舞台灯光虚拟效果该如何设计与实现

发布时间:2019-10-22 来自: http://www.mlhhwtdg.com/Product-index.html 浏览次数:13

  系统实现关键技术研究

  1、场景的组织和形成

  系统所需的资源文件由3DMAX通过Ofusion插件导出。导出的场景组织文件是XML格式的,记录着舞台的一些基本的参数和每一个舞台实体的位置、朝向等各个方面的信息。场景节点是以树状形式组织的每个节点都有相应的父节点,因此我们可以通过对父节点的操作,方便的使多个子节点同时移动和旋转。

  要把三维的渲染结果展现到二维的屏幕上,需要进行从三维坐标到平面坐标的转换。首先,需要建立一个三维坐标系,我们创建一个三维的斜二轴侧坐标系,其中x轴方向为水平向左,z轴方向为竖直向上,y轴的方向为与水平方向成45°角。在该坐标系中显示图形时,x轴和z轴方向的长度取图形实际长度,而y轴方向的长度则取实际长度的一半。

  公式中,ηx、ηy、ηz是x、y、z轴的轴变形系数。进行轴测投影变换,可得下列方程式:

  其中f和d是轴测变换矩阵系数,求解这个方程式,可得:

  为了使立体感更强,令d=f=-0.354,可以求出轴测技影变换矩阵:

  接下来,需要将图形的三维坐标转化为屏幕上的设备坐标,在透视窗口中,坐标原点位于屏幕的左上角,向右的方向为x轴的正方向,向下的方向为y轴的正方向。

  假设在三维空间中的一点(x,y,z),在设备坐标中的坐标是(xx,yy),运用刚刚的轴测投影变换矩阵,可以得到如下转换公式:

  公式中xX、yY,是三维坐标原点在设备坐标系中的相对坐标。

  由前两式,可以得出变换方程:

  2、粒子系统效果模拟

  粒子是用四边形来表示的。它有长宽、方向、颜色、寿命、数量、材质、重量和速率等属性。粒子的属性由粒子发射器(Particle Emitter)和粒子特效影响器(Particle Affector)共同决定。粒子发射器负责粒子的发射,给出粒子在发射时的一些属性,包括运动速率、颜色、生命期等;粒子特效影响器负责粒子从发射后到消亡前这一阶段粒子属性的改变,可以用来模拟重力、拉力、颜色衰变等特殊效果。当粒子发射器不停地喷发出大量粒子时,就可以形成烟、火和爆炸等效果。OGRE提供了粒子系统脚本语言,可以在脚本中设置粒子的各种属性。

  3、光照效果模拟

  光照是舞台效果的关键因素,也是本设计系统核心的技术。渲染引擎提供了几种常用的灯光,比如点光源、方向光源和聚光灯。但是对于真实的舞台灯光效果模拟,这些是不够的。对于一些特殊的舞台灯光效果,比如体积光等,需要通过可编程渲染管线技术(shader)来实现。shader有两种,一种是顶点级的,称为vertex shader,取代固定渲染管线中的变换和光照部分,程序员可以自己控制顶点变换、光照等。硬件中处理顶点shader的单元叫vertex shader processors(顶点处理单元)。一种是像素级的,称为pixel shader(OpenGL称为fragment program),取代固定渲染管线中的光栅化部分,程序员可以自己控制像素颜色和纹理采样等。硬件中处理像素shader的单元叫pixel shader processors(像素处理单元)。

  为了使灯光的模拟更有真实感,还需要借助3D的光照方程来模拟计算。这里往往是一种近似的算法,但是它能达到一个很好的模拟效果和很快的运行速度。常见的光照模型有两种:全局光照模型和直接光照模型。本系统采用全局光照模型。全局光照模型是一个能很好的模拟真实感的光照模型。它可以同时考虑到光线照射到物体表面上产生的反射、折射、透射、阴影和物体相互间作用的光照效果。利用全局光照模型,需要模拟实际光线的传播过程和能量交换的辐射度。对于光线跟踪,需要考虑光源的直接照射结果以及反射光对该点的照明效果,把两者综合起来:

  接下来计算辐射度,需要计算每个面片上的光照情况:

  这里Ld是光源照射的光,T是光照传播因子,TLi是其他面片反射来的光照,L便是最终要求的光照值。

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