Проектирование и реализация виртуального эффекта сценического освещения

Используя архитектуру движка OGRE, становится удобнее моделировать реалистичную трёхмерную световую среду сцены. Наличие и интерактивность виртуальных технологий позволяют не только преобразовать статичный дизайн и творческое начало в динамичное воспроизведение, но и синхронизировать их. Продуманная и комплексная платформа для виртуального дизайна, отражающая и представляющая замысел, творческий потенциал и вдохновение дизайнера, идеально подходит для светодизайнеров, постановщиков, операторов управления освещением, преподавателей светового искусства и демонстраций световых эффектов и т. д. Это профессиональный и практичный инструмент дизайна, незаменимый помощник. Удобная интерактивная функция в режиме реального времени делает систему более оперативной и управляемой. Эта система предоставляет интерактивную рабочую среду в режиме реального времени, отвечающую потребностям пользователей.

1. Архитектура системы. 1. Логическая архитектура. Будь то игра или виртуальная реальность, виртуальная сцена, как правило, сложна для достижения реализма. Поэтому её создание обычно осуществляется с помощью инструмента 3D-моделирования, после чего сцена визуализируется и выводится в режиме реального времени. Для проектирования сценического освещения 3DMAX предоставляет базовые файлы сцен, которые анализируются через интерфейс DOM (Document Object Model), импортируются ресурсы и организуются сцены. В конечном итоге, сцены передаются в систему OGRE для рендеринга.

Существуют различные модели освещения, и их эффекты необходимо реализовать в сцене по отдельности. При этом пользователи должны иметь возможность выполнять различные операции через пользовательский интерфейс. Система требует высокой операционной сложности, большого объёма вычислений и высокой масштабируемости.

Необходимо разработать и создать общую архитектуру реализации (как показано на рисунке 1) с высокой эффективностью обработки данных и вычислений, высокой масштабируемостью, свободной интеграцией и прочной связностью функциональных модулей. Система разделена на уровень ресурсов, уровень интерфейса и уровень рендеринга. Уровень ресурсов: экспортируется плагином 3DMAX + Ofusion для генерации файлов ресурсов, необходимых для организации сцены, материалов, сущностей, текстур и других систем. Уровень интерфейса: отвечает за импорт этих файлов ресурсов в сцену.

Уровень рендеринга: Реализация рендеринга сцен и освещения сцены, управление системными ресурсами, реагирование на действия пользователя в режиме реального времени и т. д. 2. Исследование ключевых технологий реализации системы. 1. Организация сцен и файлы ресурсов, необходимые системе, экспортируются 3DMAX через плагин Ofusion. Экспортируемый файл организации сцены имеет формат XML и содержит некоторые основные параметры сцены, а также информацию о положении и ориентации каждого объекта сцены.

Узлы сцены организованы в древовидную структуру. Каждому узлу соответствует родительский узел, поэтому мы можем легко перемещать и вращать несколько дочерних узлов одновременно, используя родительский узел. 2. Преобразование 3D-координат. Для отображения результатов 3D-рендеринга на 2D-экране необходимо преобразовать 3D-координаты в плоские координаты. Сначала необходимо задать трёхмерную систему координат. Мы создаём трёхмерную косоугольную двухосную боковую систему координат, в которой ось x направлена ​​горизонтально влево, ось z направлена ​​вертикально вверх, а ось y расположена под углом 45° к горизонтали.

При отображении графики в этой системе координат длины в направлениях осей x и z принимают фактическую длину графики, а длина в направлении оси y принимает половину фактической длины. В формуле ηx, ηy и ηz являются коэффициентами осевой деформации осей x, y и z. Выполняя преобразование аксонометрической проекции, можно получить следующее уравнение: где f и d являются коэффициентами матрицы аксонометрического преобразования, и, решая это уравнение, можно получить: Чтобы усилить трехмерный эффект, задайте d = f = -0,354, и можно получить аксонометрический прием Матрица преобразования тени: Далее необходимо преобразовать трехмерные координаты графики в координаты устройства на экране. В окне перспективы начало координат находится в левом верхнем углу экрана, направление вправо — положительное направление оси x, а направление вниз — положительное направление оси y.

Предполагая, что точка (x, y, z) в трёхмерном пространстве имеет координаты (xx, yy) в системе координат устройства, используя матрицу преобразования аксонометрической проекции, можно получить следующую формулу преобразования: xX, yY в формуле – относительные координаты начала трёхмерной системы координат в системе координат устройства. Подставляя формулу (4) в (5), можно получить уравнение преобразования: 3. Моделирование эффекта системы частиц. Частицы представлены четырёхугольниками. Они имеют такие атрибуты, как длина и ширина, направление, цвет, срок службы, количество, материал, вес и скорость.

Свойства частиц определяются совместно излучателем частиц и аффектором частиц. Излучатель частиц отвечает за испускание частиц, задавая им некоторые свойства при испускании, включая скорость движения, цвет, продолжительность жизни и т. д.; инфлюенсер спецэффектов частиц отвечает за изменение свойств частиц с момента испускания до стадии, предшествующей их гибели. Это можно использовать для моделирования спецэффектов, таких как гравитация, напряжение, исчезновение цвета и т. д. Такие эффекты, как дым, огонь и взрывы, могут быть созданы, когда излучатели частиц непрерывно испускают большое количество частиц.

OGRE предоставляет язык скриптов для систем частиц, позволяющий задавать различные свойства частиц в скрипте. В этой статье описываются эффекты фейерверков, дождя и облаков на сцене с помощью системы частиц. В сочетании с анимационными эффектами OGRE можно добиться более реалистичного эффекта частиц в сцене.

4. Имитация эффекта освещения. Освещение — ключевой фактор сценического эффекта и основная технология этой системы дизайна. Движок рендеринга предоставляет несколько распространённых источников света, таких как точечный, направленный и прожекторный. Однако для имитации настоящего эффекта сценического освещения этого недостаточно.

Для некоторых специальных эффектов сценического освещения, таких как объёмный свет и т. д., требуется реализация с помощью технологии программируемого конвейера рендеринга (шейдера). Существует два типа шейдеров: один — вершинный, называемый вершинным шейдером (в OpenGL он называется «ve spit white program»), который заменяет части преобразования и освещения в фиксированном конвейере рендеринга, и программисты могут самостоятельно управлять преобразованиями вершин, освещением и т. д. Блоки, обрабатывающие вершинные шейдеры на аппаратном уровне, называются процессорами вершинных шейдеров (блоками обработки вершин).

Один из них — пиксельный, называемый пиксельным шейдером (в OpenGL он называется фрагментной программой), который заменяет часть растеризации в фиксированном конвейере рендеринга, позволяя программистам самостоятельно управлять цветом пикселей и сэмплированием текстур. Блоки, обрабатывающие пиксельные шейдеры на аппаратном уровне, называются процессорами пиксельных шейдеров (пиксельными процессорами). Для повышения реалистичности моделирования освещения необходимо также использовать уравнения трёхмерного освещения для моделирования и расчёта.

Этот алгоритм часто является приблизительным, но он позволяет добиться хорошего эффекта симуляции и очень высокой скорости работы. Существуют две распространённые модели освещения: модель глобального освещения и модель прямого освещения. Данная система использует модель глобального освещения.

Модель глобального освещения — это модель освещения, которая позволяет очень точно имитировать реалистичность. Она позволяет одновременно учитывать отражение, преломление, пропускание, тени и взаимодействие света на поверхности объекта. Используя модель глобального освещения, необходимо моделировать процесс распространения реального света и энергетического обмена.

Для трассировки лучей необходимо учитывать результат прямого освещения источника света и эффект освещения отраженного света на точке, и объединить два: Затем, чтобы рассчитать яркость, необходимо рассчитать освещенность на каждой поверхности: где Ld - свет, освещенный источником света, T - коэффициент распространения света, TLi - свет, отраженный от других поверхностей, а L - конечное требуемое значение освещенности. Интерфейс системы и резюме 3. Интерфейс системы Система может реализовывать переключение сцен, различные эффекты сцены на сцене и взаимодействие в реальном времени со сценами сцены и различными источниками света. На рисунке 4 представлена ​​диаграмма эффекта фейерверка на сцене, а на рисунке 5 - диаграмма эффекта объемного света.

Резюме: Проектирование сценического освещения стало серьёзной проблемой для светодизайнеров. Им часто приходится сталкиваться с такими проблемами, как высокая стоимость, высокое энергопотребление и большие временные затраты. Благодаря бурному развитию информационной индустрии сфера профессионального сценического освещения также вступила в эпоху цифровых технологий.

Система использует движок 0-GRE для создания виртуальной сцены и отображает проект и настройку освещения сцены в режиме реального времени. Кроме того, она предоставляет богатые функции взаимодействия с системой для дизайнеров освещения сцены, что позволяет эффективно решать эту задачу. Далее, системе необходимо расширить модель освещения сцены, которая может имитировать различные источники света, такие как рассеянный свет, импульсный свет, следящий точечный свет и т.д. Пользовательский интерфейс также требует дальнейшей оптимизации для повышения удобства использования.