Дизайн и реализация виртуального эффекта сценического освещения

Используя архитектуру движка OGRE, более удобно моделировать реалистичную трехмерную среду освещения сцены.Присутствие и возможности взаимодействия самой виртуальной технологии могут не только преобразовывать статический дизайн и создание в динамическое воспроизведение, но и своевременно. и представляет концепцию дизайнера, креативность и вдохновение, зрелая и полная платформа системы виртуального дизайна является идеальной платформой для дизайнеров по свету, постановщиков выступлений, операторов управления освещением, обучения искусству освещения и демонстраций световых эффектов и т. д. Очень профессиональный и практичный инструмент дизайна и правый ассистент. Удобная интерактивная функция в режиме реального времени делает систему более оперативной и удобной. Эта система обеспечивает интерактивную операционную среду в реальном времени для удовлетворения потребностей пользователей.

1. Архитектура системы 1. Логическая архитектура Будь то игра или виртуальная реальность, чтобы показать ее реализм, виртуальная сцена в основном сложна, поэтому создание виртуальной сцены в основном создается с помощью инструмента 3D-моделирования, а затем сцена визуализируется и выводится в реальном времени. Для проектирования сценического освещения 3DMAX предоставляет базовые файлы сцен, которые анализируются через интерфейс DOM (объектная модель документа), а ресурсы импортируются и сцены организуются. Наконец, в систему OGRE для рендеринга.

Существуют различные модели освещения, и их эффекты нужно реализовывать в сцене отдельно. В то же время пользователи также должны иметь возможность выполнять различные операции через пользовательский интерфейс. Система требует высокой операционной сложности, большого объема вычислений и сильной масштабируемости.

Необходимо спроектировать и установить общую архитектуру реализации (как показано на рисунке 1) с высокой эффективностью обработки данных и вычислений, сильной масштабируемостью, слабой интеграцией и сильной связностью функциональных модулей.Система разделена на уровень ресурсов, уровень интерфейса и слой рендеринга. Слой ресурсов: экспортируется подключаемым модулем 3DMAX + Ofusion для создания файлов ресурсов, необходимых для организации сцены, материалов, сущностей, текстур и других систем. Слой интерфейса: отвечает за импорт этих файлов ресурсов в сцену.

Слой рендеринга: реализация рендеринга сцен и освещения, управление системными ресурсами, реакция в реальном времени на взаимодействие с пользователем и т. д. 2. Исследование ключевых технологий реализации системы 1. Организация сцен и файлы ресурсов, необходимые системе, экспортируются 3DMAX через плагин Ofusion. Экспортированный файл организации сцены имеет формат XML, в котором записаны некоторые основные параметры сцены и информация о положении и ориентации каждого объекта сцены.

Узлы сцены организованы в виде дерева.Каждый узел имеет соответствующий родительский узел, поэтому мы можем легко перемещать и вращать несколько дочерних узлов одновременно с помощью операции родительского узла. 2. Преобразование 3D-координат Для отображения результатов 3D-рендеринга на 2D-экране необходимо преобразовать 3D-координаты в координаты плоскости. Во-первых, необходимо установить трехмерную систему координат.Мы создаем трехмерную наклонную двухосную боковую систему координат, в которой направление оси x горизонтально слева, направление оси z вертикально вверх, а направление оси Y находится под углом 45° к горизонтальному направлению.

При отображении графики в этой системе координат длины по осям X и Z принимают фактическую длину графики, а длина по оси Y составляет половину фактической длины. В формуле ηx, ηy и ηz — коэффициенты осевой деформации по осям x, y и z. Осуществляя аксонометрическое проекционное преобразование, можно получить следующее уравнение: где f и d – коэффициенты матрицы аксонометрического преобразования, а решив это уравнение, можно получить: Для того, чтобы усилить трехмерный эффект, положим d=f=-0,354, а аксонометрическим методом можно получить матрицу преобразования теней: Далее необходимо преобразовать трехмерные координаты графики в координаты устройства на экране.В окне перспективы начало координат координаты расположены в верхнем левом углу экрана, направление вправо — положительное направление оси x, а направление вниз — положительное направление оси y.

Предполагая, что точка (x, y, z) в трехмерном пространстве имеет координаты (xx, yy) в координатах устройства, используя только что матрицу преобразования аксонометрической проекции, можно получить следующую формулу преобразования: xX, yY в формулу входят относительные координаты начала трехмерных координат в системе координат устройства. Подставив формулу (4) в (5), можно получить уравнение преобразования: 3. Моделирование эффекта системы частиц Частицы изображаются четырехугольниками. Он имеет такие атрибуты, как длина и ширина, направление, цвет, срок службы, количество, материал, вес и скорость.

Свойства частиц совместно определяются излучателем частиц и аффектором частиц. Эмиттер частиц отвечает за испускание частиц, придавая некоторые свойства частиц при их испускании, в том числе скорость движения, цвет, продолжительность жизни и т. испускания частиц на сцену до того, как она умрет, что можно использовать для имитации специальных эффектов, таких как гравитация, напряжение, затухание цвета и т. д. Такие эффекты, как дым, огонь и взрывы, могут быть созданы, когда излучатели частиц непрерывно извергают большое количество частиц.

OGRE предоставляет язык сценариев системы частиц, который может задавать различные свойства частиц в сценарии. В этой статье эффекты сценического фейерверка, дождя и облаков описываются через систему частиц. В сочетании с анимационным эффектом OGRE можно добиться более реалистичного эффекта частиц сцены.

4. Моделирование эффекта освещения Освещение является ключевым фактором эффекта сцены и основной технологией этой системы дизайна. Механизм рендеринга предоставляет несколько часто используемых источников света, таких как точечный свет, направленный свет и прожектор. Но для реальной сценической имитации светового эффекта этого недостаточно.

Для некоторых световых эффектов специальной сцены, таких как объемный свет и т. д., это необходимо реализовать с помощью технологии программируемого конвейера рендеринга (шейдера). Существует два типа шейдеров: один на уровне вершин, называемый вершинным шейдером (OpenGL называется программой ve spit white), заменяет часть преобразования и освещения в фиксированном конвейере рендеринга, программисты могут сами управлять преобразованием вершин, освещением и т. д. Блоки, которые аппаратно обрабатывают вершинные шейдеры, называются процессорами вершинных шейдеров (блоки обработки вершин).

Один из них — на уровне пикселей, называемый пиксельным шейдером (OpenGL называется фрагментной программой), который заменяет часть растеризации в фиксированном конвейере рендеринга, и программисты могут самостоятельно управлять цветом пикселей и выборкой текстуры. Блоки, которые аппаратно обрабатывают пиксельные шейдеры, называются процессорами пиксельных шейдеров (блоками обработки пикселей). Чтобы сделать моделирование освещения более реалистичным, также необходимо использовать уравнения трехмерного освещения для моделирования и расчета.

Часто это приблизительный алгоритм, но с его помощью можно добиться хорошего эффекта моделирования и очень высокой скорости работы. Существуют две распространенные модели освещения: модель глобального освещения и модель прямого освещения. Эта система использует модель глобального освещения.

Модель глобального освещения — это модель освещения, которая может очень хорошо имитировать реализм. Он может одновременно учитывать отражение, преломление, пропускание, тень и взаимодействие света с поверхностью объекта. Используя модель глобального освещения, необходимо смоделировать процесс распространения реального света и обмен энергией яркости.

Для трассировки лучей необходимо учитывать результат прямого освещения источника света и эффект освещения отражённым светом на точку, а также комбинировать их: поверхность: где Ld — свет, освещенный источником света, T — коэффициент распространения света, TLi — свет, отраженный от других поверхностей, а L — конечное требуемое значение света. Системный интерфейс и краткое описание 3. Системный интерфейс Система может реализовать переключение сцен, различные эффекты сцены на сцене и взаимодействие в реальном времени со сценой и различными источниками света. На рис. 4 представлена ​​диаграмма эффектов сценического фейерверка, а на рис. 5 — диаграмма эффектов объемного света.

Резюме: Дизайн сценического освещения стал серьезной проблемой для художников по свету. Им часто приходится сталкиваться с такими высокими затратами, высоким потреблением энергии и трудоемкими проблемами. С бурным развитием информационной индустрии область профессионального сценического освещения также вступила в эпоху цифровых технологий.

Система использует движок 0-GRE для создания виртуальной сцены и представляет дизайн и настройку сценического освещения в режиме реального времени.В то же время она предоставляет богатые функции взаимодействия с системой для дизайнеров сценического освещения, которые могут очень хорошо решить эту проблему. Затем системе необходимо дополнительно обогатить модель освещения сцены, которая может имитировать различные источники света, такие как: мягкий свет, вспышка, следящий точечный свет и т. д. Пользовательский интерфейс также нуждается в дальнейшей оптимизации для повышения удобства использования.