Diseño y Realización de Efectos Virtuales de Iluminación Escénica

Al utilizar la arquitectura del motor OGRE, resulta más fácil simular un entorno de iluminación escénica tridimensional realista. La presencia y las capacidades de interacción de la tecnología virtual no solo transforman el diseño y la creación estáticos en una reproducción dinámica, sino que también resultan oportunas. Al capturar y presentar la concepción, la creatividad y la inspiración del diseñador, una plataforma de diseño virtual completa y madura es ideal para diseñadores de iluminación, directores de espectáculos, operadores de control de iluminación, docentes de iluminación artística y demostraciones de efectos de iluminación, etc. Una herramienta de diseño muy profesional y práctica, y un asistente ideal. La práctica función interactiva en tiempo real hace que el sistema sea más ágil y operable. Este sistema proporciona un entorno operativo interactivo en tiempo real que satisface las necesidades de los usuarios.

1. Arquitectura del sistema 1. Arquitectura lógica. Ya sea un juego o una realidad virtual, para mostrar su realismo, la escena virtual suele ser compleja. Por lo tanto, su creación se genera principalmente mediante una herramienta de modelado 3D, que luego se renderiza y genera en tiempo real. Para el diseño de iluminación escénica, 3DMAX proporciona archivos de escena básicos, que se analizan mediante la interfaz DOM (Modelo de Objetos de Documento), se importan los recursos y se organizan las escenas. Finalmente, se integran en el sistema OGRE para su renderizado.

Existen varios modelos de iluminación, y sus efectos deben implementarse por separado en la escena. Al mismo tiempo, los usuarios también deben poder realizar diversas operaciones a través de la interfaz de usuario. El sistema requiere una alta complejidad operativa, una gran cantidad de cálculos y una gran escalabilidad.

Es necesario diseñar y establecer una arquitectura de implementación integral (como se muestra en la Figura 1) con alta eficiencia de procesamiento de datos y computación, alta escalabilidad, integración flexible y una sólida cohesión de los módulos funcionales. El sistema se divide en la capa de recursos, la capa de interfaz y la capa de renderizado. Capa de recursos: exportada por el complemento 3DMAX + Ofusion para generar los archivos de recursos requeridos por la organización de la escena, los materiales, las entidades, las texturas y otros sistemas. Capa de interfaz: responsable de importar estos archivos de recursos a la escena.

Capa de renderizado: Realiza el renderizado de escenas e iluminación del escenario, la gestión de recursos del sistema, la respuesta en tiempo real a la interacción del usuario, etc. 2. Investigación sobre tecnologías clave para la implementación del sistema. 1. 3DMAX exporta la organización de escenas y los archivos de recursos requeridos por el sistema mediante el complemento Ofusion. El archivo de organización de escenas exportado está en formato XML y registra algunos parámetros básicos del escenario, así como información sobre la posición y orientación de cada entidad del escenario.

Los nodos de la escena se organizan en forma de árbol. Cada nodo tiene un nodo principal correspondiente, por lo que podemos mover y rotar fácilmente varios nodos secundarios al mismo tiempo mediante la operación del nodo principal. 2. Transformación de coordenadas 3D Para mostrar los resultados de renderizado 3D en una pantalla 2D, es necesario convertir las coordenadas 3D a coordenadas planas. Primero, se debe establecer un sistema de coordenadas tridimensional. Creamos un sistema de coordenadas laterales oblicuas tridimensionales de dos ejes, en el que la dirección del eje x es horizontal a la izquierda, la dirección del eje z es vertical hacia arriba y la dirección del eje y forma un ángulo de 45° con la dirección horizontal.

Al mostrar gráficos en este sistema de coordenadas, las longitudes en las direcciones del eje x y z toman la longitud real de los gráficos, y la longitud en la dirección del eje y toma la mitad de la longitud real. En la fórmula, ηx, ηy y ηz son los coeficientes de deformación axial de los ejes x, y y z. Llevando a cabo la transformación de proyección axonométrica, se puede obtener la siguiente ecuación: donde f y d son los coeficientes de la matriz de transformación axonométrica, y al resolver esta ecuación, se puede obtener: Para hacer que el efecto tridimensional sea más fuerte, establezca d = f = -0.354, y se puede obtener la técnica axonométrica Matriz de transformación de sombras: A continuación, es necesario convertir las coordenadas tridimensionales de los gráficos en las coordenadas del dispositivo en la pantalla. En la ventana de perspectiva, el origen de las coordenadas se encuentra en la esquina superior izquierda de la pantalla, la dirección hacia la derecha es la dirección positiva del eje x y la dirección hacia abajo es la dirección positiva del eje y.

Suponiendo que un punto (x, y, z) en el espacio tridimensional tiene las coordenadas (xx, yy) en las coordenadas del dispositivo, utilizando la matriz de transformación de proyección axonométrica recién descrita, se puede obtener la siguiente fórmula de conversión: xX, yY en la fórmula son las coordenadas relativas del origen de las coordenadas tridimensionales en el sistema de coordenadas del dispositivo. Sustituyendo la fórmula (4) en (5), se puede obtener la ecuación de transformación: 3. Simulación del efecto del sistema de partículas Las partículas se representan mediante cuadriláteros. Tiene atributos como longitud y anchura, dirección, color, vida útil, cantidad, material, peso y velocidad.

Las propiedades de las partículas son determinadas conjuntamente por el emisor y el afectador de partículas. El emisor de partículas es responsable de la emisión de partículas, proporcionando algunas propiedades durante su emisión, incluyendo velocidad de movimiento, color, vida útil, etc.; el influenciador de efectos especiales de partículas es responsable del cambio de propiedades de las partículas desde el momento de su emisión hasta el estado previo a su muerte, lo cual puede utilizarse para simular efectos especiales como gravedad, tensión, desvanecimiento de color, etc. Se pueden crear efectos como humo, fuego y explosiones cuando los emisores de partículas expulsan grandes cantidades de partículas incesantemente.

OGRE proporciona un lenguaje de scripting para sistemas de partículas que permite configurar diversas propiedades de las partículas en el script. En este artículo, se describen los efectos de los fuegos artificiales, la lluvia y las nubes en el escenario mediante el sistema de partículas. Combinado con el efecto de animación de OGRE, se puede lograr un efecto de partículas más realista en la escena.

4. Simulación de efectos de iluminación. La iluminación es el factor clave del efecto escénico y la tecnología principal de este sistema de diseño. El motor de renderizado proporciona varias luces de uso común, como la luz puntual, la luz direccional y la luz de foco. Sin embargo, para una simulación real de efectos de iluminación escénica, estas no son suficientes.

Para algunos efectos especiales de iluminación escénica, como la luz volumétrica, es necesario implementarlos mediante tecnología de canalización de renderizado programable (shader). Existen dos tipos de shaders: uno a nivel de vértice, llamado vertex shader (el programa OpenGL se llama ve spit white), que reemplaza las partes de transformación e iluminación en la canalización de renderizado fija. Los programadores pueden controlar la transformación de vértices, la iluminación, etc., por sí mismos. Las unidades que procesan los shaders de vértices en hardware se denominan procesadores de shader de vértices (unidades de procesamiento de vértices).

Uno es a nivel de píxel, llamado sombreador de píxeles (OpenGL se denomina programa de fragmentos), que reemplaza la parte de rasterización en el flujo de trabajo de renderizado fijo, y permite a los programadores controlar el color de los píxeles y el muestreo de texturas por sí mismos. Las unidades que procesan los sombreadores de píxeles en hardware se denominan procesadores de sombreado de píxeles (unidades de procesamiento de píxeles). Para que la simulación de iluminación sea más realista, también es necesario utilizar ecuaciones de iluminación 3D para simular y calcular.

Este suele ser un algoritmo aproximado, pero puede lograr un buen efecto de simulación y una velocidad de ejecución muy rápida. Existen dos modelos de iluminación comunes: el modelo de iluminación global y el modelo de iluminación directa. Este sistema utiliza el modelo de iluminación global.

El modelo de iluminación global simula el realismo de forma excelente. Considera simultáneamente la reflexión, la refracción, la transmisión, la sombra y la interacción de la luz en la superficie del objeto. Con este modelo, es necesario simular la propagación de la luz real y la radiancia del intercambio de energía.

Para el trazado de rayos, es necesario considerar el resultado de la iluminación directa de la fuente de luz y el efecto de iluminación de la luz reflejada en el punto, y combinar los dos: A continuación, para calcular la radiancia, es necesario calcular la iluminación en cada superficie: donde Ld es la luz iluminada por la fuente de luz, T es el factor de propagación de la luz, TLi es la luz reflejada desde otras superficies y L es el valor de luz final requerido. Interfaz del sistema y resumen 3. Interfaz del sistema El sistema puede realizar cambios de escenario, varios efectos de escena en el escenario e interacción en tiempo real con escenas del escenario y varias luces. La Figura 4 es el diagrama de efectos de los fuegos artificiales del escenario y la Figura 5 es el diagrama de efectos de la luz volumétrica.

Resumen: El diseño de iluminación escénica se ha convertido en un problema importante para los diseñadores de iluminación. A menudo, deben afrontar problemas de alto costo, alto consumo de energía y una gran pérdida de tiempo. Con el vigoroso desarrollo de la industria de la información, el campo de la iluminación escénica profesional también ha entrado en una era digital integral.

El sistema utiliza el motor 0-GRE para crear un escenario virtual y presenta el diseño y los ajustes de iluminación en tiempo real. Además, ofrece a los diseñadores de iluminación escénica funciones de interacción con el sistema completas, lo que facilita enormemente este problema. A continuación, el sistema debe enriquecer aún más el modelo de iluminación del escenario, que permite simular diversas luces, como luz suave, luz de flash, luz de seguimiento, etc. La interfaz de usuario también debe optimizarse para mejorar su usabilidad.