Design und Realisierung virtueller Bühnenbeleuchtungseffekte

Durch die Architektur der OGRE-Engine lässt sich eine realistische dreidimensionale Bühnenbeleuchtungsumgebung einfacher simulieren. Die Präsenz und Interaktionsmöglichkeiten der virtuellen Technologie ermöglichen nicht nur die Umwandlung statischer Designs und Kreationen in dynamische, sondern auch zeitnahe Reproduktionen. Eine ausgereifte und umfassende Plattform für virtuelle Designsysteme, die die Ideen, Kreativität und Inspirationen des Designers einfängt und präsentiert, ist die ideale Plattform für Lichtdesigner, Regisseure, Lichtsteuerungsbediener, Lichtkunstlehrer und Lichteffektdemonstratoren. Sie ist ein äußerst professionelles und praktisches Designtool und ein idealer Assistent. Die Echtzeit- und komfortablen interaktiven Funktionen machen das System noch echtzeitfähiger und bedienbarer. Dieses System bietet eine interaktive Echtzeit-Betriebsumgebung, die den Anforderungen der Benutzer gerecht wird.

1. Systemarchitektur 1. Logische Architektur Ob Spiel oder virtuelle Realität: Um den Realismus zu zeigen, ist die virtuelle Szene meist komplex. Daher wird die virtuelle Szene meist mit einem 3D-Modellierungstool erstellt und anschließend in Echtzeit gerendert und ausgegeben. Für das Bühnenlichtdesign bietet 3DMAX grundlegende Szenendateien, die über die DOM-Schnittstelle (Document Object Model) analysiert, Ressourcen importiert und Szenen organisiert werden. Schließlich wird das Rendering in das OGRE-System übernommen.

Es gibt verschiedene Beleuchtungsmodelle, deren Effekte in der Szene separat realisiert werden müssen. Gleichzeitig sollten Benutzer verschiedene Vorgänge über die Benutzeroberfläche ausführen können. Das System erfordert eine hohe Betriebskomplexität, einen hohen Rechenaufwand und eine starke Skalierbarkeit.

Es ist notwendig, eine umfassende Implementierungsarchitektur (siehe Abbildung 1) mit hoher Datenverarbeitungs- und Rechenleistung, starker Skalierbarkeit, lockerer Integration und starker Kohäsion der Funktionsmodule zu entwerfen und zu etablieren. Das System ist in eine Ressourcenebene, eine Schnittstellenebene und eine Rendering-Ebene unterteilt. Ressourcenebene: Wird vom 3DMAX + Ofusion-Plug-in exportiert, um die für die Szenenorganisation, Materialien, Entitäten, Texturen und andere Systeme erforderlichen Ressourcendateien zu generieren. Schnittstellenebene: Ist für den Import dieser Ressourcendateien in die Szene verantwortlich.

Rendering-Ebene: Realisieren Sie das Rendern von Bühnenszenen und Lichtern, die Verwaltung von Systemressourcen, Echtzeitreaktionen auf Benutzerinteraktionen usw. 2. Erforschung wichtiger Technologien zur Systemrealisierung 1. Die Organisation der Szenen und die vom System benötigten Ressourcendateien werden von 3DMAX über das Ofusion-Plug-In exportiert. Die exportierte Szenenorganisationsdatei liegt im XML-Format vor und zeichnet einige grundlegende Parameter der Bühne sowie Informationen zur Position und Ausrichtung jeder Bühneneinheit auf.

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

Bei der Anzeige von Grafiken in diesem Koordinatensystem entsprechen die Längen in x- und z-Richtung der tatsächlichen Länge der Grafik und die Längen in y-Richtung der halben tatsächlichen Länge. In der Formel sind ηx, ηy und ηz die axialen Deformationskoeffizienten der x-, y- und z-Achse. Durch Ausführen der axonometrischen Projektionstransformation kann die folgende Gleichung ermittelt werden: wobei f und d die Koeffizienten der axonometrischen Transformationsmatrix sind. Durch Lösen dieser Gleichung kann Folgendes ermittelt werden: Um den dreidimensionalen Effekt zu verstärken, setzen Sie d=f=-0,354, und Sie erhalten mit der axonometrischen Technik die Schattentransformationsmatrix: Als Nächstes müssen die dreidimensionalen Koordinaten der Grafik in die Gerätekoordinaten auf dem Bildschirm umgewandelt werden. Im Perspektivfenster befindet sich der Koordinatenursprung 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.

Angenommen, ein Punkt (x, y, z) im dreidimensionalen Raum hat die Koordinaten (xx, yy) in den Gerätekoordinaten. Mithilfe der Transformationsmatrix für die axonometrische Projektion lässt sich die folgende Umrechnungsformel ermitteln: xX und yY in der Formel sind die relativen Koordinaten des Ursprungs der dreidimensionalen Koordinaten im Gerätekoordinatensystem. Durch Einsetzen von Formel (4) in (5) lässt sich die folgende Transformationsgleichung erhalten: 3. Simulation der Effekte eines Partikelsystems Partikel werden durch Vierecke dargestellt. Sie haben Eigenschaften wie Länge und Breite, Richtung, Farbe, Lebensdauer, Menge, Material, Gewicht und Geschwindigkeit.

Die Eigenschaften von Partikeln werden gemeinsam vom Partikelemitter und dem Partikeleffektor bestimmt. Der Partikelemitter ist für die Emission von Partikeln verantwortlich und verleiht ihnen bei ihrer Emission bestimmte Eigenschaften, darunter Bewegungsgeschwindigkeit, Farbe, Lebensdauer usw.; der Partikeleffekt-Effektor ist für die Änderung der Partikeleigenschaften vom Moment der Partikelemission bis zum Stadium vor ihrem Absterben verantwortlich, wodurch Spezialeffekte wie Schwerkraft, Spannung, Farbverfall usw. simuliert werden können. Effekte wie Rauch, Feuer und Explosionen können erzeugt werden, wenn Partikelemitter unaufhörlich große Mengen Partikel ausstoßen.

OGRE bietet eine Skriptsprache für Partikelsysteme, mit der verschiedene Eigenschaften von Partikeln im Skript festgelegt werden können. In diesem Artikel werden die Effekte von Bühnenfeuerwerk, Regen und Wolken anhand des Partikelsystems beschrieben. In Kombination mit den Animationseffekten von OGRE können realistischere Szenenpartikeleffekte erzielt werden.

4. Simulation von Lichteffekten: Die Beleuchtung ist der Schlüsselfaktor für den Bühneneffekt und die Kerntechnologie dieses Designsystems. Die Rendering-Engine bietet verschiedene häufig verwendete Lichtquellen wie Punktlicht, gerichtetes Licht und Scheinwerfer. Für eine echte Simulation von Bühnenlichteffekten reichen diese jedoch nicht aus.

Einige spezielle Bühnenbeleuchtungseffekte, wie z. B. volumetrisches Licht usw., müssen durch programmierbare Rendering-Pipeline-Technologie (Shader) realisiert werden. Es gibt zwei Arten von Shadern: einen auf Vertex-Ebene, den sogenannten Vertex-Shader (in OpenGL als ve spit white-Programm bezeichnet), der die Transformations- und Beleuchtungsteile in der festen Rendering-Pipeline ersetzt, sodass Programmierer die Vertex-Transformation, Beleuchtung usw. selbst steuern können. Die Einheiten, die Vertex-Shader in der Hardware verarbeiten, werden als Vertex-Shader-Prozessoren (Vertex-Verarbeitungseinheiten) bezeichnet.

Eine davon ist die Pixelebene, genannt Pixel-Shader (OpenGL wird als Fragmentprogramm bezeichnet), die den Rasterungsteil in der festen Rendering-Pipeline ersetzt, und Programmierer können die Pixelfarbe und Texturabtastung selbst steuern. Die Einheiten, die Pixel-Shader in der Hardware verarbeiten, werden als Pixel-Shader-Prozessoren (Pixelverarbeitungseinheiten) bezeichnet. Um die Lichtsimulation realistischer zu gestalten, ist es auch notwendig, 3D-Beleuchtungsgleichungen zur Simulation und Berechnung zu verwenden.

Dies ist oft ein Näherungsalgorithmus, der jedoch einen guten Simulationseffekt und eine sehr hohe Ausführungsgeschwindigkeit erzielen kann. Es gibt zwei gängige Beleuchtungsmodelle: das globale Beleuchtungsmodell und das direkte Beleuchtungsmodell. Dieses System verwendet das globale Beleuchtungsmodell.

Das globale Beleuchtungsmodell ist ein Beleuchtungsmodell, das realistische Bilder sehr gut simulieren kann. Es berücksichtigt gleichzeitig Reflexion, Brechung, Transmission, Schatten und Wechselwirkung von Licht auf der Oberfläche eines Objekts. Mithilfe des globalen Beleuchtungsmodells ist es möglich, den Ausbreitungsprozess des tatsächlichen Lichts und die Strahlung des Energieaustauschs zu simulieren.

Beim Raytracing müssen die direkte Beleuchtungswirkung der Lichtquelle und die Beleuchtungswirkung des reflektierten Lichts auf den Punkt berücksichtigt und beide kombiniert werden: Um die Strahldichte zu berechnen, muss als Nächstes die Beleuchtung auf jeder Oberfläche berechnet werden: Dabei ist Ld das von der Lichtquelle beleuchtete Licht, T der Lichtausbreitungsfaktor, TLi das von anderen Oberflächen reflektierte Licht und L der endgültig erforderliche Lichtwert. Systemschnittstelle und Zusammenfassung 3. Systemschnittstelle Das System kann Bühnenwechsel, verschiedene Szeneneffekte auf der Bühne und Echtzeitinteraktion mit Bühnenszenen und verschiedenen Lichtern realisieren. Abbildung 4 ist das Effektdiagramm eines Bühnenfeuerwerks und Abbildung 5 das Effektdiagramm eines volumetrischen Lichts.

Zusammenfassung: Die Bühnenbeleuchtung ist für Lichtdesigner zu einem großen Problem geworden. Sie müssen sich oft mit hohen Kosten, hohem Energieverbrauch und hohem Zeitaufwand auseinandersetzen. Mit der rasanten Entwicklung der Informationsindustrie ist auch die professionelle Bühnenbeleuchtung in ein umfassendes digitales Zeitalter eingetreten.

Das System nutzt die 0-GRE-Engine zum Aufbau einer virtuellen Bühne und präsentiert die Bühnenbeleuchtung in Echtzeit. Gleichzeitig bietet es umfangreiche Systeminteraktionsfunktionen für Bühnenlichtdesigner, die dieses Problem optimal lösen. Anschließend muss das System das Bühnenbeleuchtungsmodell weiter ausbauen, um verschiedene Lichtquellen wie weiches Licht, Blitzlicht und Verfolgerscheinwerfer zu simulieren. Auch die Benutzeroberfläche muss weiter optimiert werden, um die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern.