Проблемы реалистической визуализации организационно-технологических решений в среде AutoCAD

Б/2011 ВЕСТНИК

ПРОБЛЕМЫ РЕАЛИСТИЧЕСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ В

СРЕДЕ AUTOCAD

THE PROBLEMS OF REALISTIC VISUALIZATION FOR

ORGANIZATIONAL AND TECHNOLOGICAL SOLUTIONS IN

AUTOCAD

C.A. Синенко, И.М. Лебедева

S.A. Sinenko, I.M. Lebedeva

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

В статье анализируется возможность и доступные средства для окончательного оформления проектных решений в области строительного проектирования в среде AutoCAD с формированием фотореалистического изображения проектируемого объекта. AutoCAD рассматривается как инструмент для реалистической визуализации сцены из твердотельных 3D моделей. Оцениваются различные варианты создания освещения.

The paper analyses available possibilities and tools for final design decisions made in AutoCAD when photorealistic image of developed object is rendered. AutoCAD is considered as a tool for 3D solid models realistic visualization. Different variants of light settings, shadow calculations and reflected light shaping are evaluated.

Как известно, AutoCAD является универсальной графической программой. С его помощью можно создавать как строительные, так и машиностроительные чертежи, можно моделировать трехмерные объекты, имитирующие реальные предметы, состоящие из поверхностей любой сложности, и повторяющие отражательные преломляющие и рассеивающие свойства реальных материалов.

Для получения фотореалистической картины предусмотрен аппарат визуализации. Это механизм создания плоской растровой картинки, по точности восприятия, приближенной к фотографической. Во время визуализации рассчитываются и отображаются все свойства материалов и освещенности.

Рис. 1. Необходимые составляющие реалистической визуализации

Чтобы изображение получилось правдоподобным, требуется провести некоторую подготовительную работу: поставить и настроить свет, присвоить объектам материалы, откорректировав их параметры, сформировать сцену с фоном, перспективой, атмосферными эффектами, а также настроить дополнительные параметры визуализации.

1. ПРОБЛЕМЫ ОСВЕЩЕННОСТИ В СРЕДЕ AUTOCAD

Для отображения освещенности объектов с построением теней, собственных и падающих, в AutoCAD имеется возможность создания источников света различных типов. Причем свойства этих источников можно настраивать самостоятельно, или же воспользоваться стандартными фотометрическими характеристиками реальных осветительных приборов.

Возможны точечные источники света, направленные и удаленные.

Рис. 2. Пример освещения точечными источниками света

В AutoCAD точечный источник - это точка с конкретными координатами, испускающая лучи во всех направлениях с постепенным угасанием интенсивности освещения. Такие источники широко применяется для общего освещения сцены. Они имитируют, например, свет от электрических светильников. Комбинируя несколько точечных источников можно добиться разнообразных эффектов освещения. Кроме того, точечные источники подходят в качестве вспомогательных для подсветки отдельных поверхностей, как альтернатива рассеянному свету.

Рис. 3. Пример освещения источником света типа: прожектор Источник света типа прожектор в AutoCAD - это тоже точка с конкретными координатами, но испускающая направленный конус света. Интенсивность света затухает не только с увеличением расстояния до него, но и в переходной области от светово-

8/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

го пятна наибольшей яркости до области полной тени. Он применяется для имитации света прожекторов и потому используется в качестве ключевых и заполняющих осветителей для создания ореола вокруг объекта, для получения световых пятен в определенных областях.

Удаленный источник света находится в бесконечности. Поэтому считают, что на уровне земли лучи от него параллельны и идут в одном направлении. Интенсивность светового потока остается постоянной на протяжении всего пути. Данный вариант особенно удобен для равномерного освещения объектов или заднего плана сцены, а также для имитации солнечного света.

Рис. 4. Пример освещения удаленным источником света

Примером фотометрического освещения может служить солнечное освещение. Солнце - это удаленный источник света специального типа со стандартными настройками. Солнечное освещение логично использовать при проектировании зданий и сооружений и вписывании их в окружающую сред}

Рис. 5. Типы теней (слева направо): резкие, мягкие выборочные, мягкие с текстурами

При использовании солнца, в отличие от просто удаленного источника света, все фотометрические параметры освещения (положение солнца, интенсивность и цвет светового потока) устанавливаются автоматически на основании заданных географического положения, времени года, времени суток. Таким образом, выявляются особенности конструкции и положения здания или сооружения с точки зрения его освещенности.

ВЕСТНИК МГСУ

Дополнительное небесное освещение имитирует эффект солнечных лучей, рассеиваемых в атмосфере, равномерно освещает всю сцену и подсвечивает неосвещенные области. Тени при этом будут формироваться только от солнца.

В AutoCAD есть еще и такой тип источников света как световая сетка. Световая сетка позволяет получить фотометрическое освещение, интенсивность которого неравномерно распределена в различных направлениях трехмерного пространства. Данные для вычисления освещенности можно ввести самостоятельно, а можно считать из специального файла фотометрических данных формата IES , которые предоставляются заводами изготовителями реальных осветительных приборов.

Рис. 6. Световое пятно от сетчатого источника света

2. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ТЕНЕЙ В СРЕДЕ AUTOCAD

В AutoCAD 2010 предлагаются тени трех типов:

- резкие,

- мягкие с текстурами

- мягкие выборочные.

Мягкая тень характеризуется наличием переходной полосы между полной тенью и полной освещенностью. Тени либо рассчитываются трассировкой луча, либо формируются с помощью теневых карт. Рассчитанные тени геометрически точны, но процесс вычисления занимает определенное количество времени. Метод теневых карт дает быстрый результат в ущерб качеству теней.

Рис. 7. Типы теней (слева направо): резкие, мягкие выборочные, мягкие с текстурами

8/2011 ВЕСТНИК

Тень с типом «резкая» (рис.8) построена по алгоритму обратной лучевой трассировки. При этом освещенность рассчитывается с учетом отражений и преломлений луча, а также с учетом уменьшения интенсивности с расстоянием. Тень геометрически правильная, имеет резкую границу и окрашивается при прохождении света сквозь цветные полупрозрачные объекты.

Рис. 8. Визуализация с типом теней «Резкие»

Резкие тени часто выглядят нереалистично. Для смягчения кромки тени применяют различные методики. Тени с типом «мягкие выборочные» (рис.9) мягкие, но геометрически правильные, имеют различную густоту в зависимости от прозрачности предметов, отбрасывающих тень. И, что очень важно, тень окрашивается при прохождении света сквозь полупрозрачные цветные объекты._

Рис. 9. Визуализация с типом теней «Мягкие выборочные»

Такие тени можно получить, если смоделировать протяженный источник света из множества точечных, рассчитав освещенность для каждого из них с помощью алгоритма лучевой трассировки. Если количество точечных источников света будет достаточно большим, то общая освещенность сцены будет физически правильной, изобра-

жение будет реалистическим. Понятно, что каждый дополнительный источник света будет увеличивать время на прорисовку изображения.

Тени типа «Мягкие с текстурами» формируются с помощью теневой карты. При этом, единожды сформированная тень накладывается на все предметы по направлению луча. Такие тени требуют совсем мало вычислительных затрат, но не могут учитывать отраженное освещение, не могут менять густоту и цвет.

Рис. 1. Визуализация с типом теней «Мягкие с текстурами»

На рисунке 10 для теней типа «Мягкие с текстурами» выбрано небольшое смягчение. Хорошо видны все недостатки метода: зубчатая граница тени, ошибочное затене-

Алиасинг проявляется, когда одной точке теневой карты поставлено в соответствие несколько пикселей изображения. Темные пятна и полосы на стыках поверхностей говорят о том, что в процессе расчета освещенности были ошибочно использованы элементы теневой карты, соответствующие другим поверхностям. И, наконец, на плоскостях, положение которых приближается к параллельности направлению освещения, проявляется алиасинг в виде несуществующих теневых полос.

При увеличении смягчения недостатки почти не видны, но тень становится настолько размытой, что почти не отображается.

3. ОСОБЕННОСТИ ОТРАЖЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ В СРЕДЕ AUTOCAD

В жизни мы не задумываемся о том, почему при освещении одним источником света все части предметов отчетливо видны. Ведь лучи попадают на часть объектов только с одной стороны. На самом деле большую часть общей освещенности комнаты занимает освещение отраженным светом. В AutoCAD отраженное и общее освещение можно получить, применяя энергию фотонов.

Метод фотонной трассировки заключается в следующем. Источником света испускается определенное количество фотонов, сгустков световой энергии заданной величины и направления. Их траектория движения отслеживается. Все диффузные взаимодействия с поверхностями образуют фотонную карту для каждой поверхности. Фо-

А/ЭПИ ВЕСТНИК

тонная карта нормализуется, сохраняется и накладывается на поверхности в процессе визуализации, создавая отраженное освещение.

Реалистичность отраженного освещения зависит от количества фотонов и от глубины трассировки.

Рис. 11. Картина освещенности одним источником света при выключенном отраженном освещении

Рис. 12. Картина освещенности одним источником света с использованием энергии фотонов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Умение корректно настроить освещение и сформировать реалистичные мягкие тени может оказаться важным при проектировании зданий и сооружений, а также в любой сфере строительного производства: при проектировании строительного генерального плана и схем производства работ, систем кондиционирования воздуха и отопления, систем охлаждения, в приборостроении и компьютерной индустрии и др.

Список литературы:

1. Шикин Е.В., Боресков A.B. Компьютерная графика. Динамика, реалистические изображения. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1995.

2. Сиваков И., Попов А.И. Современные программы рендеринга: mental ray, VRay, finalRender, brasil r/s 2004. - http://www.fcenter.ru/online.shtml7articles/hardware/videos/9217

3. Банковский Ю.М., Галактионов B.A. Современные проблемы компьютерной (машинной) графики.

4. Сиваков И. Как компьютер рассчитывает изображения. Технологии программного рендеринга. 2004.

5. Дебелов В.А., Новиков И.Е. Генерация мягких теней при использовании алгоритма трассировки лучей. Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН. 2009

6. Трифонов Д. Мягкие тени на GPU 2008 http://www.uraldev.ru/articles/id/18

References:

1. Shikin E.V., Boreskov A.V. Computer graphics. Dynamics, realistic images. - Moscow. DI-ALOG-MIFI, 1995

2. Sivakov I., Popov A.I. Modern rendering programs: mental ray, VRay, finalRender, brasil r/s 2004. - http://www.fcenter.ru/online.shtml7articles/hardware/videos/9217

3. Bayakovsky Y.M., Galaktionov V.A. Modern problems of computer (machine) graphics.

4. Sivakov I. How computer calculates images. Technologies of program rendering. 2004

5. Debelov V.A., Novikov I.E. Generation of soft shadows using ray tracing method. Institute of computation al mathematics and mathematical geophysics. 2009.

6. Trifonov D. Soft shadows on GPU 2008 http://www.uraldev.ru/articles/id/18

Ключевые слова: AutoCAD, realistic image, rendering, soft shadows, light, modeling process, visualization

Key-words: AutoCAD, реалистическое изображение, тонирование, мягкие тени, освещение, процесс моделирования, визуализация.

e-mail автора: istac@mgsu.ru Рецензент: Вайнштейн М.С., д.т.н., проф., ОАО «Моспроект»