Проблемы отраженного освещения в среде AutoCAD

вестник 6/2012 6/2012

информационные системы и логистика в строительстве

УДК 658.51

И.М. Лебедева

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

ПРОБЛЕМЫ ОТРАЖЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ В СРЕДЕ AuTOCAD

Освещена проблема реалистической визуализации, связанная с вкладом рассеянного освещения в общую картину освещенности. Описаны методы получения отраженного освещения, реализованные в программе AutoCAD, и средства подавления появляющихся при этом дефектов визуализации. Дается краткое описание алгоритма фотонной трассировки, влияния параметров и настроек фотонной трассировки на качество и достоверность освещения. Предложены альтернативные методы имитации общего освещения в среде AutoCAD.

Ключевые слова: общее освещение, отраженное освещение, фотонная трассировка, метод чистовых проб, глобальное освещение, рассеянное освещение, визуализация, компьютерная графика.

В жизни мы не задумываемся, почему при наличии в комнате одного неяркого источника света мы отчетливо видим все предметы интерьера. Ведь прямые лучи света попадают на объекты только с одной стороны. Если бы освещение этим и ограничивалось, то сторона, на которую не попадают лучи, была бы абсолютно черной. На самом деле освещенность комнаты складывается из прямого и отраженного освещения. Свет отражается от всех поверхностей. Диффузное отражение рассеивает свет во все стороны. Зеркальное отражение получается, если поверхность обладает отражательными свойствами и отражает свет в определенном направлении, в соответствии с законами оптики (рис. 1).

На улице днем светло даже в пасмурную погоду. Солнца не видно, но его лучи, рассеиваясь в атмосфере, освещают землю отраженным светом.

Влияние отраженного света на общую картину освещенности огромно. Освещение прямыми лучами происходит только с одной стороны. отраженный свет освещает предметы со всех сторон, смягчает картину, делает ее более реалистичной и эмоционально окрашенной.

В компьютерной графике отраженное освещение можно получить различными способами. В программе AutoCAD для этого применяют алгоритм фотонной трассировки. Это алгоритм расчета глобального освещения с помощью прямой трассировки фотонов.

Метод фотонной трассировки заключается в следующем. Источником света испускается определенное количество фотонов (сгустков световой энергии заданной величины, имеющих направление). Их траектория движения отслеживается. Фотон при взаимодействии с объектами в зависимости от свойств поверхности может быть отражен или поглощен, или преломлен поверхностью объектов. Количество столкновений фотонов с поверхностями определяется глубиной трассировки фотонов.

126

© Лебедева И.М., 2012

Информационные системы и логистика в строительстве

Обрабатывается только один вид взаимодействия, который выбирается случайным образом. Все диффузные взаимодействия с поверхностями (кроме первого, так как это результат прямого освещения) образуют фотонную карту для каждой поверхности. Фотонная карта нормализуется, сохраняется и накладывается на поверхности в процессе визуализации, создавая отраженное освещение. Созданную один раз фотонную карту можно в дальнейшем использовать многократно при визуализации анимационных сцен.

Реалистичность отраженного освещения зависит от количества фотонов и глубины трассировки. Увеличение количества фотонов делает освещение мягче и реалистичней. с другой стороны, реалистичность можно увеличить за счет удлинения радиуса фотонов. Это приведет к наложению фотонов друг на друга и, как следствие, освещение станет более естественным (рис. 2).

а б

Рис. 2. Результат визуализации с применением фотонных схем: а — с радиусом фотонов по умолчанию; б — радиус фотонов увеличен до 5000

В результате применения метода фотонной трассировки возможно проявление дефектов визуализации в виде затемненных областей. Для подавления дефектов изображения применяют метод чистовых проб. этот метод за счет увеличения количества лучей значительно улучшает картину освещенности. Время на визуализацию, соответственно, увеличивается (рис. 3).

а б

Рис. 3. Результат визуализации с применением фотонных схем с радиусом фотонов по умолчанию, но с использованием чистовых проб: а — интенсивность равна 1; б — интенсивность излучения уменьшена с 1 до 0,25

Таким образом, можно сделать вывод, что применение метода фотонной трассировки действительно позволяет после визуализации в AutoCAD получить более реалистичную картину. Для этого необходимо большое количество лучей, увеличенный радиус фотонов или применение метода чистовых проб. Все это удлиняет во времени процесс визуализации.

6/2012

Рис. 4. Результат визуализации с применением трех источников света

Часто для имитации рассеянного освещения прибегают к созданию дополнительных источников света небольшой интенсивности с отключенной функцией формирования теней. Их располагают таким образом, чтобы осветить затененные области и выделить контуры объектов.

Для создания освещения сцены существуют различные приемы. Например, можно воспользоваться методом трех источников света (рис. 4):

первый свет — ключевой — используется для создания общего настроения сцены. Он самый яркий и может располагаться в любом месте. Именно ключевой свет создает тени;

второй свет — наполняющий — освещает области, лежащие в тени. он расположен с противоположной ключевому свету стороны;

третий — задний свет — создает подсветку границ моделей. Располагается позади объекта и чуть сбоку. Подсветка визуально отделяет объект от фона.

По интенсивности второй и третий свет значительно слабее ключевого. они не генерируют тени от объектов.

В результате применения дополнительных источников света можно добиться хорошей картины освещенности.

Библиографический список

1. Баяковский Ю.М., Галактионов В.А. Современные проблемы компьютерной (машинной) графики. Режим доступа: http://spkurdyumov.narod.ru/GalaktionovVladimir.htm. Дата обращения: 02.05.2012.

2. Келли Л. Мэрдок. 3ds Max 2008. Библия пользователя. М. : Диалектика, 2008.

3. Климачева Т.Н. 3D-моделирование в AutoCAD 2007—2010. М. : ДМК Пресс, 2011.

4. Лебедева И.М. Реалистическая визуализация трехмерных моделей в среде AutoCAD. М. : МГСУ, 2011.

5. Матиас Педерсен. Технология и методы освещения. 2007. Режим доступа: http://b3d. mezon.ru/index.php. Дата обращения: 02.05.2012.

6. Сиваков И. Как компьютер рассчитывает изображения. Технологии программного рендеринга. 2004. Режим доступа: http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/videos/8749#1. Дата обращения: 02.05.2012.

7. Синенко С.А., Лебедева И.М. Проблемы реалистической визуализации организационно-технологических решений в среде AutoCAD // Вестник МГСУ 2011. № 8. С. 451—458.

8. Шикин Е.В., Боресков А.В. Компьютерная графика. Динамика, реалистические изображения. М. : ДИАЛОГ-МИФИ, 1995.

Поступила в редакцию в мае 2012 г.

Об авторе: Лебедева Ирина Михайловна — доцент кафедры начертательной геометрии и графики, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 183-24-83, grafika@mgsu.ru.

Для цитирования: Лебедева И.М. Проблемы отраженного освещения в среде AutoCAD // Вестник МГСУ. 2012. № 6. С. 126—129.

128

ISSN 1997-0935. Vestnik MGSU. 2012. № 6

Информационные системы и логистика в строительстве

I.M. Lebedeva

PROBLEMS OF INDIRECT ILLUMINATION IN THE AUTOCAD ENVIRONMENT

The author tackles the problem of realistic rendering associated with the share of scattered light in the overall illumination. Methods of reflected light rendering, implemented in AutoCAD, are described in the article. Methods of suppression of visualization defects are also provided. A brief description of the algorithm of photon tracing, influence of parameters and settings of the photon tracing on the quality and reliability of lighting are provided. The author also describes alternative methods of simulating lighting patterns in the AutoCAD environment.

Key words: lighting pattern, indirect illumination, photon tracing, global illumination, diffused illumination, representation, computer graphics.

References

1. Bayakovskiy Yu.M., Galaktionov V.A. Sovremennye problemy komp'yuternoy (mashinnoy) grafiki [Contemporary Problems of Computer (Machine) Graphics]. Available at http://spkurdyumov.narod.ru/ GalaktionovVladimir.htm. Date of access: 02.05.2012.

2. Kelly L. Murdock. 3ds Max 8 Bibliya pol'zovatelya [3ds Max 8 User Bible]. Moscow, Dialektika Publ., 2008.

3. Klimacheva T.N. 3D-modelirovanie vAutoCAD 2007—2010 [3D-Modeling within AutoCAD 20072010]. Moscow, DMK Press Publ., 2011.

4. Lebedeva I.M. Realisticheskaya vizualizatsiya trekhmernykh modeley vsrede AutoCAD [Realistic Visualization of Three-dimensional Models in the Environment of AutoCAD]. MSUCE, Moscow, 2011.

5. Matias Pedersen. Tekhnologiya i metody osveshcheniya [Lighting Techniques and Technology] Available at: http://b3d.mezon.ru/index.php. Date of access: 02.05.2012.

6. Sivakov I. Kak komp'yuter rasschityvaet izobrazheniya. Tekhnologii programmnogo renderinga. 2004. [How Does the Computer Analyze Images? Software Rendering Technologies. 2004]. Available at: http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/videos/8749#1. Date of access: 02.05.2012.

7. Sinenko S.A. Lebedeva I.M. Problemy realisticheskoy vizualizatsii organizatsionno-tekhno-logicheskikh resheniy v srede AutoCAD [Problems of Realistic Visualization of Organizational and Technological Solutions in the AutoCAD Environment]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 8, pp._.

8. Shikin E.V., Boreskov A.V. Komp'yuternaya grafika. Dinamika, realisticheskie izobrazheniya [Computer Graphics. Dynamic, Realistic Images]. Moscow, Dialog-MIFI Publ., 1995.

About the author: Lebedeva Irina Mikhaylovna — Associated Professor, Department of Descriptive Geometry and Graphics, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavs-koe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; grafika@mgsu.ru; +7 (499)183-24-83.

For citation: Lebedeva I.M. Problemy otrazhennogo osveshcheniya v srede AutoCAD [Problems of Indirect Illumination in the AutoCAD Environment]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 6, pp. 126—129.