การออกแบบและการสร้างเอฟเฟกต์แสงเสมือนจริงบนเวที

การใช้สถาปัตยกรรมของเอ็นจิ้น OGRE ช่วยให้การจำลองสภาพแวดล้อมแสงบนเวทีสามมิติที่สมจริงเป็นไปได้อย่างสะดวกยิ่งขึ้น ความสามารถในการแสดงและการโต้ตอบของเทคโนโลยีเสมือนจริงไม่เพียงแต่เปลี่ยนการออกแบบและการสร้างสรรค์แบบคงที่ให้กลายเป็นการจำลองแบบไดนามิก แต่ยังช่วยประหยัดเวลาได้อีกด้วย แพลตฟอร์มระบบออกแบบเสมือนจริงที่สมบูรณ์แบบและสมบูรณ์นี้ รวบรวมและนำเสนอแนวคิด ความคิดสร้างสรรค์ และแรงบันดาลใจของผู้ออกแบบ จึงเป็นแพลตฟอร์มที่เหมาะสำหรับนักออกแบบแสง ผู้กำกับการแสดง ผู้ควบคุมแสง ผู้สอนศิลปะแสง และการสาธิตเอฟเฟกต์แสง ฯลฯ เป็นเครื่องมือออกแบบที่เป็นมืออาชีพและใช้งานได้จริง พร้อมผู้ช่วยมือขวา ฟังก์ชันอินเทอร์แอคทีฟแบบเรียลไทม์ที่สะดวกสบายช่วยให้ระบบทำงานได้แบบเรียลไทม์และใช้งานได้จริงมากขึ้น ระบบนี้มอบสภาพแวดล้อมการทำงานแบบอินเทอร์แอคทีฟแบบเรียลไทม์ที่ตอบสนองความต้องการของผู้ใช้

1. สถาปัตยกรรมระบบ 1. สถาปัตยกรรมตรรกะ ไม่ว่าจะเป็นเกมหรือโลกเสมือนจริง ฉากเสมือนจริงส่วนใหญ่มีความซับซ้อนเพื่อแสดงให้เห็นถึงความสมจริง ดังนั้นการสร้างฉากเสมือนจริงจึงส่วนใหญ่จึงสร้างขึ้นโดยเครื่องมือสร้างแบบจำลอง 3 มิติ จากนั้นฉากจะถูกเรนเดอร์และแสดงผลแบบเรียลไทม์ สำหรับการออกแบบแสงบนเวที 3DMAX มีไฟล์ฉากพื้นฐาน ซึ่งจะถูกวิเคราะห์ผ่านอินเทอร์เฟซ DOM (Document Object Model) จากนั้นนำเข้าทรัพยากรและจัดระเบียบฉาก สุดท้ายจึงเข้าสู่ระบบ OGRE เพื่อเรนเดอร์

มีรูปแบบการจัดแสงที่หลากหลาย และจำเป็นต้องสร้างเอฟเฟกต์แยกกันในแต่ละฉาก ขณะเดียวกัน ผู้ใช้ควรสามารถดำเนินการต่างๆ ผ่านทางอินเทอร์เฟซ UI ได้เช่นกัน ระบบนี้ต้องการความซับซ้อนในการดำเนินงานสูง การคำนวณจำนวนมาก และความสามารถในการปรับขนาดที่แข็งแกร่ง

จำเป็นต้องออกแบบและสร้างสถาปัตยกรรมการใช้งานโดยรวม (ดังแสดงในรูปที่ 1) ให้มีประสิทธิภาพการประมวลผลและการคำนวณข้อมูลสูง ความสามารถในการปรับขนาดที่แข็งแกร่ง การผสานรวมที่หลวม และการทำงานร่วมกันของโมดูลฟังก์ชันอย่างแน่นหนา ระบบแบ่งออกเป็นเลเยอร์ทรัพยากร เลเยอร์อินเทอร์เฟซ และเลเยอร์การเรนเดอร์ เลเยอร์ทรัพยากร: ส่งออกโดยปลั๊กอิน 3DMAX + Ofusion เพื่อสร้างไฟล์ทรัพยากรที่จำเป็นสำหรับการจัดฉาก วัสดุ เอนทิตี พื้นผิว และระบบอื่นๆ เลเยอร์อินเทอร์เฟซ: รับผิดชอบการนำเข้าไฟล์ทรัพยากรเหล่านี้เข้าสู่ฉาก

เลเยอร์การเรนเดอร์: ดำเนินการเรนเดอร์ฉากและแสงบนเวที การจัดการทรัพยากรระบบ การตอบสนองแบบเรียลไทม์ต่อการโต้ตอบของผู้ใช้ ฯลฯ 2. การวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีหลักในการสร้างระบบ 1. การจัดระเบียบฉากและไฟล์ทรัพยากรที่ระบบต้องการจะถูกส่งออกโดย 3DMAX ผ่านปลั๊กอิน Ofusion ไฟล์การจัดระเบียบฉากที่ส่งออกจะอยู่ในรูปแบบ XML ซึ่งบันทึกพารามิเตอร์พื้นฐานบางอย่างของฉากและข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่งและทิศทางของแต่ละเอนทิตีของฉาก

โหนดฉากถูกจัดเรียงในรูปแบบต้นไม้ แต่ละโหนดมีโหนดหลักที่สอดคล้องกัน ดังนั้นเราจึงสามารถย้ายและหมุนโหนดย่อยหลายโหนดพร้อมกันได้อย่างง่ายดายผ่านการทำงานของโหนดหลัก 2. การแปลงพิกัด 3 มิติ ในการแสดงผลการเรนเดอร์ 3 มิติบนหน้าจอ 2 มิติ จำเป็นต้องแปลงพิกัด 3 มิติเป็นพิกัดระนาบ ขั้นแรก จำเป็นต้องสร้างระบบพิกัดสามมิติขึ้นมา เราสร้างระบบพิกัดสองแกนเฉียงสามมิติ ซึ่งทิศทางของแกน x จะเป็นแนวนอนไปทางซ้าย ทิศทางของแกน z จะเป็นแนวตั้งขึ้น และทิศทางของแกน y จะเป็นมุม 45° กับแนวนอน

เมื่อแสดงกราฟิกในระบบพิกัดนี้ ความยาวในทิศทางแกน x และแกน z จะใช้ความยาวจริงของกราฟิก และความยาวในทิศทางแกน y จะใช้ครึ่งหนึ่งของความยาวจริง ในสูตร ηx, ηy และ ηz คือค่าสัมประสิทธิ์การเสียรูปตามแนวแกนของแกน x, y และ z เมื่อทำการแปลงภาพฉายแอกโซโนเมตริก จะได้สมการต่อไปนี้: โดยที่ f และ d คือค่าสัมประสิทธิ์ของเมทริกซ์การแปลงแอกโซโนเมตริก และเมื่อแก้สมการนี้ จะได้: เพื่อให้เอฟเฟกต์สามมิติแข็งแกร่งขึ้น ให้กำหนด d=f=-0.354 และสามารถหาเทคนิคแอกโซโนเมตริกได้ เมทริกซ์การแปลงเงา: ต่อไป จำเป็นต้องแปลงพิกัดสามมิติของกราฟิกเป็นพิกัดอุปกรณ์บนหน้าจอ ในหน้าต่างมุมมอง จุดกำเนิดของพิกัดจะอยู่ที่มุมซ้ายบนของหน้าจอ ทิศทางไปทางขวาคือทิศทางบวกของแกน x และทิศทางลงคือทิศทางบวกของแกน y

สมมติว่าจุด (x, y, z) ในปริภูมิสามมิติมีพิกัด (xx, yy) ในพิกัดของอุปกรณ์ เมื่อใช้เมทริกซ์การแปลงการฉายภาพแอกโซโนเมตริก ณ ขณะนี้ จะได้สูตรการแปลงดังนี้: xX, yY ในสูตรคือ พิกัดสัมพัทธ์ของจุดกำเนิดของพิกัดสามมิติในระบบพิกัดของอุปกรณ์ เมื่อแทนสูตร (4) ลงใน (5) จะได้สมการการแปลงดังนี้: 3. การจำลองผลกระทบระบบอนุภาค อนุภาคแสดงด้วยรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน ซึ่งมีแอตทริบิวต์ต่างๆ เช่น ความยาวและความกว้าง ทิศทาง สี อายุการใช้งาน ปริมาณ วัสดุ น้ำหนัก และความเร็ว

คุณสมบัติของอนุภาคถูกกำหนดร่วมกันโดยตัวปล่อยอนุภาค (Particle Emitter) และตัวรับอนุภาค (Particle Affector) ตัวปล่อยอนุภาคมีหน้าที่ปล่อยอนุภาคออกมา ซึ่งให้คุณสมบัติบางประการของอนุภาคเมื่อถูกปล่อยออกมา เช่น ความเร็วในการเคลื่อนที่ สี อายุขัย ฯลฯ ส่วนตัวสร้างเอฟเฟกต์พิเศษของอนุภาคมีหน้าที่เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของอนุภาคตั้งแต่ช่วงเวลาที่อนุภาคถูกปล่อยออกมาจนถึงระยะก่อนที่อนุภาคจะตาย ซึ่งสามารถใช้เพื่อจำลองเอฟเฟกต์พิเศษต่างๆ เช่น แรงโน้มถ่วง แรงตึง สีที่จางลง เป็นต้น เอฟเฟกต์ต่างๆ เช่น ควัน ไฟ และการระเบิด อาจเกิดขึ้นได้เมื่อตัวปล่อยอนุภาคพ่นอนุภาคออกมาจำนวนมากอย่างต่อเนื่อง

OGRE มีภาษาสคริปต์ระบบอนุภาค ซึ่งสามารถตั้งค่าคุณสมบัติต่างๆ ของอนุภาคในสคริปต์ได้ บทความนี้จะอธิบายเอฟเฟกต์ของดอกไม้ไฟ ฝน และเมฆบนเวทีผ่านระบบอนุภาค เมื่อใช้ร่วมกับเอฟเฟกต์แอนิเมชันของ OGRE จะทำให้สามารถสร้างเอฟเฟกต์อนุภาคในฉากที่สมจริงยิ่งขึ้นได้

4. การจำลองเอฟเฟกต์แสง แสงสว่างเป็นปัจจัยสำคัญของเอฟเฟกต์บนเวทีและเป็นเทคโนโลยีหลักของระบบการออกแบบนี้ เอ็นจิ้นการเรนเดอร์มีแสงที่ใช้กันทั่วไปหลายแบบ เช่น แสงจุด แสงทิศทาง และแสงสปอตไลท์ แต่สำหรับการจำลองเอฟเฟกต์แสงบนเวทีจริง แสงเหล่านี้ยังไม่เพียงพอ

สำหรับเอฟเฟกต์แสงบนเวทีแบบพิเศษบางอย่าง เช่น แสงแบบวอลุ่มเมตริก ฯลฯ จำเป็นต้องสร้างเอฟเฟกต์นี้ผ่านเทคโนโลยีไปป์ไลน์การเรนเดอร์แบบตั้งโปรแกรมได้ (เชเดอร์) เชเดอร์มีสองประเภท ประเภทหนึ่งคือระดับเวอร์เท็กซ์ เรียกว่าเวอร์เท็กซ์เชเดอร์ (OpenGL เรียกว่า ve spit white program) ซึ่งทำหน้าที่แทนที่ส่วนการแปลงและแสงในไปป์ไลน์การเรนเดอร์แบบคงที่ และโปรแกรมเมอร์สามารถควบคุมการแปลงเวอร์เท็กซ์ แสง และอื่นๆ ได้ด้วยตนเอง หน่วยที่ประมวลผลเวอร์เท็กซ์เชเดอร์ในฮาร์ดแวร์เรียกว่าเวอร์เท็กซ์เชเดอร์โปรเซสเซอร์ (หน่วยประมวลผลเวอร์เท็กซ์)

หนึ่งคือระดับพิกเซล เรียกว่า พิกเซลเชเดอร์ (OpenGL เรียกว่าแฟรกเมนต์โปรแกรม) ซึ่งแทนที่ส่วนแรสเตอร์ไรเซชันในขั้นตอนการเรนเดอร์แบบคงที่ และโปรแกรมเมอร์สามารถควบคุมการสุ่มตัวอย่างสีและพื้นผิวของพิกเซลได้ด้วยตนเอง หน่วยที่ประมวลผลพิกเซลเชเดอร์ในฮาร์ดแวร์เรียกว่า พิกเซลเชเดอร์โปรเซสเซอร์ (หน่วยประมวลผลพิกเซล) เพื่อให้การจำลองแสงสมจริงยิ่งขึ้น จึงจำเป็นต้องใช้สมการแสงสามมิติเพื่อจำลองและคำนวณด้วย

โดยทั่วไปแล้วนี่เป็นเพียงอัลกอริทึมโดยประมาณ แต่สามารถสร้างเอฟเฟกต์การจำลองที่ดีและความเร็วในการทำงานที่รวดเร็วมากได้ มีแบบจำลองการส่องสว่างสองแบบที่นิยมใช้กัน ได้แก่ แบบจำลองการส่องสว่างแบบรวมและแบบจำลองการส่องสว่างโดยตรง ระบบนี้ใช้แบบจำลองการส่องสว่างแบบรวม

แบบจำลองการส่องสว่างแบบโกลบอล (Global illumination model) เป็นแบบจำลองแสงที่สามารถจำลองความสมจริงได้เป็นอย่างดี โดยสามารถพิจารณาการสะท้อน การหักเห การส่งผ่าน เงา และปฏิสัมพันธ์ของแสงบนพื้นผิวของวัตถุได้ในเวลาเดียวกัน แบบจำลองการส่องสว่างแบบโกลบอลนี้จำเป็นต่อการจำลองกระบวนการแพร่กระจายของแสงจริงและการแผ่รังสีของการแลกเปลี่ยนพลังงาน

สำหรับการติดตามรังสี จำเป็นต้องพิจารณาผลการส่องสว่างโดยตรงจากแหล่งกำเนิดแสงและเอฟเฟกต์การส่องสว่างของแสงที่สะท้อนบนจุดนั้น แล้วนำทั้งสองอย่างมารวมกัน: ต่อไป เพื่อคำนวณความสว่าง จำเป็นต้องคำนวณการส่องสว่างบนแต่ละพื้นผิว: โดยที่ Ld คือแสงที่ส่องสว่างโดยแหล่งกำเนิดแสง T คือปัจจัยการแพร่กระจายของแสง TLi คือแสงที่สะท้อนจากพื้นผิวอื่น และ L คือค่าแสงสุดท้ายที่ต้องการ อินเทอร์เฟซระบบและสรุป 3. อินเทอร์เฟซระบบ ระบบสามารถสลับฉากเวที เอฟเฟกต์ฉากต่างๆ บนเวที และโต้ตอบแบบเรียลไทม์กับฉากเวทีและแสงต่างๆ รูปที่ 4 คือแผนภาพเอฟเฟกต์ของดอกไม้ไฟบนเวที และรูปที่ 5 คือแผนภาพเอฟเฟกต์ของแสงแบบปริมาตร

สรุป: การออกแบบแสงบนเวทีกลายเป็นปัญหาสำคัญสำหรับนักออกแบบแสง พวกเขามักต้องเผชิญกับต้นทุนที่สูง การใช้พลังงานสูง และปัญหาที่ใช้เวลานาน ด้วยการพัฒนาอย่างก้าวกระโดดของอุตสาหกรรมสารสนเทศ อุตสาหกรรมแสงบนเวทีระดับมืออาชีพจึงได้ก้าวเข้าสู่ยุคดิจิทัลอย่างครอบคลุม

ระบบนี้ใช้เอ็นจิ้น 0-GRE เพื่อสร้างเวทีเสมือนจริง และนำเสนอการออกแบบและปรับแต่งแสงไฟบนเวทีแบบเรียลไทม์ ขณะเดียวกัน ยังมีฟังก์ชันการโต้ตอบกับระบบที่หลากหลายสำหรับนักออกแบบแสงไฟบนเวที ซึ่งช่วยแก้ปัญหานี้ได้เป็นอย่างดี ต่อไป ระบบจำเป็นต้องปรับปรุงแบบจำลองแสงไฟบนเวทีให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น ซึ่งสามารถจำลองแสงไฟได้หลากหลายรูปแบบ เช่น แสงนุ่ม แสงแฟลช แสงสปอตไลท์ และอื่นๆ นอกจากนี้ อินเทอร์เฟซผู้ใช้ยังต้องได้รับการปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้นเพื่อให้ใช้งานง่ายยิ่งขึ้น