舞台照明仮想効果の設計と実現

OGREエンジンのアーキテクチャを活用することで、リアルな3次元舞台照明環境をより手軽にシミュレートできます。仮想技術自体のプレゼンスとインタラクション機能は、静的な設計・創作を動的な再現へと変換するだけでなく、タイムリーな表現を可能にします。デザイナーの構想、創造性、インスピレーションを捉え、提示する、成熟した包括的な仮想設計システムプラットフォームは、照明デザイナー、パフォーマンスディレクター、照明制御オペレーター、照明芸術の指導、照明効果のデモンストレーションなど、様々な分野にとって理想的なプラットフォームです。非常に専門的で実用的な設計ツールであり、右腕となるアシスタントでもあります。リアルタイムで便利なインタラクティブ機能により、システムのリアルタイム性と操作性が向上し、ユーザーのニーズに応えるリアルタイムインタラクティブな操作環境を提供します。

1. システムアーキテクチャ 1. ロジックアーキテクチャ ゲームであれバーチャルリアリティであれ、そのリアリティを表現するために仮想シーンは複雑になることが多いため、仮想シーンの作成は主に3Dモデリングツールによって生成され、その後、シーンはリアルタイムでレンダリング・出力されます。舞台照明設計においては、3DMAXが基本的なシーンファイルを提供し、DOM（Document Object Model）インターフェースを介して解析され、リソースがインポートされてシーンが整理されます。最終的にOGREシステムに送られ、レンダリングされます。

様々な照明モデルが存在し、それらの効果をシーン内で個別に実現する必要があります。同時に、ユーザーはUIインターフェースを通じて様々な操作を実行できる必要があります。このシステムには、高い操作の複雑さ、膨大な計算量、そして高いスケーラビリティが求められます。

高いデータ処理効率と計算効率、強力なスケーラビリティ、緩やかな統合、そして機能モジュール間の強力な結合性を備えた全体的な実装アーキテクチャ（図1参照）を設計・構築する必要があります。システムは、リソース層、インターフェース層、レンダリング層に分かれています。リソース層：3DMAX + Ofusionプラグインによってエクスポートされ、シーン構成、マテリアル、エンティティ、テクスチャなどのシステムに必要なリソースファイルを生成します。インターフェース層：これらのリソースファイルをシーンにインポートする役割を担います。

レンダリング層：ステージシーンや照明のレンダリング、システムリソースの管理、ユーザーインタラクションへのリアルタイム応答などを実現します。2. システム実現の主要技術の研究 1. シーン構成とシステムに必要なリソースファイルは、Ofusionプラグインを介して3DMAXからエクスポートされます。エクスポートされたシーン構成ファイルはXML形式で、ステージの基本パラメータと各ステージエンティティの位置と方向に関する情報が記録されています。

シーンノードはツリー形式で編成されています。各ノードには対応する親ノードがあるため、親ノードの操作を通じて複数の子ノードを同時に簡単に移動したり回転したりできます。2. 3D座標変換 3Dレンダリング結果を2D画面に表示するには、3D座標から平面座標に変換する必要があります。まず、3次元座標系を確立する必要があります。x軸方向が左水平、z軸方向が上垂直、y軸方向が水平方向に対して45°の角度である3次元斜め2軸辺座標系を作成します。

この座標系でグラフィックスを表示する場合、x 軸方向と z 軸方向の長さはグラフィックスの実際の長さになり、y 軸方向の長さは実際の長さの半分になります。 式中の ηx、ηy、ηz は x 軸、y 軸、z 軸の軸変形係数です。 軸測投影変換を行うと、次の式が得られます。 ここで、f と d は軸測変換行列の係数であり、この式を解くと、次の式が得られます。 立体感を強くするには、d = f = -0.354 に設定し、軸測技法を得ることができます。 影変換行列: 次に、グラフィックスの 3 次元座標を画面上のデバイス座標に変換する必要があります。パースペクティブウィンドウでは、座標の原点は画面の左上隅にあり、右方向が x 軸の正の方向、下方向が y 軸の正の方向になります。

3次元空間の点（x、y、z）がデバイス座標系で座標（xx、yy）を持つと仮定し、先ほどの軸測投影変換行列を用いると、以下の変換式が得られる。式中のxX、yYは、デバイス座標系における3次元座標の原点の相対座標である。式（4）を式（5）に代入すると、変換式が得られる。3. パーティクルシステム効果シミュレーションパーティクルは四辺形で表現され、長さ、幅、方向、色、寿命、数量、材質、重さ、速度などの属性を持つ。

パーティクルの特性は、パーティクルエミッタとパーティクルアフェクタによって共同で決定されます。パーティクルエミッタはパーティクルの放出を担い、放出時のパーティクルの特性（動きの速度、色、寿命など）を指定します。パーティクル特殊効果インフルエンサーは、パーティクル放出の瞬間から消滅前の段階までのパーティクル特性の変化を制御します。この特性は、重力、張力、色彩の減衰などの特殊効果をシミュレートするために使用できます。パーティクルエミッタが大量のパーティクルを絶え間なく放出することで、煙、炎、爆発などの効果を作り出すことができます。

OGREはパーティクルシステムスクリプト言語を提供しており、スクリプト内でパーティクルの様々なプロパティを設定できます。この記事では、パーティクルシステムを用いてステージ上の花火、雨、雲などのエフェクトを記述します。OGREのアニメーション効果と組み合わせることで、よりリアルなシーンパーティクルエフェクトを実現できます。

4. 照明効果のシミュレーション 照明は舞台効果の重要な要素であり、このデザインシステムの中核技術です。レンダリングエンジンは、ポイントライト、ディレクショナルライト、スポットライトなど、一般的に使用されるいくつかのライトを提供しています。しかし、実際の舞台照明効果のシミュレーションには、これらだけでは不十分です。

ボリューメトリックライトなどの特殊な舞台照明効果は、プログラマブルレンダリングパイプライン技術（シェーダー）によって実現する必要があります。シェーダーには2種類あり、1つは頂点レベルのシェーダー（OpenGLではベスパーホワイトプログラムと呼ばれます）で、固定レンダリングパイプラインの変換とライティング部分を置き換え、プログラマが頂点の変換やライティングなどを独自に制御できるようにします。ハードウェアで頂点シェーダーを処理するユニットは、頂点シェーダープロセッサ（頂点処理ユニット）と呼ばれます。

一つはピクセルレベルのもので、ピクセルシェーダー（OpenGLではフラグメントプログラムと呼ばれます）と呼ばれ、固定レンダリングパイプラインのラスタライズ部分を置き換え、プログラマーがピクセルの色とテクスチャのサンプリングを独自に制御できるようにします。ハードウェアでピクセルシェーダーを処理するユニットは、ピクセルシェーダープロセッサ（ピクセル処理ユニット）と呼ばれます。照明シミュレーションをよりリアルにするために、3D照明方程式を用いたシミュレーションと計算も必要です。

これは近似アルゴリズムであることが多いですが、優れたシミュレーション効果と非常に高速な実行速度を実現できます。一般的な照明モデルには、グローバル照明モデルと直接照明モデルの2種類があります。このシステムはグローバル照明モデルを使用しています。

グローバルイルミネーションモデルは、非常にリアルな表現をシミュレートできる照明モデルです。物体表面における光の反射、屈折、透過、影、相互作用を同時に考慮することができます。グローバルイルミネーションモデルを用いることで、実際の光の伝播過程やエネルギー交換による輝度をシミュレートすることができます。

レイトレーシングでは、光源の直接照明結果と点に対する反射光の照明効果を考慮し、この2つを組み合わせる必要があります。次に、放射輝度を計算するには、各表面の照明を計算する必要があります。ここで、Ldは光源によって照らされた光、Tは光伝播係数、TLiは他の表面から反射された光、Lは最終的に必要な光の値です。システムインターフェースと概要3.システムインターフェースシステムは、ステージの切り替え、ステージ内のさまざまなシーン効果、ステージシーンとさまざまなライトとのリアルタイムの相互作用を実現できます。図4はステージ花火の効果図、図5はボリュームライトの効果図です。

要約：舞台照明の設計は、照明デザイナーにとって大きな課題となっています。彼らはしばしば、高コスト、高エネルギー消費、そして膨大な時間を要する問題に直面しています。情報産業の活発な発展に伴い、プロの舞台照明分野も包括的なデジタル時代に入りました。

このシステムは0-GREエンジンを用いて仮想ステージを構築し、ステージ照明の設計と調整をリアルタイムで提示します。同時に、ステージ照明デザイナー向けに豊富なシステムインタラクション機能を提供することで、この課題を効果的に解決できます。次に、システムはステージ照明モデルをさらに充実させ、ソフトライト、フラッシュライト、スポットライトなど、様々な照明をシミュレートできるようにする必要があります。また、ユーザーインターフェースもさらに最適化し、ユーザーフレンドリーな環境を実現する必要があります。