무대 조명 가상 효과의 설계 및 구현
OGRE 엔진의 아키텍처를 활용하면 사실적인 3차원 무대 조명 환경을 더욱 편리하게 시뮬레이션할 수 있습니다. 가상 기술 자체의 존재감과 상호작용 기능은 정적인 디자인과 창작물을 역동적인 재현으로 전환할 뿐만 아니라, 시의적절하게 구현할 수 있습니다. 디자이너의 구상, 창의성, 그리고 영감을 포착하고 표현하는 성숙하고 완벽한 가상 디자인 시스템 플랫폼은 조명 디자이너, 공연 연출가, 조명 제어 작업자, 조명 예술 교육 및 조명 효과 시연 등에 이상적인 플랫폼입니다. 매우 전문적이고 실용적인 디자인 도구이자 오른손잡이를 위한 보조 도구입니다. 실시간 및 편리한 상호작용 기능은 시스템의 실시간성과 운영성을 향상시킵니다. 이 시스템은 사용자의 요구를 충족하는 실시간 상호작용 운영 환경을 제공합니다.
1. 시스템 아키텍처 1. 로직 아키텍처 게임이든 가상 현실이든, 사실감을 표현하기 위해 가상 장면은 대부분 복잡하기 때문에 가상 장면은 주로 3D 모델링 도구를 사용하여 생성한 후 실시간으로 렌더링 및 출력됩니다. 무대 조명 디자인을 위해 3DMAX는 기본 장면 파일을 제공하며, 이 파일은 DOM(Document Object Model) 인터페이스를 통해 분석되고, 리소스를 가져와 장면을 구성합니다. 마지막으로 OGRE 시스템에 렌더링됩니다.
다양한 조명 모델이 존재하며, 각 모델의 효과는 장면에서 개별적으로 구현되어야 합니다. 동시에 사용자는 UI 인터페이스를 통해 다양한 작업을 수행할 수 있어야 합니다. 이 시스템은 높은 운영 복잡성, 방대한 계산량, 그리고 뛰어난 확장성을 요구합니다.
높은 데이터 처리 및 컴퓨팅 효율성, 뛰어난 확장성, 느슨한 통합성, 그리고 기능 모듈 간의 강력한 응집력을 갖춘 전체 구현 아키텍처(그림 1 참조)를 설계하고 구축해야 합니다. 시스템은 리소스 계층, 인터페이스 계층, 렌더링 계층으로 구분됩니다. 리소스 계층: 3DMAX + Ofusion 플러그인을 통해 장면 구성, 재질, 엔티티, 텍스처 및 기타 시스템에 필요한 리소스 파일을 생성하기 위해 내보내집니다. 인터페이스 계층: 이러한 리소스 파일을 장면으로 가져오는 역할을 합니다.
렌더링 레이어: 무대 장면 및 조명 렌더링, 시스템 리소스 관리, 사용자 상호작용에 대한 실시간 응답 등을 구현합니다. 2. 시스템 구현 핵심 기술 연구 1. 3DMAX는 Ofusion 플러그인을 통해 시스템에 필요한 장면 구성 및 리소스 파일을 내보냅니다. 내보낸 장면 구성 파일은 XML 형식으로, 무대의 기본 매개변수와 각 무대 엔티티의 위치 및 방향 정보를 기록합니다.
장면 노드는 트리 형태로 구성됩니다. 각 노드에는 해당 부모 노드가 있으므로 부모 노드의 동작을 통해 여러 자식 노드를 동시에 쉽게 이동하고 회전할 수 있습니다. 2. 3D 좌표 변환 3D 렌더링 결과를 2D 화면에 표시하려면 3D 좌표에서 평면 좌표로 변환해야 합니다. 먼저 3차원 좌표계를 구축해야 합니다. x축 방향은 왼쪽으로 수평, z축 방향은 위쪽으로 수직, y축 방향은 수평 방향과 45° 각도를 이루는 3차원 사선 2축 측면 좌표계를 생성합니다.
이 좌표계에서 그래픽을 표시할 때 x축과 z축 방향의 길이는 그래픽의 실제 길이를 취하고 y축 방향의 길이는 실제 길이의 절반을 취합니다.수식에서 ηx, ηy 및 ηz는 x, y 및 z축의 축 변형 계수입니다.축 투영 변환을 수행하면 다음 방정식을 얻을 수 있습니다.여기서 f와 d는 축 투영 변환 행렬의 계수이며 이 방정식을 풀면 다음을 얻을 수 있습니다.3차원 효과를 더 강하게 하기 위해 d=f=-0.354를 설정하고 축 투영 기법을 얻을 수 있습니다.그림자 변환 행렬: 다음으로 그래픽의 3차원 좌표를 화면의 장치 좌표로 변환해야 합니다. 원근감 창에서 좌표의 원점은 화면의 왼쪽 상단 모서리에 위치하고, 오른쪽 방향은 x축의 양의 방향이고, 아래쪽 방향은 y축의 양의 방향입니다.
3차원 공간의 점 (x, y, z)가 소자 좌표계에서 좌표 (xx, yy)를 갖는다고 가정하고, 방금 전 축사 투영 변환 행렬을 사용하면 다음 변환 공식을 얻을 수 있습니다. 공식에서 xX, yY는 소자 좌표계에서 3차원 좌표의 원점에 대한 상대 좌표입니다. 공식 (4)를 (5)에 대입하면 변환 방정식을 얻을 수 있습니다. 3. 입자계 효과 시뮬레이션 입자는 사각형으로 표현됩니다. 길이와 너비, 방향, 색상, 수명, 수량, 재료, 무게 및 속도와 같은 속성을 갖습니다.
파티클의 속성은 파티클 방출기와 파티클 영향기에 의해 결정됩니다. 파티클 방출기는 파티클 방출을 담당하며, 방출 시 파티클의 동작 속도, 색상, 수명 등의 속성을 부여합니다. 파티클 특수 효과 영향기는 파티클 방출 순간부터 소멸 직전 단계까지 파티클 속성의 변화를 담당하며, 이는 중력, 장력, 색상 감소 등과 같은 특수 효과를 시뮬레이션하는 데 사용될 수 있습니다. 파티클 방출기가 대량의 파티클을 끊임없이 분출하면 연기, 불, 폭발과 같은 효과를 구현할 수 있습니다.
OGRE는 스크립트에서 파티클의 다양한 속성을 설정할 수 있는 파티클 시스템 스크립팅 언어를 제공합니다. 이 글에서는 파티클 시스템을 통해 무대 불꽃놀이, 비, 구름의 효과를 설명합니다. OGRE의 애니메이션 효과와 결합하면 더욱 사실적인 장면 파티클 효과를 구현할 수 있습니다.
4. 조명 효과 시뮬레이션 조명은 무대 효과의 핵심 요소이자 이 디자인 시스템의 핵심 기술입니다. 렌더링 엔진은 점광원, 방향광, 스포트라이트 등 일반적으로 사용되는 여러 조명을 제공합니다. 하지만 실제 무대 조명 효과 시뮬레이션에는 이것만으로는 충분하지 않습니다.
볼류메트릭 라이트 등과 같은 일부 특수 무대 조명 효과는 프로그래밍 가능한 렌더링 파이프라인 기술(셰이더)을 통해 구현해야 합니다. 셰이더에는 두 가지 종류가 있는데, 하나는 정점 수준(vertex-level)의 정점 셰이더(OpenGL에서는 ve spit white 프로그램이라고 함)로, 고정된 렌더링 파이프라인의 변환 및 조명 부분을 대체하며 프로그래머가 정점 변환, 조명 등을 직접 제어할 수 있습니다. 하드웨어에서 정점 셰이더를 처리하는 장치를 정점 셰이더 프로세서(vertex processing unit)라고 합니다.
하나는 픽셀 셰이더(OpenGL에서는 프래그먼트 프로그램이라고 함)라고 하는 픽셀 수준입니다. 이는 고정된 렌더링 파이프라인에서 래스터화 부분을 대체하며, 프로그래머는 픽셀 색상과 텍스처 샘플링을 직접 제어할 수 있습니다. 하드웨어에서 픽셀 셰이더를 처리하는 장치를 픽셀 셰이더 프로세서(픽셀 처리 장치)라고 합니다. 조명 시뮬레이션을 더욱 사실적으로 만들기 위해서는 3D 조명 방정식을 사용하여 시뮬레이션하고 계산하는 것도 필요합니다.
이는 종종 근사 알고리즘이지만, 우수한 시뮬레이션 효과와 매우 빠른 실행 속도를 얻을 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 조명 모델은 전역 조명 모델과 직접 조명 모델 두 가지가 있습니다. 이 시스템은 전역 조명 모델을 사용합니다.
전역 조명 모델은 사실감을 매우 잘 시뮬레이션할 수 있는 조명 모델입니다. 물체 표면에서 빛의 반사, 굴절, 투과, 그림자, 그리고 상호 작용을 동시에 고려할 수 있습니다. 전역 조명 모델을 사용하면 실제 빛의 전파 과정과 에너지 교환의 복사 강도를 시뮬레이션할 수 있습니다.
광선 추적을 위해서는 광원의 직접 조명 결과와 점에 반사된 빛의 조명 효과를 고려하여 두 가지를 결합해야 합니다.다음으로, 휘도를 계산하기 위해 각 표면의 조명을 계산해야 합니다.여기서 Ld는 광원에 의해 조명된 빛, T는 빛 전파 계수, TLi는 다른 표면에서 반사된 빛, L은 최종적으로 필요한 조명 값입니다.시스템 인터페이스 및 요약 3. 시스템 인터페이스 시스템은 무대 전환, 무대 내 다양한 장면 효과, 무대 장면 및 다양한 조명과의 실시간 상호 작용을 실현할 수 있습니다.그림 4는 무대 불꽃놀이의 효과도이고, 그림 5는 체적 조명의 효과도입니다.
요약: 무대 조명 설계는 조명 디자이너들에게 큰 난제가 되었습니다. 조명 디자이너들은 종종 높은 비용, 높은 에너지 소비, 그리고 많은 시간이 소요되는 문제에 직면하게 됩니다. 정보 산업의 급속한 발전과 함께 전문 무대 조명 분야 또한 포괄적인 디지털 시대로 접어들었습니다.
이 시스템은 0-GRE 엔진을 사용하여 가상 무대를 구축하고, 무대 조명 설계 및 조정을 실시간으로 보여줍니다. 동시에 무대 조명 설계자를 위한 풍부한 시스템 상호작용 기능을 제공하여 이 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다. 다음으로, 시스템은 소프트 라이트, 플래시 라이트, 팔로우 스포트 라이트 등 다양한 조명을 시뮬레이션할 수 있도록 무대 조명 모델을 더욱 강화해야 합니다. 또한, 사용자 인터페이스도 더욱 최적화하여 사용자 친화성을 향상시켜야 합니다.