การออกแบบและการสร้างเอฟเฟ็กต์เสมือนจริงของการจัดแสงเวที

การใช้สถาปัตยกรรมของเอ็นจิ้น OGRE ทำให้สะดวกยิ่งขึ้นในการจำลองสภาพแวดล้อมแสงบนเวทีสามมิติที่เหมือนจริง นอกจากนี้ ความสามารถในการแสดงตนและการโต้ตอบของเทคโนโลยีเสมือนจริงนั้นไม่เพียงเปลี่ยนการออกแบบและการสร้างที่หยุดนิ่งให้เป็นการสร้างซ้ำแบบไดนามิกเท่านั้น และนำเสนอแนวคิด ความคิดสร้างสรรค์ และแรงบันดาลใจของนักออกแบบ แพลตฟอร์มระบบการออกแบบเสมือนจริงที่สมบูรณ์และสมบูรณ์เป็นแพลตฟอร์มที่เหมาะสำหรับนักออกแบบแสง ผู้กำกับการแสดง ผู้ควบคุมแสง การสอนศิลปะการจัดแสง และการสาธิตเอฟเฟกต์แสง ฯลฯ เครื่องมือออกแบบระดับมืออาชีพและใช้งานได้จริง และผู้ช่วยมือขวา ฟังก์ชันโต้ตอบแบบเรียลไทม์และสะดวกทำให้ระบบทำงานแบบเรียลไทม์และใช้งานได้มากขึ้น ระบบนี้มีสภาพแวดล้อมการทำงานแบบโต้ตอบตามเวลาจริงเพื่อตอบสนองความต้องการของผู้ใช้

1. สถาปัตยกรรมระบบ 1. สถาปัตยกรรมลอจิก ไม่ว่าจะเป็นเกมหรือความจริงเสมือน เพื่อแสดงความสมจริง ฉากเสมือนจริงนั้นซับซ้อนเป็นส่วนใหญ่ ดังนั้นการสร้างฉากเสมือนจริงจึงถูกสร้างขึ้นโดยเครื่องมือสร้างแบบจำลอง 3 มิติเป็นส่วนใหญ่ จากนั้น ฉากจะถูกเรนเดอร์และแสดงผลตามเวลาจริง สำหรับการออกแบบแสงเวที 3DMAX มีไฟล์ฉากพื้นฐาน ซึ่งวิเคราะห์ผ่านอินเทอร์เฟซ DOM (Document Object Model) และนำเข้าทรัพยากรและจัดฉาก ในที่สุดก็เข้าสู่ระบบ OGRE สำหรับการเรนเดอร์

มีโมเดลการจัดแสงที่หลากหลาย และจำเป็นต้องสร้างเอฟเฟกต์แยกต่างหากในฉาก ในขณะเดียวกัน ผู้ใช้ควรสามารถดำเนินการต่างๆ ผ่านอินเทอร์เฟซ UI ระบบต้องการความซับซ้อนในการปฏิบัติงานสูง การคำนวณจำนวนมาก และความสามารถในการปรับขนาดที่แข็งแกร่ง

จำเป็นต้องออกแบบและสร้างสถาปัตยกรรมการใช้งานโดยรวม (ดังแสดงใน รูปที่ 1) ด้วยประสิทธิภาพการประมวลผลข้อมูลและการประมวลผลสูง, ความสามารถในการปรับขนาดที่แข็งแกร่ง, การรวมแบบหลวม ๆ และการทำงานร่วมกันที่แข็งแกร่งของโมดูลการทำงาน ระบบแบ่งออกเป็นชั้นทรัพยากร ชั้นอินเทอร์เฟซ และ เลเยอร์การแสดงผล ชั้นทรัพยากร: ส่งออกโดยปลั๊กอิน 3DMAX + Ofusion เพื่อสร้างไฟล์ทรัพยากรที่จำเป็นสำหรับการจัดฉาก วัสดุ เอนทิตี พื้นผิว และระบบอื่นๆ เลเยอร์ส่วนต่อประสาน: รับผิดชอบการนำเข้าไฟล์ทรัพยากรเหล่านี้เข้าสู่ฉาก

เลเยอร์การเรนเดอร์: ตระหนักถึงการเรนเดอร์ฉากและแสงบนเวที การจัดการทรัพยากรระบบ การตอบสนองตามเวลาจริงต่อการโต้ตอบของผู้ใช้ ฯลฯ 2. การวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีที่สำคัญของการทำให้เป็นจริงของระบบ 1. การจัดระเบียบฉากและไฟล์ทรัพยากรที่ระบบต้องการจะถูกส่งออกโดย 3DMAX ผ่านปลั๊กอิน Ofusion ไฟล์การจัดระเบียบฉากที่ส่งออกอยู่ในรูปแบบ XML ซึ่งบันทึกพารามิเตอร์พื้นฐานบางอย่างของสเตจและข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่งและการวางแนวของเอนทิตีแต่ละสเตจ

โหนดฉากถูกจัดระเบียบในรูปแบบต้นไม้ แต่ละโหนดมี โหนดแม่ที่สอดคล้องกัน ดังนั้น เราจึงสามารถย้ายและหมุนโหนดลูกหลาย ๆ โหนดพร้อมกันได้อย่างง่ายดายผ่านการทำงานของโหนดแม่ 2. การแปลงพิกัด 3 มิติ ในการแสดงผลการแสดงผล 3 มิติบนหน้าจอ 2 มิติ จำเป็นต้องแปลงจากพิกัด 3 มิติเป็นพิกัดระนาบ ขั้นแรก ต้องสร้างระบบพิกัดสามมิติ เราสร้างระบบพิกัดด้านข้างสองแกนแบบสามมิติ ซึ่งทิศทางของแกน x อยู่ในแนวนอนไปทางซ้าย ทิศทางของแกน z คือ ในแนวตั้งขึ้น และทิศทางของแกน y ทำมุม 45° กับทิศทางแนวนอน

เมื่อแสดงกราฟิกในระบบพิกัดนี้ ความยาวในทิศทางแกน x และแกน z จะเท่ากับความยาวจริงของกราฟิก และความยาวในทิศทางแกน y จะเท่ากับครึ่งหนึ่งของความยาวจริง ในสูตร ηx, ηy และ ηz คือค่าสัมประสิทธิ์การเปลี่ยนรูปตามแนวแกนของแกน x, y และ z ดำเนินการแปลงการฉายภาพแอกโซโนเมตริก จะได้สมการต่อไปนี้ โดยที่ f และ d เป็นสัมประสิทธิ์ของเมทริกซ์การแปลงแอกโซโนเมตริก และโดยการแก้สมการนี้ จะได้: เพื่อให้เอฟเฟกต์สามมิติแข็งแกร่งขึ้น ให้ตั้งค่า d=f=-0.354 และสามารถรับเทคนิค axonometric เมทริกซ์การแปลงเงา: ถัดไป จำเป็นต้องแปลงพิกัดสามมิติของกราฟิกเป็นพิกัดอุปกรณ์บนหน้าจอ ในหน้าต่าง มุมมอง ที่มาของ พิกัดจะอยู่ที่มุมซ้ายบนของหน้าจอ ทิศทางขวาคือทิศทางบวกของแกน x และทิศทางลงคือทิศทางบวกของแกน y

สมมติว่าจุด (x, y, z) ในพื้นที่สามมิติมีพิกัด (xx, yy) ในพิกัดอุปกรณ์ โดยใช้เมทริกซ์การแปลงเส้นโครงแบบ axonometric ในตอนนี้ จะได้สูตรการแปลงต่อไปนี้: xX, yY ในสูตรคือ พิกัดสัมพัทธ์ของจุดกำเนิดของพิกัดสามมิติในระบบพิกัดอุปกรณ์ แทนสูตร (4) เป็น (5) จะได้สมการการแปลง: 3. การจำลองผลกระทบของระบบอนุภาค อนุภาคแสดงด้วยรูปสี่เหลี่ยม มีคุณลักษณะต่างๆ เช่น ความยาวและความกว้าง ทิศทาง สี อายุการใช้งาน ปริมาณ วัสดุ น้ำหนัก และความเร็ว

คุณสมบัติของอนุภาคถูกกำหนดร่วมกันโดยตัวปล่อยอนุภาคและตัวส่งผลกระทบต่ออนุภาค ตัวปล่อยอนุภาคมีหน้าที่ปล่อยอนุภาคโดยให้คุณสมบัติบางอย่างของอนุภาคเมื่อถูกปล่อยออกมา รวมถึงความเร็วในการเคลื่อนที่ สี อายุขัย ฯลฯ เอฟเฟกต์พิเศษของอนุภาคมีหน้าที่รับผิดชอบในการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของอนุภาคตั้งแต่ชั่วขณะ ของการปล่อยอนุภาคไปยังระยะก่อนที่มันจะตาย ซึ่งสามารถใช้ในการจำลองเอฟเฟกต์พิเศษ เช่น แรงโน้มถ่วง แรงดึง การสลายตัวของสี เป็นต้น เอฟเฟกต์ต่างๆ เช่น ควัน ไฟ และการระเบิดสามารถสร้างขึ้นได้เมื่อตัวปล่อยอนุภาคพ่นอนุภาคจำนวนมากออกมาอย่างไม่หยุดหย่อน

OGRE จัดเตรียมภาษาสคริปต์ของระบบอนุภาค ซึ่งสามารถตั้งค่าคุณสมบัติต่างๆ ของอนุภาคในสคริปต์ได้ ในบทความนี้ อธิบายผลกระทบของดอกไม้ไฟบนเวที ฝน และเมฆผ่านระบบอนุภาค เมื่อรวมกับเอฟเฟ็กต์แอนิเมชันของ OGRE จะได้เอฟเฟ็กต์อนุภาคของฉากที่สมจริงยิ่งขึ้น

4. การจำลองเอฟเฟ็กต์การส่องสว่าง การส่องสว่างเป็นปัจจัยสำคัญของเอฟเฟ็กต์เวทีและเทคโนโลยีหลักของระบบการออกแบบนี้ เอ็นจิ้นการเรนเดอร์มีไฟที่ใช้กันทั่วไปหลายดวง เช่น ไฟส่องเฉพาะจุด ไฟส่องทิศทาง และไฟสปอตไลท์ แต่สำหรับการจำลองเอฟเฟกต์แสงบนเวทีจริง สิ่งเหล่านี้ยังไม่เพียงพอ

สำหรับเอฟเฟ็กต์แสงบนเวทีแบบพิเศษบางอย่าง เช่น แสงเชิงปริมาตร ฯลฯ จำเป็นต้องรับรู้ผ่านเทคโนโลยีไปป์ไลน์การเรนเดอร์ที่ตั้งโปรแกรมได้ (เชดเดอร์) มีเชเดอร์สองประเภท หนึ่งคือระดับจุดยอดเรียกว่าจุดสุดยอดเชดเดอร์ (OpenGL เรียกว่าโปรแกรม ve spit white) แทนที่ส่วนการแปลงและแสงในไปป์ไลน์การเรนเดอร์คงที่ โปรแกรมเมอร์สามารถควบคุมการแปลงจุดยอด แสง ฯลฯ ได้ด้วยตัวเอง หน่วยที่ประมวลผลเวอร์เท็กซ์เชดเดอร์ในฮาร์ดแวร์เรียกว่า เวอร์เท็กซ์เชดเดอร์โปรเซสเซอร์ (หน่วยประมวลผลเวอร์เท็กซ์)

หนึ่งคือระดับพิกเซลที่เรียกว่า pixel shader (OpenGL เรียกว่าโปรแกรมแฟรกเมนต์) ซึ่งจะแทนที่ส่วนแรสเตอร์ในไปป์ไลน์การเรนเดอร์คงที่ และโปรแกรมเมอร์สามารถควบคุมสีพิกเซลและการสุ่มตัวอย่างพื้นผิวได้ด้วยตัวเอง หน่วยที่ประมวลผล pixel shader ในฮาร์ดแวร์เรียกว่า pixel shader processors (pixel processing unit) เพื่อให้การจำลองแสงสมจริงยิ่งขึ้น ยังจำเป็นต้องใช้สมการแสง 3 มิติในการจำลองและคำนวณอีกด้วย

นี่มักจะเป็นอัลกอริทึมโดยประมาณ แต่สามารถบรรลุผลการจำลองที่ดีและความเร็วในการทำงานที่รวดเร็วมาก มีโมเดลการส่องสว่างทั่วไปสองแบบ: โมเดลการส่องสว่างส่วนกลางและรูปแบบการส่องสว่างโดยตรง ระบบนี้ใช้แบบจำลองการส่องสว่างทั่วโลก

แบบจำลองแสงทั่วโลกเป็นแบบจำลองแสงที่สามารถจำลองความสมจริงได้เป็นอย่างดี สามารถคำนึงถึงการสะท้อน การหักเห การส่งผ่าน เงา และปฏิสัมพันธ์ของแสงบนพื้นผิวของวัตถุในเวลาเดียวกัน การใช้แบบจำลองการส่องสว่างทั่วโลก จำเป็นต้องจำลองกระบวนการแพร่กระจายของแสงจริงและความสว่างของการแลกเปลี่ยนพลังงาน

สำหรับการติดตามรังสี จำเป็นต้องพิจารณาผลลัพธ์การส่องสว่างโดยตรงของแหล่งกำเนิดแสงและเอฟเฟกต์การส่องสว่างของแสงสะท้อนบนจุด และรวมทั้งสองอย่างเข้าด้วยกัน: ถัดไป ในการคำนวณความสว่าง จำเป็นต้องคำนวณการส่องสว่างในแต่ละจุด พื้นผิว: โดยที่ Ld คือแสงที่ส่องสว่างจากแหล่งกำเนิดแสง T คือปัจจัยการแพร่กระจายแสง TLi คือแสงที่สะท้อนจากพื้นผิวอื่น และ L คือค่าแสงสุดท้ายที่ต้องการ อินเทอร์เฟซระบบและบทสรุป 3. อินเทอร์เฟซระบบ ระบบสามารถตระหนักถึงการสลับเวที เอฟเฟกต์ฉากต่างๆ บนเวที และการโต้ตอบแบบเรียลไทม์กับฉากเวทีและไฟต่างๆ รูปที่ 4 คือแผนภาพเอฟเฟกต์ของดอกไม้ไฟบนเวที และรูปที่ 5 คือแผนภาพเอฟเฟกต์ของแสงเชิงปริมาตร

สรุป: การออกแบบแสงเวทีกลายเป็นปัญหาใหญ่สำหรับนักออกแบบแสง พวกเขามักต้องเผชิญกับปัญหาต้นทุนสูง การใช้พลังงานสูง และใช้เวลานาน ด้วยการพัฒนาอย่างแข็งแกร่งของอุตสาหกรรมข้อมูล การจัดแสงเวทีระดับมืออาชีพได้เข้าสู่ยุคดิจิทัลอย่างครอบคลุม

ระบบใช้กลไก 0-GRE เพื่อสร้างเวทีเสมือนจริงและนำเสนอการออกแบบและการปรับแสงบนเวทีแบบเรียลไทม์ ขณะเดียวกัน ก็มีฟังก์ชันการโต้ตอบกับระบบที่หลากหลายสำหรับนักออกแบบแสงบนเวทีซึ่งสามารถแก้ปัญหานี้ได้เป็นอย่างดี ถัดไป ระบบจำเป็นต้องเพิ่มรูปแบบแสงของเวทีให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น ซึ่งสามารถจำลองแสงต่างๆ ได้ เช่น แสงนวล แสงแฟลช ไฟติดตามจุด ฯลฯ ส่วนต่อประสานกับผู้ใช้ยังต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมเพิ่มเติมเพื่อปรับปรุงความเป็นมิตรต่อผู้ใช้