Progettazione e realizzazione di effetti virtuali di illuminazione scenica

Utilizzando l'architettura del motore OGRE, è più pratico simulare un ambiente di illuminazione scenica tridimensionale realistico. Le capacità di presenza e interazione della tecnologia virtuale stessa non solo trasformano la progettazione e la creazione statiche in una riproduzione dinamica, ma anche in modo tempestivo. Catturando e presentando la concezione, la creatività e l'ispirazione del progettista, una piattaforma di progettazione virtuale matura e completa è ideale per lighting designer, direttori di performance, operatori di controllo luci, docenti di lighting art e dimostrazioni di effetti luce, ecc. Uno strumento di progettazione estremamente professionale e pratico, nonché un assistente personale. La pratica funzione interattiva in tempo reale rende il sistema più operativo e immediato. Questo sistema fornisce un ambiente operativo interattivo in tempo reale per soddisfare le esigenze degli utenti.

1. Architettura di sistema 1. Architettura logica Che si tratti di un gioco o di una realtà virtuale, per mostrarne il realismo, la scena virtuale è per lo più complessa, quindi la creazione della scena virtuale viene generata principalmente da uno strumento di modellazione 3D, quindi la scena viene renderizzata e prodotta in tempo reale. Per la progettazione dell'illuminazione scenica, 3DMAX fornisce file di scena di base, che vengono analizzati tramite l'interfaccia DOM (Document Object Model), le risorse vengono importate e le scene organizzate. Infine, nel sistema OGRE per il rendering.

Esistono diversi modelli di illuminazione e i loro effetti devono essere realizzati separatamente nella scena. Allo stesso tempo, gli utenti devono anche essere in grado di eseguire diverse operazioni tramite l'interfaccia utente. Il sistema richiede un'elevata complessità operativa, un'elevata quantità di calcoli e una solida scalabilità.

È necessario progettare e stabilire un'architettura di implementazione complessiva (come mostrato in Figura 1) con elevata efficienza di elaborazione dati e di calcolo, elevata scalabilità, integrazione flessibile e forte coesione dei moduli funzionali. Il sistema è suddiviso in livello risorse, livello interfaccia e livello rendering. Livello risorse: esportato dal plug-in 3DMAX + Ofusion per generare i file di risorse richiesti dall'organizzazione della scena, dai materiali, dalle entità, dalle texture e da altri sistemi. Livello interfaccia: responsabile dell'importazione di questi file di risorse nella scena.

Livello di rendering: realizzazione del rendering delle scene e delle luci del palco, gestione delle risorse di sistema, risposta in tempo reale all'interazione dell'utente, ecc. 2. Ricerca sulle tecnologie chiave per la realizzazione del sistema 1. L'organizzazione delle scene e i file di risorse richiesti dal sistema vengono esportati da 3DMAX tramite il plug-in Ofusion. Il file di organizzazione delle scene esportato è in formato XML e registra alcuni parametri di base del palco e informazioni sulla posizione e l'orientamento di ciascuna entità del palco.

I nodi della scena sono organizzati ad albero. Ogni nodo ha un nodo padre corrispondente, quindi possiamo facilmente spostare e ruotare più nodi figlio contemporaneamente tramite l'operazione del nodo padre. 2. Trasformazione delle coordinate 3D Per visualizzare i risultati del rendering 3D su uno schermo 2D, è necessario convertire le coordinate 3D in coordinate piane. Innanzitutto, è necessario stabilire un sistema di coordinate tridimensionale. Creiamo un sistema di coordinate laterali obliquo tridimensionale a due assi, in cui la direzione dell'asse x è orizzontale a sinistra, la direzione dell'asse z è verticale verso l'alto e la direzione dell'asse y è inclinata di 45° rispetto alla direzione orizzontale.

Quando si visualizzano i grafici in questo sistema di coordinate, le lunghezze nelle direzioni degli assi x e z assumono la lunghezza effettiva del grafico, mentre la lunghezza nella direzione dell'asse y ne assume la metà. Nella formula, ηx, ηy e ηz sono i coefficienti di deformazione assiale degli assi x, y e z. Eseguendo la trasformazione della proiezione assonometrica, si può ottenere la seguente equazione: dove f e d sono i coefficienti della matrice di trasformazione assonometrica e, risolvendo questa equazione, si può ottenere: Per rendere più forte l'effetto tridimensionale, si imposta d=f=-0,354 e si può ottenere la tecnica assonometrica Matrice di trasformazione delle ombre: Successivamente, è necessario convertire le coordinate tridimensionali del grafico nelle coordinate del dispositivo sullo schermo. Nella finestra prospettica, l'origine delle coordinate si trova nell'angolo in alto a sinistra dello schermo, la direzione verso destra è la direzione positiva dell'asse x e la direzione verso il basso è la direzione positiva dell'asse y.

Supponendo che un punto (x, y, z) nello spazio tridimensionale abbia le coordinate (xx, yy) nelle coordinate del dispositivo, utilizzando la matrice di trasformazione della proiezione assonometrica appena vista, si può ottenere la seguente formula di conversione: xX, yY nella formula sono le coordinate relative dell'origine delle coordinate tridimensionali nel sistema di coordinate del dispositivo. Sostituendo la formula (4) nella (5), si può ottenere l'equazione di trasformazione: 3. Simulazione dell'effetto del sistema di particelle Le particelle sono rappresentate da quadrilateri. Hanno attributi come lunghezza e larghezza, direzione, colore, durata, quantità, materiale, peso e velocità.

Le proprietà delle particelle sono determinate congiuntamente dall'emettitore di particelle e dall'affettore di particelle. L'emettitore di particelle è responsabile dell'emissione delle particelle, conferendone alcune proprietà al momento dell'emissione, tra cui velocità di movimento, colore, durata, ecc.; l'influenzatore di effetti speciali delle particelle è responsabile del cambiamento delle proprietà delle particelle dal momento dell'emissione fino alla fase precedente alla loro morte, che può essere utilizzata per simulare effetti speciali come gravità, tensione, decadimento del colore, ecc. Effetti come fumo, fuoco ed esplosioni possono essere creati quando gli emettitori di particelle emettono incessantemente un gran numero di particelle.

OGRE fornisce un linguaggio di scripting per sistemi particellari, che consente di impostare diverse proprietà delle particelle nello script. In questo articolo, gli effetti di fuochi d'artificio, pioggia e nuvole vengono descritti attraverso il sistema particellare. Combinandolo con l'effetto di animazione di OGRE, è possibile ottenere un effetto particellare di scena più realistico.

4. Simulazione degli effetti di illuminazione L'illuminazione è il fattore chiave dell'effetto scenico e la tecnologia di base di questo sistema di progettazione. Il motore di rendering fornisce diverse luci comunemente utilizzate, come luci puntiformi, luci direzionali e faretti. Ma per una simulazione di effetti di illuminazione scenica reale, queste non sono sufficienti.

Per alcuni effetti di illuminazione scenica speciali, come la luce volumetrica, ecc., è necessario utilizzare la tecnologia di pipeline di rendering programmabile (shader). Esistono due tipi di shader: uno a livello di vertice, chiamato vertex shader (OpenGL è chiamato ve spit white program), che sostituisce le parti di trasformazione e illuminazione nella pipeline di rendering fissa, e i programmatori possono controllare autonomamente la trasformazione dei vertici, l'illuminazione, ecc. Le unità che elaborano i vertex shader nell'hardware sono chiamate processori vertex shader (unità di elaborazione vertex).

Uno è a livello di pixel, chiamato pixel shader (OpenGL è chiamato fragment program), che sostituisce la parte di rasterizzazione nella pipeline di rendering fissa, e i programmatori possono controllare autonomamente il colore dei pixel e il campionamento delle texture. Le unità che elaborano i pixel shader in hardware sono chiamate processori pixel shader (unità di elaborazione pixel). Per rendere la simulazione dell'illuminazione più realistica, è anche necessario utilizzare equazioni di illuminazione 3D per simulare e calcolare.

Si tratta spesso di un algoritmo approssimativo, ma può garantire un buon effetto di simulazione e una velocità di esecuzione molto elevata. Esistono due modelli di illuminazione comuni: il modello di illuminazione globale e il modello di illuminazione diretta. Questo sistema utilizza il modello di illuminazione globale.

Il modello di illuminazione globale è un modello di illuminazione in grado di simulare molto bene il realismo. Può tenere conto contemporaneamente della riflessione, della rifrazione, della trasmissione, dell'ombra e dell'interazione della luce sulla superficie dell'oggetto. Utilizzando il modello di illuminazione globale, è necessario simulare il processo di propagazione della luce reale e la radianza dello scambio di energia.

Per il ray tracing, è necessario considerare il risultato dell'illuminazione diretta della sorgente luminosa e l'effetto di illuminazione della luce riflessa sul punto, e combinare i due: Successivamente, per calcolare la radianza, è necessario calcolare l'illuminazione su ciascuna superficie: dove Ld è la luce illuminata dalla sorgente luminosa, T è il fattore di propagazione della luce, TLi è la luce riflessa da altre superfici e L è il valore di luce finale richiesto. Interfaccia di sistema e riepilogo 3. Interfaccia di sistema Il sistema può realizzare la commutazione di scena, vari effetti di scena sul palco e l'interazione in tempo reale con le scene del palco e varie luci. La Figura 4 è il diagramma degli effetti dei fuochi d'artificio sul palco e la Figura 5 è il diagramma degli effetti della luce volumetrica.

Riepilogo: La progettazione dell'illuminazione scenica è diventata un problema importante per i lighting designer. Spesso si trovano ad affrontare costi elevati, consumi energetici elevati e tempi di realizzazione lunghi. Con il vigoroso sviluppo dell'industria informatica, anche il settore dell'illuminazione scenica professionale è entrato in un'era digitale completa.

Il sistema utilizza il motore 0-GRE per costruire un palcoscenico virtuale e presenta il progetto di illuminazione e la relativa regolazione in tempo reale. Allo stesso tempo, offre ai progettisti di illuminazione scenica numerose funzioni di interazione di sistema, che possono risolvere egregiamente questo problema. Successivamente, il sistema deve arricchire ulteriormente il modello di illuminazione del palcoscenico, che può simulare diverse luci, come: luce soffusa, luce flash, luce spot, ecc. Anche l'interfaccia utente deve essere ulteriormente ottimizzata per migliorarne la facilità d'uso.