axonometrische Technik kann erhalten werden Schattentransformationsmatrix: Als nächstes ist es notwendig, die dreidimensionalen Koordinaten der Grafik in die Gerätekoordinaten auf dem Bildschirm umzuwandeln.Im Perspektivfenster wird der Ursprung der Koordinaten befinden sich in der oberen linken Ecke des Bildschirms, die Richtung nach rechts ist die positive Richtung der x-Achse und die Richtung nach unten ist die positive Richtung der y-Achse.

Unter der Annahme, dass ein Punkt (x, y, z) im dreidimensionalen Raum die Koordinaten (xx, yy) in den Gerätekoordinaten hat, kann unter Verwendung der axonometrischen Projektionstransformationsmatrix gerade jetzt die folgende Umwandlungsformel erhalten werden: xX, yY in der Formel sind die relativen Koordinaten des Ursprungs der dreidimensionalen Koordinaten im Gerätekoordinatensystem. Durch Einsetzen von Formel (4) in (5) kann die Transformationsgleichung erhalten werden: 3. Teilchensystemeffekt-Simulation Teilchen werden durch Vierecke dargestellt. Es hat Attribute wie Länge und Breite, Richtung, Farbe, Lebensdauer, Menge, Material, Gewicht und Geschwindigkeit.

Die Eigenschaften von Partikeln werden gemeinsam durch den Partikelemitter und den Partikelaffektor bestimmt. Der Partikelemitter ist für die Emission von Partikeln verantwortlich und gibt den Partikeln einige Eigenschaften, wenn sie emittiert werden, einschließlich Bewegungsgeschwindigkeit, Farbe, Lebensdauer usw.; der Partikel-Spezialeffekt-Einflussfaktor ist ab sofort für die Änderung der Partikeleigenschaften verantwortlich der Partikelemission auf die Bühne, bevor sie stirbt, die verwendet werden kann, um Spezialeffekte wie Schwerkraft, Spannung, Farbzerfall usw. zu simulieren. Effekte wie Rauch, Feuer und Explosionen können erzeugt werden, wenn Partikelemitter unaufhörlich eine große Anzahl von Partikeln ausspucken.

OGRE bietet eine Skriptsprache für Partikelsysteme, die verschiedene Eigenschaften von Partikeln im Skript festlegen kann. In diesem Artikel werden die Auswirkungen von Bühnenfeuerwerk, Regen und Wolken durch das Partikelsystem beschrieben. In Kombination mit dem Animationseffekt von OGRE kann ein realistischerer Szenen-Partikeleffekt erzielt werden.

4. Beleuchtungseffektsimulation Die Beleuchtung ist der Schlüsselfaktor für den Bühneneffekt und die Kerntechnologie dieses Designsystems. Die Rendering-Engine bietet mehrere häufig verwendete Lichter, wie z. B. Punktlicht, gerichtetes Licht und Scheinwerfer. Aber für eine reale Simulation von Bühnenbeleuchtungseffekten reichen diese nicht aus.

Für einige spezielle Bühnenbeleuchtungseffekte wie volumetrisches Licht usw. muss dies durch programmierbare Rendering-Pipeline-Technologie (Shader) realisiert werden. Es gibt zwei Arten von Shadern, einer ist Vertex-Level, genannt Vertex-Shader (OpenGL genannt ve spit white program), ersetzt den Transformations- und Beleuchtungsteil in der festen Rendering-Pipeline, Programmierer können Vertex-Transformation, Beleuchtung usw. selbst steuern. Die Einheiten, die Vertex-Shader in Hardware verarbeiten, werden als Vertex-Shader-Prozessoren (Vertex-Verarbeitungseinheiten) bezeichnet.

Einer ist Pixel-Level, Pixel-Shader genannt (OpenGL wird Fragment-Programm genannt), der den Rasterungsteil in der festen Rendering-Pipeline ersetzt, und Programmierer können Pixelfarbe und Textur-Sampling selbst steuern. Die Einheiten, die Pixel-Shader in Hardware verarbeiten, werden als Pixel-Shader-Prozessoren (Pixel-Verarbeitungseinheiten) bezeichnet. Um die Beleuchtungssimulation realistischer zu gestalten, ist es auch notwendig, 3D-Beleuchtungsgleichungen zum Simulieren und Berechnen zu verwenden.

Dies ist oft ein ungefährer Algorithmus, der jedoch einen guten Simulationseffekt und eine sehr hohe Laufgeschwindigkeit erzielen kann. Es gibt zwei gängige Beleuchtungsmodelle: globales Beleuchtungsmodell und direktes Beleuchtungsmodell. Dieses System verwendet das globale Beleuchtungsmodell.

Das globale Beleuchtungsmodell ist ein Beleuchtungsmodell, das Realismus sehr gut simulieren kann. Es kann gleichzeitig die Reflexion, Brechung, Transmission, Schattenbildung und Wechselwirkung von Licht auf der Oberfläche des Objekts berücksichtigen. Unter Verwendung des globalen Beleuchtungsmodells ist es notwendig, den Ausbreitungsprozess des tatsächlichen Lichts und die Ausstrahlung des Energieaustauschs zu simulieren.

Für das Raytracing ist es notwendig, das direkte Beleuchtungsergebnis der Lichtquelle und die Beleuchtungswirkung des reflektierten Lichts auf den Punkt zu berücksichtigen und beide zu kombinieren: Als nächstes muss zur Berechnung der Strahldichte die Beleuchtung auf jedem berechnet werden Oberfläche: wobei Ld das von der Lichtquelle beleuchtete Licht ist, T der Lichtausbreitungsfaktor ist, TLi das von anderen Oberflächen reflektierte Licht ist und L der endgültig erforderliche Lichtwert ist. Systemschnittstelle und Zusammenfassung 3. Systemschnittstelle Das System kann Bühnenumschaltung, verschiedene Szeneneffekte auf der Bühne und Echtzeit-Interaktion mit Bühnenszenen und verschiedenen Lichtern realisieren. Abbildung 4 ist das Wirkungsdiagramm von Bühnenfeuerwerk und Abbildung 5 ist das Wirkungsdiagramm von volumetrischem Licht.

Zusammenfassung: Bühnenlichtdesign ist zu einem großen Problem für Lichtdesigner geworden. Sie müssen sich oft mit solch hohen Kosten, hohem Energieverbrauch und zeitraubenden Problemen auseinandersetzen. Mit der rasanten Entwicklung der Informationsindustrie ist auch der Bereich der professionellen Bühnenbeleuchtung in ein umfassendes digitales Zeitalter eingetreten.

Das System verwendet die 0-GRE-Engine zum Aufbau einer virtuellen Bühne und stellt das Design und die Anpassung der Bühnenbeleuchtung in Echtzeit dar. Gleichzeitig bietet es umfassende Systeminteraktionsfunktionen für Bühnenbeleuchtungsdesigner, die dieses Problem sehr gut lösen können. Als nächstes muss das System das Beleuchtungsmodell der Bühne weiter anreichern, das verschiedene Lichter simulieren kann, wie z. B.: weiches Licht, Blitzlicht, Scheinwerfer folgen usw. Auch die Benutzeroberfläche muss weiter optimiert werden, um die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern.

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