Virtuális színpadi világításeffektus tervezése és megvalósítása

Az OGRE motor architektúrájának használatával sokkal kényelmesebb a valósághű háromdimenziós színpadi világítási környezet szimulálása. A virtuális technológia jelenléte és interakciós képességei nemcsak a statikus tervezést és alkotást dinamikus reprodukcióvá alakítják, hanem időszerűvé is. A tervező koncepciójának, kreativitásának és inspirációjának rögzítésével és bemutatásával egy érett és teljes virtuális tervezőrendszer platform ideális platformot biztosít a világítástervezők, előadóművészek, világításvezérlő operátorok, világításművészeti oktatás és világítási effektusok bemutatói stb. számára. Nagyon professzionális és praktikus tervezőeszköz és jobb oldali asszisztens. A valós idejű és kényelmes interaktív funkció valós idejűvé és kezelhetőbbé teszi a rendszert. Ez a rendszer valós idejű interaktív működési környezetet biztosít a felhasználók igényeinek kielégítésére.

1. Rendszerarchitektúra 1. Logikai architektúra Legyen szó játékról vagy virtuális valóságról, a valósághűség bemutatása érdekében a virtuális jelenet többnyire összetett, ezért a virtuális jelenet létrehozását többnyire egy 3D modellező eszköz generálja, majd a jelenetet valós időben rendereli és kimeneti kimenetként megjeleníti. A színpadi világítástervezéshez a 3DMAX alapvető jelenetfájlokat biztosít, amelyeket a DOM (Document Object Model) felületen keresztül elemez, majd az erőforrásokat importálja és a jeleneteket rendszerezi. Végül az OGRE rendszerbe tölti be a renderelést.

Különböző világítási modellek léteznek, és ezek hatásait külön kell megvalósítani a jelenetben. Ugyanakkor a felhasználóknak képesnek kell lenniük különféle műveletek végrehajtására a felhasználói felületen keresztül. A rendszer nagyfokú működési komplexitást, sok számítást és erős skálázhatóságot igényel.

Szükséges egy átfogó megvalósítási architektúra megtervezése és létrehozása (ahogy az az 1. ábrán látható), amely nagy adatfeldolgozási és számítási hatékonysággal, erős skálázhatósággal, laza integrációval és a funkcionális modulok erős kohéziójával rendelkezik. A rendszer erőforrás rétegre, interfész rétegre és renderelési rétegre oszlik. Erőforrás réteg: a 3DMAX + Ofusion plugin által exportált réteg, amelyből a jelenet szervezéséhez, anyagokhoz, entitásokhoz, textúrákhoz és egyéb rendszerekhez szükséges erőforrásfájlok generálódnak. Interfész réteg: felelős ezen erőforrásfájlok jelenetbe importálásáért.

Renderelési réteg: Színpadjelenetek és fények renderelésének megvalósítása, a rendszererőforrások kezelése, valós idejű reagálás a felhasználói interakciókra stb. 2. A rendszermegvalósítás kulcsfontosságú technológiáinak kutatása 1. A jelenetek szervezését és a rendszer által megkövetelt erőforrásfájlokat a 3DMAX exportálja az Ofusion beépülő modulon keresztül. Az exportált jelenetszervező fájl XML formátumú, amely rögzíti a színpad néhány alapvető paraméterét, valamint információkat az egyes színpadi entitások helyzetéről és tájolásáról.

A jelenet csomópontok fa formában vannak elrendezve. Minden csomópontnak van egy szülő csomópontja, így a szülő csomópont működésével könnyedén mozgathatunk és forgathatunk több gyermek csomópontot egyszerre. 2. 3D koordináta-transzformáció A 3D renderelési eredmények 2D képernyőn történő megjelenítéséhez a 3D koordinátákat síkbeli koordinátákká kell konvertálni. Először egy háromdimenziós koordinátarendszert kell létrehozni. Létrehozunk egy háromdimenziós ferde kéttengelyes oldalkoordináta-rendszert, amelyben az x tengely iránya vízszintesen balra, a z tengely iránya függőlegesen felfelé, az y tengely iránya pedig 45°-os szöget zár be a vízszintes iránnyal.

Amikor a grafikákat ebben a koordinátarendszerben jelenítjük meg, az x és z tengely irányú hossz a grafika tényleges hosszát, az y tengely irányú hossz pedig a tényleges hossz felét veszi fel. A képletben ηx, ηy és ηz az x, y és z tengelyek axiális deformációs együtthatói. Az axonometrikus vetítési transzformáció végrehajtásával a következő egyenlet érhető el: ahol f és d az axonometrikus transzformációs mátrix együtthatói, és ennek az egyenletnek a megoldásával a következő érhető el: A háromdimenziós hatás erősebbé tételéhez állítsuk be d=f=-0,354-et, és az axonometrikus technika segítségével megkapjuk az Árnyéktranszformációs mátrixot: Ezután a grafika háromdimenziós koordinátáit át kell alakítani a képernyőn megjelenő eszközkoordinátákká. A perspektívaablakban a koordináták origója a képernyő bal felső sarkában található, a jobbra mutató irány az x tengely pozitív iránya, a lefelé mutató irány pedig az y tengely pozitív iránya.

Feltételezve, hogy a háromdimenziós térben egy (x, y, z) pont koordinátái az (xx, yy) eszközkoordinátákban vannak, az axonometrikus vetítési transzformációs mátrixot használva a következő konverziós képlet adódik: A képletben szereplő xX, yY a háromdimenziós koordináták origójának relatív koordinátái az eszközkoordináta-rendszerben. A (4) képletet az (5) képletbe helyettesítve a transzformációs egyenlet adódik: 3. Részecske-rendszerhatás szimuláció A részecskéket négyszögek ábrázolják. Olyan attribútumaik vannak, mint a hosszúság és szélesség, irány, szín, élettartam, mennyiség, anyag, súly és sebesség.

A részecskék tulajdonságait a részecskekibocsátó és a részecske-affektor együttesen határozza meg. A részecskekibocsátó felelős a részecskék kibocsátásáért, megadva a részecskék bizonyos tulajdonságait a kibocsátásukkor, beleértve a mozgási sebességet, a színt, az élettartamot stb.; a részecske speciális effektus-befolyásolója felelős a részecske tulajdonságainak változásáért a részecske kibocsátásának pillanatától a halála előtti állapotig, ami felhasználható olyan speciális effektusok szimulálására, mint a gravitáció, a feszültség, a színbomlás stb. Olyan effektusok hozhatók létre, mint a füst, a tűz és a robbanások, amikor a részecskekibocsátók szüntelenül nagyszámú részecskét okádnak ki.

Az OGRE egy részecskerendszer-alapú szkriptnyelvet biztosít, amellyel a szkriptben található részecskék különböző tulajdonságai állíthatók be. Ebben a cikkben a színpadi tűzijáték, az eső és a felhők hatásait ismertetjük a részecskerendszer segítségével. Az OGRE animációs effektusával kombinálva realisztikusabb jelenetrészecske-effektus érhető el.

4. Megvilágítási effektus szimulációja A megvilágítás a színpadi effektus kulcsfontosságú tényezője és a tervezőrendszer alapvető technológiája. A renderelő motor számos gyakran használt világítási lehetőséget biztosít, például pontfényt, irányított fényt és reflektorfényt. De a valódi színpadi világítási effektus szimulációjához ezek nem elegendőek.

Néhány speciális színpadi világítási effektushoz, mint például a térfogati fény stb., programozható renderelési folyamat technológiával (shader) kell megvalósítani. Kétféle shader létezik, az egyik csúcsszintű, amit vertex shadernek neveznek (OpenGL-ben ve spit white programnak hívják), és amely a transzformációs és világítási részeket helyettesíti a fix renderelési folyamatban, így a programozók maguk vezérelhetik a vertex transzformációt, a világítást stb. A hardverben a vertex shadereket feldolgozó egységeket vertex shader processzoroknak (vertex processing units) nevezik.

Az egyik pixel szintű, amit pixel shadernek (OpenGL-ben fragment programnak) neveznek, és amely a fix renderelési folyamatban a raszterizációs részt helyettesíti, és a programozók maguk vezérelhetik a pixelek szín- és textúra-mintavételezését. A hardverben a pixel shadereket feldolgozó egységeket pixel shader processzoroknak (pixelfeldolgozó egységeknek) nevezik. Annak érdekében, hogy a világítási szimuláció realisztikusabb legyen, 3D világítási egyenleteket is kell használni a szimulációhoz és a számításhoz.

Ez gyakran egy közelítő algoritmus, de jó szimulációs hatást és nagyon gyors futási sebességet érhet el. Két gyakori világítási modell létezik: a globális megvilágítási modell és a közvetlen megvilágítási modell. Ez a rendszer a globális megvilágítási modellt használja.

A globális megvilágítási modell egy olyan világítási modell, amely nagyon jól képes a realizmus szimulálására. Egyidejűleg figyelembe veszi a fény visszaverődését, törését, áteresztését, árnyékát és a tárgy felületén való kölcsönhatását. A globális megvilágítási modell segítségével a tényleges fény terjedési folyamatát és az energiacsere kisugárzását kell szimulálni.

Sugárkövetéshez figyelembe kell venni a fényforrás közvetlen megvilágítási eredményét és a pontra visszavert fény megvilágítási hatását, majd a kettőt össze kell vonni: Ezután a sugárzás kiszámításához ki kell számítani az egyes felületek megvilágítását: ahol Ld a fényforrás által megvilágított fény, T a fényterjedési tényező, TLi a más felületekről visszavert fény, L pedig a végső kívánt fényérték. Rendszerinterfész és összefoglalás 3. Rendszerinterfész A rendszer képes színpadváltást, különféle jeleneteffektusokat megvalósítani a színpadon, valamint valós idejű interakciót a színpadi jelenetekkel és a különböző fényekkel. A 4. ábra a színpadi tűzijáték hatásdiagramja, az 5. ábra pedig a térfogati fény hatásdiagramja.

Összefoglalás: A színpadi világítástervezés komoly problémává vált a világítástervezők számára. Gyakran szembesülniük kell a magas költségekkel, a nagy energiafogyasztással és a nagy időigényű problémákkal. Az információs ipar erőteljes fejlődésével a professzionális színpadi világítás területe is belépett a digitális korszakba.

A rendszer a 0-GRE motort használja egy virtuális színpad felépítéséhez, és valós időben mutatja be a színpadi világítás tervezését és beállítását. Ugyanakkor gazdag rendszerinterakciós funkciókat biztosít a színpadi világítástervezők számára, amelyek nagyon jól megoldhatják ezt a problémát. Ezután a rendszernek tovább kell gazdagítania a színpad világítási modelljét, amely különféle fényeket szimulálhat, például: lágy fényt, vakufényt, követő spotfényt stb. A felhasználói felületet is tovább kell optimalizálni a felhasználóbarátság javítása érdekében.