燈光師知識 舞臺燈光虛擬效果設計

　　開(kāi)發(fā)舞臺燈光模擬系統對于舞臺燈光設計工作有著(zhù)重要的意義，舞臺模型是多種多樣的，對于不同的舞臺，需要相應的燈光設計。這樣，在舞臺燈光設計工作過(guò)程中便會(huì )有許許多多的不確定因素。在本篇文章中，通過(guò)舞臺燈光效果的模擬，可以降低能源和時(shí)間的投入。

　　通過(guò)使用OGRE引擎的架構，能夠更加方便的模擬逼真的三維舞臺燈光環(huán)境，虛擬技術(shù)本身所具有的臨場(chǎng)感和交互能力不僅可以將靜態(tài)的設計和創(chuàng )作轉化為動(dòng)態(tài)形式的再現，而且還可以及時(shí)地捕捉和展現設計者的構思、創(chuàng )意和靈感，一個(gè)成熟而完善的虛擬設計系統平臺無(wú)論是對于燈光設計師、演出導演、燈光控制操作者，還是對于燈光美術(shù)教學(xué)和做燈光效果演示等都是一個(gè)非常專(zhuān)業(yè)且實(shí)用的設計工具和得力助手。而實(shí)時(shí)方便的可交互性功能，則使得系統更加具有實(shí)時(shí)性和可操作性。本系統提供一個(gè)實(shí)時(shí)可交互的操作環(huán)境，滿(mǎn)足了用戶(hù)的需求。

　　一、系統架構

　　1.邏輯架構

　　無(wú)論是游戲還是虛擬現實(shí)，為了表現其逼真性，虛擬場(chǎng)景大多比較復雜，所以虛擬場(chǎng)景的創(chuàng )建大多由3D 建模工具生成，然后對場(chǎng)景實(shí)時(shí)渲染輸出。舞臺燈光設計由3DMAX 提供基本的場(chǎng)景文件，通過(guò)DOM (Document Object Model) 接口進(jìn)行解析，并進(jìn)行資源的導入和場(chǎng)景的組織。最終進(jìn)入OGRE系統進(jìn)行渲染。

　　光照模型是多種多樣的，需要在場(chǎng)景中分別實(shí)現它們的效果。同時(shí)用戶(hù)也要能夠通過(guò)UI 界面進(jìn)行各種各樣的操作。系統要求操作復雜度高，計算量大，可擴展性強。需要設計與建立一個(gè)數據處理與計算效率高、可擴展性強、功能模塊松搞合強內聚的總體實(shí)現架構(如圖1所示)，系統分為資源層，接口層，渲染層。

　　圖1：邏輯架構

　　2.資源層：由3DMAX + Ofusion插件導出，生成場(chǎng)景組織，材質(zhì)，實(shí)體，貼圖等系統所需的資源文件。

　　3.接口層：負責將這些資源文件導入場(chǎng)景中。

　　4.渲染層：實(shí)現舞臺場(chǎng)景和燈光的渲染，系統資源的管理，用戶(hù)交互的實(shí)時(shí)響應等。

　　二、系統實(shí)現關(guān)鍵技術(shù)研究

　　1. 場(chǎng)景的組織和形成

　　系統所需的資源文件由3DMAX通過(guò)Ofusion插件導出。導出的場(chǎng)景組織文件是XML格式的，記錄著(zhù)舞臺的一些基本的參數和每一個(gè)舞臺實(shí)體的位置，朝向等各個(gè)方面的信息。場(chǎng)景節點(diǎn)是以樹(shù)狀形式組織的每個(gè)節點(diǎn)都有相應的父節點(diǎn)，因此我們可以通過(guò)對父節點(diǎn)的操作，方便的使多個(gè)子節點(diǎn)同時(shí)移動(dòng)和旋轉。

　　圖2：OGRE中場(chǎng)景管理圖

　　2. 三維坐標變換

　　要把三維的渲染結果展現到二維的屏幕上，需要進(jìn)行從三維坐標到平面坐標的轉換。首先，需要建立一個(gè)三維坐標系，我們創(chuàng )建一個(gè)三維的斜二軸側坐標系，其中x軸方向為水平向左，z軸方向為豎直向上，y軸的方向為與水平方向成45°角。在該坐標系中顯示圖形時(shí)，x軸和z軸方向的長(cháng)度取圖形實(shí)際長(cháng)度，而y 軸方向的長(cháng)度則取實(shí)際長(cháng)度的一半。

　　公式1

　　公式中，ηx、ηy、ηz是x、y、z軸的軸變形系數。進(jìn)行軸測投影變換，可得下列方程式：

　　公式2

　　其中f和d是軸測變換矩陣系數，求解這個(gè)方程式，可得：

　　公式3

　　為了使立體感更強，令d=f= -0.354，可以求出軸測技影變換矩陣：

　　公式4

　　接下來(lái)，需要將圖形的三維坐標轉化為屏幕上的設備坐標，在透視窗口中，坐標原點(diǎn)位于屏幕的左上角，向右的方向為x軸的正方向，向下的方向為y軸的正方向。

　　假設在三維空間中的一點(diǎn)(x ，y ，z) ，在設備坐標中的坐標是(xx，yy) ，運用剛剛的軸測投影變換矩陣，可以得到如下轉換公式：

　　公式5

　　公式中xX、yY，是三維坐標原點(diǎn)在設備坐標系中的相對坐標。

　　將公式(4)代入(5)，可以得出變換方程：

　　公式6

　　3. 粒子系統效果模擬

　　粒子是用四邊形來(lái)表示的。它有長(cháng)寬、方向、顏色、壽命、數量、材質(zhì)、重量和速率等屬性。粒子的屬性由粒子發(fā)射器(Particle Emitter) 和粒子特效影響器(Particle Affector) 共同決定。粒子發(fā)射器負責粒子的發(fā)射，給出粒子在發(fā)射時(shí)的一些屬性，包括運動(dòng)速率、顏色、生命期等;粒子特效影響器負責粒子從發(fā)射后到消亡前這一階段粒子屬性的改變，可以用來(lái)模擬重力、拉力、顏色衰變等特殊效果。當粒子發(fā)射器不停地噴發(fā)出大量粒子時(shí)，就可以形成煙、火和爆炸等效果。

　　OGRE提供了粒子系統腳本語(yǔ)言，可以在腳本中設置粒子的各種屬性。

　　本文中，通過(guò)粒子系統描述了舞臺煙花，下雨和云霧的效果。結合OGRE 的動(dòng)畫(huà)效果，可以實(shí)現更加逼真的場(chǎng)景粒子效果。

　　4. 光照效果模擬

　　光照是舞臺效果的關(guān)鍵因素，也是本設計系統核心的技術(shù)。渲染引擎提供了幾種常用的燈光，比如點(diǎn)光源、方向光源和聚光燈。但是對于真實(shí)的舞臺燈光效果模擬，這些是不夠的。對于一些特殊的舞臺燈光效果，比如體積光等，需要通過(guò)可編程渲染管線(xiàn)技術(shù)(shader) 來(lái)實(shí)現。shader有兩種，一種是頂點(diǎn)級的，稱(chēng)為vertex shader(OpenGL稱(chēng)為ve吐白program) ，取代固定渲染管線(xiàn)中的變換和光照部分，程序員可以自己控制頂點(diǎn)變換、光照等。硬件中處理頂點(diǎn)shader的單元叫vertex shader processors (頂點(diǎn)處理單元)。一種是像素級的，稱(chēng)為pixel shader( OpenGL 稱(chēng)為fragment program) ，取代固定渲染管線(xiàn)中的光柵化部分，程序員可以自己控制像素顏色和紋理采樣等。硬件中處理像素shader 的單元叫pixel shader processors (像素處理單元)。

　　為了使燈光的模擬更有真實(shí)感，還需要借助3D的光照方程來(lái)模擬計算。這里往往是一種近似的算法，但是它能達到一個(gè)很好的模擬效果和很快的運行速度。常見(jiàn)的光照模型有兩種:全局光照模型和直接光照模型。本系統采用全局光照模型。全局光照模型是一個(gè)能很好的模擬真實(shí)感的光照模型。它可以同時(shí)考慮到光線(xiàn)照射到物體表面上產(chǎn)生的反射、折射、透射、陰影和物體相互間作用的光照效果。利用全局光照模型，需要模擬實(shí)際光線(xiàn)的傳播過(guò)程和能量交換的輻射度。

　　對于光線(xiàn)跟蹤，需要考慮光源的直接照射結果以及反射光對該點(diǎn)的照明效果，把兩者綜合起來(lái)：

　　公式7

　　接下來(lái)計算輻射度，需要計算每個(gè)面片上的光照情況：

　　公式8

　　這里L(fēng)d是光源照射的光，T是光照傳播因子，TLi是其他面片反射來(lái)的光照，L便是最終要求的光照值。

　　三、系統界面

　　系統可以實(shí)現舞臺的切換，舞臺中各種場(chǎng)景效果，也可以與舞臺場(chǎng)景和各種燈光進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。如圖4為舞臺煙花效果圖，圖5為體積光效果圖。

　　舞臺煙火效果

　　體積光效果

　　小結

　　舞臺燈光設計已經(jīng)成為照明設計師的一個(gè)主要問(wèn)題。他們經(jīng)常要面對這樣高成本，高能耗和高耗時(shí)的問(wèn)題。隨著(zhù)信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，專(zhuān)業(yè)舞臺燈光領(lǐng)域也跨入了全面的數字化時(shí)代。系統利用0-GRE誼染引擎建立虛擬舞臺，并且對舞臺燈光設計及調整進(jìn)行實(shí)時(shí)呈現，同時(shí)為舞臺燈光設計師提供了豐富的系統交互功能，能夠很好的解決這一難題。接下來(lái)，系統還需要進(jìn)一步豐富舞臺的燈光模型，能夠模擬各種各樣的燈光，比如:柔光燈，閃光燈，追光燈等。用戶(hù)的操作界面也需要進(jìn)一步優(yōu)化，提高用戶(hù)操作的友好性。