Реферат: И бурно развивающихся направлений научных исследований сегодня является компьютерная графика: создание изображения объекта по математической модели его описания

АННОТАЦИЯ

научно-образовательного материала

«Моделирование освещения на компьютере»

Одним из интереснейших и бурно развивающихся направлений научных исследований сегодня является компьютерная графика: создание изображения объекта по математической модели его описания. Для решения задач компьютерной графики необходимо воспроизвести на экране дисплея ЭВМ распределение яркости эквивалентное распределению освещенности в плоскости анализа некоторой фотокамеры. Тем самым задача компьютерной графики является светотехнической как по используемым методам расчета, так и по полученным результатам: распределение яркости или освещенности по поверхностям помещения.

Требования к качеству изображения драматично развивались за неполные тридцать лет компьютерной графики: первые исследователи были счастливы представить хоть что-то в виде изображение, в то время как сейчас усилия направлены на реалистический синтез изображения, чтобы наблюдатель не мог отличить моделируемое изображение от реальности. Реалистический синтез изображения возможен при точном моделировании освещения поверхностей в трехмерных сценах с учетом многократных переотражений света на них ─ глобальное освещение. Явления глобального освещения соотносятся с инженерной задачей проектирования освещения: выбор цвета и материалов стен, пола и потолка, а также размещение светильников и окон для достижения требуемого распределения света в помещении. Расчеты прямого освещения достаточно просты, и любой проектировщик может легко произвести их, используя таблицы и калькулятор, но переотражения значительно усложняют моделирование.

Сегодня компьютерная графика наиболее ярко проявляет себя именно в проектировании освещения, если не принимать в расчет компьютерные игры, как серьезные приложения. Дальнейшее повышение производительности компьютеров, удешевление, как аппаратных, так и программных средств, должно привести к широкому повсеместному внедрению программ компьютерного моделирования в инженерную практику проектирования светотехнических установок. Воображение теряется воспроизвести все новые и необыкновенные возможности такого проектирования: воистину совместная работа архитектора и светотехника, проектирование не под светотехнические нормы, а эстетическое восприятие интерьера, зданий, улиц; возможность дополнить проектную документацию фотографией освещаемого объекта и т.д.

Новый подход к светотехническому проектированию ставит и новые задачи светотехнического образования, в которое как неотъемлемая часть должна входить компьютерная графика. К сожалению, приходится констатировать практически полное отсутствие необходимой учебной литературы. Количество публикаций в мире по компьютерной графике за последнее десятилетие выросло в тысячу раз, и существующие учебники либо устарели, либо рассматривают только отдельные темы. Обширная англоязычная литература по компьютерной графике малодоступна для наших студентов. Однако и она не вполне удовлетворяет требованиям преподавания компьютерной графики для светотехников, поскольку в ней значительный объем уделяется фотометрическому расчету, банальному для светотехника.

Данный научно-образовательный материал (НОМ), охватывает все вопросы, связанные с физическими основами и практическими рекомендациями по использованию математического моделирования при проектировании осветительных установок (ОУ). НОМ является попыткой систематического изложения компьютерной графики для светотехников. Главная задача пособия – научить пользователя мыслить категориями компьютерной графики. НОМ включает в себя презентацию в программе Microsoft® PowerPoint, методически подготовленные файлы программ Autodesk® 3D Studio MAX и Lightscape последовательно представляющие подготовку проекта ОУ, изображения полученной ОУ при различных режимах работы и примеры реализации подобной методикой проектов других ОУ. Презентация рассчитана на три академические лекции.

Материал презентации содержит в себе вопросы:

содержание и основные этапы светотехнического проекта;

особенности моделирования ОУ на компьютере;

фотореалистическое моделирование трехмерных сцен (3М) визуализации;

локальное и глобальное освещение (ГО);

уравнение ГО;

методы решения уравнения ГО: трассировка лучей и радиосити;

адаптивные сетки при решении уравнения ГО;

общая схема визуализации объектов в программах моделирования ОУ на компьютере;

методы и программы создания геометрии 3М сцен освещения;

особенности моделирования фотометрии материалов, задание кривых сил света;

классификация, оценка точности расчета и сравнение различных программ моделирования ОУ.

Набор файлов примера создания проекта ОУ кафе включает в себя (файлы в папке Café):

Последовательность файлов, иллюстрирующих разработку модели ОУ кафе

Cafe_Geometry.max – геометрия кафе в программе 3D Studio MAX;

Cafe_Start.lp – геометрия, перенесенная в программу Lightscape;

Cafe_Texture.lp - определение фотометрических характеристик всех материалов сцены;

Cafe_Finish.lp – сцена кафе полностью подготовленная к визуализации, включая светильники ОУ и мебель

Luminaire.max – разработка дизайн-проекта светильника для освещения кафе в программе 3D Studio MAX;

Luminaire.lp – подготовленный к моделированию в Lightscape проект светильника;

Cafe_Viz.ls – визуализация освещения в кафе в программе Lightscape методом радиосити.

Images – набор изображений визуализации ОУ кафе при различных режимах и ракурсах наблюдения сцены:

Файлы кривых сил света(КСС), использованных для сравнения программ моделирования ОУ:

KCC_cos.ies – косинусное распределение в формате ies;

KCC_notes.ies – КСС светильника заданного в формате ies;

KCC_notes.ldt – КСС светильника заданного в формате ldt.

Разработчик – профессор кафедры светотехники НИУ МЭИ Будак Владимир Павлович

e-mail: BudakVP@mpei.ru