Справочная книга по светотехнике

МЕТОДЫ ГЛОБАЛЬНОГО ОСВЕЩЕНИЯ

8.5.1. История вопроса и обшие положения

Начиная с 80-х годов XX века происходит бурное развитие компьютерной техники в направлении повы­шения быстродействия и объема памяти, появляются мощные графические станции, а также цветные круп­ноформатные мониторы с высоким разрешением. Это послужило толчком к появлению нового направле­ния — компьютерной графики, позволившей с по­мощью математических моделей исследуемого объекта или процесса получать их статическое или динамиче­ское грехмерное цветное изображение, воспринимае­мое близко к реальному прототипу. На базе современ­ных математических методов была создана теоретиче­ская база и разработаны компьютерные графические проіраммьі — программы реалистической визуализации.

На первом этапе своего развития такие программы предназначались, главным образом, для технического дизайна, машиностроительного и архитектурного про­ектирования и т. п. Реалистичность здесь используется как средство либо оценки качества выбранных решений (архитектурное проектирование, технический дизайн), либо повышения эмоционального воздействия (рекла­ма). либо создания адекватного восприятия реальной обстановки при имитации (видеотренажеры, системы распознавания образов). Освещение же иіраст хотя и важную, по вспомогательную роль: позволяет выявить форму, цвет, текстуру поверхностей объектов сцены. В качестве ИС в таких программах, как правило, ис­пользуются условные излучатели, например, в виде рав­номерно светящей точки или шара (omni), параллель­ного или расходящегося пучка лучей (spot), а также в виде некоего фантомного источника для создания фо­нового освещения (ambient), который пе имеет место­положения и пе создает теней. При этом могут исполь­зоваться различные световые эффекты: затухание света в пучке, изменение его ширины и формы, цвета и ин­тенсивности. Главное, что такие источники не связаны с реальными СП пи по светораспрелелению, ни по энергетическим параметрам.

Первые программы визуализации использовали упрошенные модели, в которых рассматривалось только прямое освещение от конечного числа точечных источ­ников. а процессы переотражепия света не учитывались. Это существенно облегчало расчеты, по при этом изоб­ражение спены было далеким от реальности: резкие тени, пе освешеппая прямым светом поверхность объ­екта становится черной, а освещенная — выглядит неес­тественной (пластмассовой). Такое освещение получило название локального освещения (local illumination).

Начиная с 90-х годов стало оформляться второе на­правление: появились программы, непосредственно предназначенные для создания фотореалистических образов моделируемых ОУ. Такие программы исполь­зуются, в основном, в архитектурном освещении для создания цветоснегового образа будущей установки. Здесь роль освещения — первостепенна. Должны быть максимально точно переданы все нюансы, определяю­щие эмоциональное восприятие моделируемого ин­терьера или экстерьера. При этом важнейшим принци­пом такого моделирования является то, что принятые при проектировании модели средства и приемы осве­щения должны быть адекватны, т. е. обеспечивать в максимальной степени воспроизведение цветосветово­го образа модели в реальных условиях, и реализуемы на практике. Попятно, что выполнение такого принципа базируется на достаточно точном воспроизведении ре­альных характеристик ОП и оптических свойств отра­жающих и пропускающих свет поверхностей, учете процессов переотражения света, затенения ИС и экра­нирования одних поверхностей другими. Кроме того, в таких программах для большей реалистичности модели широко используются различные цветовые и рельеф­ные текстуры поверхностей; учитывается изменение цветности ихпучепия при его взаимодействии с отража­ющими и пропускающими поверхностями: присутству­ет глубокая детализация сцены: большое число элемен­тов интерьера (мебели, офисного и другого оборудова­ния и т. п.). строительные и архитектурные детали в эк­стерьере зданий, растительность и элементы ландшаф­та; обеспечивается возможность использования естест­венного (рассеянного и прямого солнечного) света.

Такой подход к построению математических моде­лей для программ реалистической визуализации полу­чил в зарубежной литературе по компьютерной графи­ке название глобального освещения (global illumination). Несмотря па то. что программы визуализации второго направления по своей методологии и целям являются светотехническими, созданы они были не в светотехни­ческой среде, а в среде компьютерной графики. Это на­ложило отпечаток на принятую здесь терминологию: многие понятия и термины, используемые в настоящее время в светотехнике, привнесены из компьютерной графики. Причем, так как в русскоязычной светотехни­ческой литературе эти вопросы ло последнего времени вообще не были освещены, то и русские эквиваленты различных английских терминов еше носят пе устояв­шийся характер.

Наиболее важными понятиями в глобальном осве­щении являются:

Сиена — совокупность просфанственно располо­женного набора геометрических объектов, источников света (СП) и камеры (см. ниже). Описание сиены обычно содержит спецификацию рахчичпых свойств е* элементов, включая оптические характеристики отра­жающих и преломляющих свет поверхностей объектов, их текстуру, цветовые характеристики ихтучепия ИС ■ колориметрические свойства поверхностей, участвк>- щих в перераспределении света, а при необходимости | оптические свойства среды.

Камера (или наблюдатель) — условный фо­тоаппарат (или глаз человека), помешенный в сцен> I характеризуемый точкой расположения в сцепе, к» правлением наблюдения и полем охвата сцепы, с кот» рыми связывается изображение сцены. Как правах^

В последних версиях таких программ появилась возможность подгружать ИС с реальным спсторасп ределением в формате id

В отечественной литературе вместо BRDF используется коэффициент яркости, являющийся безразмерным и численно рав­ным функции BRDF, умноженной на л. Учитывая, что практически вся литература по глобальному освещению базируется па BRDF. при изложении данного раздела также использован этот параметр.

Тогда уравнение (8.58) принимает вид:

L (г, s) =- L0 (г, s)+ j I. (г, s^p^r, s, s'))

где

где X — поверхность всех элементов сцены, а вектор s'

г - г'

определяется выражением: s = jr'~r:-| •

Даже при предположении ламбертовского характера отражения, существенно упрошаюшего уравнение (8.61), получение аналитического решения возможно ;Тля исключительного числа случаев (фотометрическая сфера, точечный источник между двух бесконечных плоскостей [8.24)), которые представляют скорее тео­ретический интерес. Для практических задач были раз­работаны специальные числениые методы. К настоя­щему времени выявились два главных методологиче­ских подхода: метод излучателыюсти (radiosity method) и метод трассировки лучей (ray tracing method). Каждый из этих методов к настоящему времени имеет много различных вариаций, повышающих их эффективность. Здесь будет ихюжена только принципиальная сторона каждого метода и даны ссылки для более детального ознакомления.

8.5.3. Метод излучательности

При рассмотрении метода вводится допущение об идеальном диффузном (ламбертовском) отражении, что позволяет легко перейти от яркости к светимости (или освещенности). В этом случае уравнению (8.61) можно придать следующий вид:

М (г) = Л/о (F) + p(F)j М (F') V (F, f')dF(r, F'), (8.62)

I

где Л/ (г) — светимость в точке поверхности объекта сцепы; Мо (F) — то же, за счет светового потока, упав­шего непосредственно от источников (первичная све - где

rij = I >7 - Г/1, COS 6,- = — ((F( - Tj)hj) / Гу,

cos5j =((r) - Fy)rij)/rjj.

Уравнение (8.63) можно представить в виде систе­мы N линейных уравнений:

"Pl^l N - P2f2/V

“P/vfyl “PyV^V2 ••• 1_P NFNN

для решения которой могут быть использованы разные методы, в частности, в |8.20| указывается на эффектив­ность использования итерационного метола Гаусса- Зейделя.

Метод излучательности хорошо работает с диффуз­ными отражающими поверхностями. В случае же по­верхностей с зеркальными и направленно-рассеянны­ми отражениями, а также с прозрачными преломляю­щими материалами он практически не применяется. К другим недостаткам метода можно отнести то, что в сложных насыщенных сценах существенно загруднеи
учет экранирования одних объектов другими, в частно­сти, при расчете угловых коэффициентов. Для этой пели используется метол трассировки лучей.

8.5.4. Метод трассировки лучей

В основе метола лежит принцип построения траек­торий лучей при их распространении в сцепе. Он фи - зичеп, так как отражает реальные процессы при пере­носе излучения, и нагляден. Существуют лва основных подхода при построении траекторий лучей: в прямом и обратном холе.

Прямая трассировка лучей. При таком подходе имитируется реальное распространение света: ог источника к приемнику (камере). Из источника вы­пускается пучок лучей и прослеживается путь каждого из них в пространстве сцепы. При попадании луча па поверхность объекта сцены определяется отраженный (а в случае светопропускаюшего материала — и пропу­щенный) луч и далее прослеживается его траектория. Процесс продолжается до тех пор. пока такой луч пе попадет на приемник или не покинет сцену. В резуль­тате можно получить изображение сцены, видимое ка­мерой.

Одпако такой подход неэффективен, так как оче­видно, что только незначительная доля вышедших из источника лучей сможет попасть на приемник. И поэ­тому. чтобы получить па приемнике достаточную ин­формацию, необходимо затратить огромное количество лучей. Это основной недостаток прямой трассировки.

Обратная трассировка лучей. Здесь траек­тории лучей начинаются на приемнике в направлении объектов сцены и далее к источнику, т. е. в направле­нии. обратном физическому распространению света. При такой схеме исключаются все «ненужные» (пе по­павшие на приемник) лучи. Однако если строить такие траектории, то очевидно, что очень малой доле выше­дших из точки наблюдения лучей удастся попасть на источник. Поэтому применяют иную схему: при попа­дании луча на объект определяется его яркость в на­правлении наблюдателя, состоящая из двух составляю­щих: прямой — от источника света — и отраженной — от других объектов сцены. Однако учет отраженной со­ставляющей, особенно при диффузном, а тем более при направленно-рассеянном отражении, представляет собой сложную задачу, требующую больших затрат рас­четного времени. Поэтому во многих применяемых в настоящее время моделях трассировки лучей применя­ются упрощенные алгоритмы, базирующиеся на следу­ющих допущениях:

— рассматриваются только точечные ИС,

— отражение ог поверхности прямого света ИС раз­деляется на диффузную и направленно-рассеянную со­ставляющие с заданными коэффициентами и р5;

— индикатриса отражения направленно-рассеянной составляющей определяется зависимостью /(<р) = = C'()Cos”<p, где С0 — коэффициент, определяемый из

словия нормировки и равный Q) = -> ц • гДе ®о —

мол падения луча (модель Фонта [8.25]);

- составляющая многократных отражении учиты­вается введением рассеянной составляющей яркости La =раЕа1п путем приписывания всем поверхностям некой постоянной освещенности Еа и коэффициента рассеянного отражения ра.

Для такой модели яркость луча (рис. 8.12), идущего из точки г в направлении наблюдателя s, при наличии N источников света определяется выражением:

N

/.(Г, s)=pa-^+ £

і-1

(s'-n)i+Pj ^(s-s;,,-)"]

р d

где Ij (s/) — сила света /-го источника в направлении s/ в точку F; q — расстояние от /-го источника до точки г: Sj і — вектор, зеркальный по отношению к падающему лучу sj. определяемый как s' ,■ =s/ — 2(n s-)n.

Попятно, что при наличии светопропускающих элементов в сиепе в уравнение (8.66) должны быть до­бавлены соответствующие члены с коэффициентами ^а ’ ^d ^ ■

В более сложных моделях отраженная составляю­щая определяется с использованием статистических ал­горитмов (Монте-Карло) [8.26J. Достоинством таких моделей является корректность при описании процесса распространения света в сцене. Одпако при этом необ­ходимо хранить большие объемы информации о слож­ных моделях направленного рассеяния при каждом акте отражения. Кроме того, имеется присущая стати­стическим методам медленная сходимость решения.

Существенным недостатком метода обратной трас­сировки является зависимость построенного изображе­ния от позиции наблюдателя. При ее изменении необ­ходимо строить изображение заново. Поэтому эффек­тивным считается сочетание прямой и обратной трас­

сировки, когда обратная трассировка используется для проецироиапия изображения па плоскость экрана, а прямая — для учета затенения, экранироиапия и расче­та прямой составляющей.

В наиболее развитых моделях используется синтез методов излучательносги и трассировки. В частности, трассировка используется для расчета угловых коэффи­циентов с учетом затенения.