RU EN
lrg rst sml

Авторизация

Запомнить

OS

34%Windows 7
34%Windows XP
8%Windows NT
7%Mac OS X
5%Linux
optical_image_7.jpgfig_8.png
Главная arrow Публикации arrow О визуализации расчета световых полей
О визуализации расчета световых полей Печать E-mail
Автор Д В. БАХАРЕВ, Л.Н. ОРЛОВА, А.Ф. ШИРОБОКОВ // Светотехника. 1999. №5. с.25-32   
17:02:2012 г.

Компьютерная графика уверенно и властно вошла во все области нашей деятельности. Множество универсальных (CorelDRAW, 3D Studio и т.д.) и специализированных (AutoCAD, ArchiCAD u др.) программ предоставляют пользователям широкие возможности для создания и анимации реалистических изображений объектов любой сложности, однако используемые в них преимущественно художественные приемы закраски не дают объективного соответствия изображения предполагаемой натуре. Аналогичные программы появились и в светотехнике. Отметим среди них отечественный комплекс Light-in-Night [1) и программу SIWIEW фирмы Siemens AG [2], синтезируемые которыми схематически [1] и художественно [2] реалистические изображения освещаемых обьектов были воспроизведены на страницах журнала "Светотехника" и, следовательно, известны или легко доступны читателю.

Используемые в компьютерной графике приемы условной градиентной закраски, позволяющей реалистично выявлять освещенность и форму объектов, просты и достаточны для решения многих графических задач в технике и искусстве. Однако в дизайне интерьера и в архитектуре, а также при проектировании ОУ, призванных обеспечить оптимальные условия зрительной работы, желательно иметь изображения освещаемых объектов, по возможности объективно и точно соответствующие их будущему натурному зрительному восприятию. Ниже сообщается о первых результатах компьютерного синтеза реальных изображений идеальных (не существующих в натуре) объектов, строго заданных своими оптическими свойствами и условиями освещения. Реальность изображения понимается здесь в том смысле, что если бы обьект с заданными параметрами существовал в натуре, то его фотографии, сделанные с той же позиции и в тех же условиях освещения, могли бы отличаться от синтезируемых изображений не более чем в обычных фотографических пределах, обусловленных различием экспозиций и свойств фотоаппаратуры и фотоматериалов.

Image
Рис.1. Действительные (вверху) и дополненные условными изображениями внешней среды и светопроемов (внизу) расчетные схемы (слева) и синтезированные программой LARlSA реальные изображения (справа) прямоугольной полости, моделирующей входную галерею здания. На верхнеи схеме показана разбивка граней полости на элементарные пряиоугольники, на нижней - графики относительной результирующей освещенности пола и ее прямой и отраженной' составляющих в среднем сечении галереи, которые выводятся по желанию пользователя. Детапи нижнего изображения (скульптура, дверные откосы и т.п.), отсутствующие на расчетной схеме, дорисованы в Photoshop

Image
Рис.2. Расчетная схема и изображение экстерьера прямоугольного двора при диффузном освещении. Торцы зданий дорисованы в Photoshop

Рассмотрено строгое фотометрическое решение простейшей задачи синтеза реального изображения идеального объекта — внутренней полости прямоугольного параллелепипеда, грани которого отражают диффузно и освещаются своими участками, излучающими по закону Ламберта. В этом случае световое поле в оптически нейтральном объеме и на поверхностях полости описывается системой шести линейных интегральных уравнений освещенности [3, 4].

Для решения задачи в среде Windows 95 была разработана программа LARISA [5]. Программа реализует численное решение системы интегральных уравнений освещенности для внутренней полости параллелепипеда [6], преобразует матрицу полученного решения в поля яркости его граней и налагает эти поля на фронтальную перспективную проекцию полости. Грани полости разделяются прямоугольными сетками на n2 конечных элементов, в которые можно вписывать любые конфигурации отверстий, плоских источников света и участков поверхности с различными значениями коэффициента отражения, моделирующие интерьер прямоугольного помещения (рис. 1, 3 — 8) или экстерьер прямоугольного двора (рис. 2).

Image
Рис.3. Расчетная схема и реальное изображение вестибюля общественного здания со сбалансированной цветовой отделкой

LARISA рассчитывает как черно-белые, так и цветные изображения. Для синтеза цветных изображений задаются RGВ-коэффициенты отражения поверхностей, каждый из которых изменяется в диапазоне от 0 до 1. Излучающие участки поверхностей считаются равноэнергетическими белыми мощностью 300 условных единиц. В среде Windows 95 с видеокартой не менее 2 Мб и разрешением 800х600 (24 бита на пиксел) это позволяет получить 16,7 млн. цветов при 256 перепадах яркости. При синтезе цветного изображения необходимы раздельные решения интегрального уравнения для RGB-полей освещенности, поэтому расчет цветных изображений требует в 3 раза больших затрат машинного времени, чем расчет черно-белых изображений.

Image
Рис.4. Визуализированные поля прямой (вверху), отраженной и результирующей (внизу) освещенностей вестибкия при балансе средневзвешенных RGB-козффициентов отражения. Яркости полей нормированы по максимуму результирующей освещенности

Продолжительность синтеза изображения в основном определяется временем численного решения интегрального уравнения освещенности. В программе для этого используется весьма простой и эффективный метод последовательных приближений, физический смысл которого заключается в сложении освещенностей кратных отражений. Поэтому продолжительность счета зависит не только от n, но и от значения средневзвешенного коэффициента отражения р, определяющего количество отражений (количество членов ряда Неймана), необходимое для обеспечения заданной итерационной точности решения t. Для цветных изображений время счета RGB-полей освещенности на ПЭВМ Pentium 133 при рср = 0,5 — 0,6 и t = 1 % экспоненциально возрастает примерно от 0,3 мин при n = 20 (400 элементов на грань) до 2,5 часов при n = 80 (6400 элементов на грань). Дальнейшее увеличение n ограничивается стремительным ростом продолжительности расчета и искажениями или потерей яркостных деталей изображения, которые при перспективном сокращении становятся соизмеримыми с пикселами экрана видеомонитора. Итерационную точность решения системы интегральных уравнений освещенности в пределах 1 — 2 % можно считать оптимальной для синтеза изображений, поскольку ее дальнейшее увеличение не приводит к заметному улучшению качества изображения.

LARISA имеет стандартный Windows-интерфейс и визуализированный численно-графический ("мышиный") ввод фотометрических и колориметрических параметров полости и ее оптических деталей и элементов по перспективной схеме и масштабируемым разверткам граней полости с нанесенными на них координатными сетками элементов поверхности. Пример действительной перспективной расчетной схемы полости, имитирующей помещение с боковым естественным освещением, приведен на рис. 1. Перспективная проекция дает более цельное представление о световой и цветовой композиции помещения и ero предполагаемом зрительном образе, чем развертки поверхностей полости, однако перспективные искажения не всегда позволяют вести проектирование непосредственно по перспективной схеме. Расчетные схемы с колерами закраски могут сохраняться в архивных файлах программы для редактирования и повторных расчетов световых полей и их изображений. После расчета RGB-полей на схему могут быть нанесены графики распределения результирующей освещенности и ее прямой и отраженной составляющих в любых сечениях помещения. Возможен также табличный вывод характеристик светового поля и их графическое представление в изолиниях полей на развертках поверхностей полости.

Как видно на рис. 1, в действительной расчетной схеме источниками света являются равнояркие участки граней полости, имитирующие светопроемы или световые панели. В синтезированном по такой схеме реальном изображении эти участки выглядят слепящими белыми пятнами, нарушающими привычное зрительное восприятие помешения. Для устранения этого дефекта в программу пришлось ввести процедуру условного изображения откосов светопроемов и видимых через них участков неба и земли. Поэтому следует иметь ввиду, что понятие объективной реальности синтезируемых изображений относится только к несветящим участкам полости, расположенным вне контуров светопроемов. В этих границах демонстрируемые в статье изображения по существу являются визуализированными матрицами решения RGB-систем интегральных уравнений освещенности.

Для визуализации матриц в программе использована линейная закраска перспективных изображений элементарных прямоугольников. Цвет линий определяется функцией RGB (red, green, blue), где red, green, blue — числа в диапазоне 0—255, нормированные относительно максимального значения RGB-матриц яркости, т.е. red = 255LR/Lmax, green = 255LG/Lmax, ... и т.д., где LR, ... — значение соответствующей RGB-яркости элементарного прямоугольника, Lmax — максимум относительной RGB- яркости вне контура светящих участков полости. Таким образом, синтезируемые изображения дают картину распределения не абсолютной, а относительной к отраженному максимуму L яркости светового поля. Как и в обычной фотографии, где параметры экспозиции выбираются по средней яркости объекта съемки или по яркости ero сюжетно важной части, а области изображения, экспозиция которых выходит при этом за пределы чувствительности фотоматериала, получаются засвеченными или неэкспонированными, "экспонировать" (т.е. нормировать) компьютерное изображение пропорционально максимуму яркости источника света оказалось практически невозможным.

Первый опыт синтеза реальных изображений показал, что проблема их соответствия энергетике и, тем более, натурному зрительному восприятию изображаемых светящих объектов сложна, многогранна и, в основном, идентична аналогичным проблемам в фотографии, видеотехнике и полиграфии, где многие из возникающих задач были давно решены, или интенсивно изучаются и решаются [8]. Накопленные в этих областях обширные сведения еще предстоит освоить и соединить с возможностями современных аппаратных и программных средств компьютерной графики. Поэтому, не входя в подробное рассмотрение возникших частных задач, требующих специального обсуждения, ограничимся презентацией полученных изображений и некоторых иллюстрируемых ими возможностей, которые открывают компьютерное моделирование и визуализация световых полей в науке, технике и искусстве.

Как видно на рисунках, синтезируемые изображения весьма близки к натурным фотографиям объектов. Соответствие изображения рассчитанного светового поля нашему зрительному опыту, прежде всего, является очевидным (в буквальном смысле этого слова) подтверждением достоверности и безошибочности методики и результатов расчета. Программа позволяет визуализировать все этапы расчета — начиная с полей прямой составляющей освещенности и кратных отражений и кончая сформировавшимися в результате многократных отражений полями отраженной и результирующей освещенности.

Image
Рис.5. Расчетная схема и изображение вестибюля при дисбалансе цветовой отделки. Изображение покрыто красной вуалью, образовавшейся в результате отражений света от поверхностей с преобладающим красным колером (см. рис. 6)

Image
Рис.6. Результирующая освещенность и ее соопавляющие при дисбалансе цветовой отделки вестибюля. Поле прямой составляняцей не изменилось, но вьилядит темнее, чем на рис. 4, за счет увеличения максимума результирующей освещенности, по которому нормирована яркость изображений

Представленный на рис. 3 и 4 визуальный анализ светового поля наглядно демонстрирует соотношения яркостей и цветностей прямой и отраженной составляющих освещенности и роль многократных отражений светового потока от поверхностей с различными колерами в формировании и восприятии цветности результируюшей освещенности в помещении со сбалансированной цветовой отделкой, характеризуемой равенством средневзвешенных RGB-коэффициентов отражения полости, и при дисбалансе цветовой отделки (рис. 5 и 6), когда результирующая освещенность вуалируется преобладающим цветом, который в фотографии ослабляется корректирующими светофильтрами, а при зрительном восприятии — адаптационными сдвигами [8). Таким образом, визуальный компьютерный анализ открывает широкие возможности для теоретического моделирования и исследования как самих световых полей, так и психофизиологии их зрительного восприятия.

Image
Рис.7. Пример быстрой визуальной коррекции светоцветовой композиции вестибюля в процессе проектирования eгo интерьера (вверху) и реальные изображения помещений с неординарными диагонально-угловой и перекрестно-разрывной (внизу) системами освещения

Закраска линейных изображений в обычной и компьютерной графике представляют собою весьма трудоемкие процессы субъективного художественного творчества. В меру своих способностей, профессионального опыта и случайной творческой удачи дизайнер или архитектор более или менее реалистично изображают замысел, а не то, что получится в действительности при его осуществлении. Синтезируемые реальные изображения дают точное, физически объективное представление о будушем зрительном образе проектируемого объекта. Представив замысел в виде простой расчетной схемы, можно через несколько минут получить на экране видеомонитора диапозитивную фотографию объекта, оценить достоинства и недостатки замысла и внести соответствующие коррективы в схему. Пример коррекции освещения и окраски помещения, схема которого была дана на рис. 3,5, показан на рис. 7.

Image
Рис.8. Реальные изображения помещений с системами освещения, имитирующими естественные природные образования (пещеру, ущелье, лесную опушку). Градиентная окраска и контурная подсветка глухой торцевой стены среднего помещения создаёт зрительный зффект её растворения в световом ореоле

Надежный, объективный прогноз будушего зрительного восприятия особенно необходим при неординарных и сложных светоцветовых композициях интерьера (рис. 7, 8). Как видно на рисунках, многообразие светоцветовых композиций даже в простейшем прямоугольном помещении неисчерпаемо. Использование различных видов симметрии, ритмики и градаций светоцветовых пятен позволяет получить самые разнообразные и неожиданные эффекты ero зрительного восприятия. В архитектуре и дизайне компьютерный синтез реальных изображений идеальных объектов не только значительно облегчит и ускорит художественные поиски и графическую фиксацию их результатов, но и может стать мощным экспериментальным инструментом исследования закономерностей формирования и восприятия светоцветовых композиций.

Порядка 90% информации о внешнем мире человек получает в виде зрительного ощущения световых полей, порождаемых окружающими светящими обьектами. Поэтому визуализация расчетных световых полей может найти практическое приложение в любых областях нашей деятельности. Проблему компьютерного синтеза реальных изображений идеальных объектов следует считать одной из актуальнейших задач теоретической светотехники.

Список литературы

  1. Боос Г.В., Коробко А.А., Митин А.И., Чепелевский Д.Ю. Программный комплекс Light-in-Night для расчета архитектурного освещения // Светотехника. 1997. №5. С. 17 - 20.
  2. Кронтхилер М. Программы автоматизированного проектирования освещения фирмы SIEMENS // Светотехника. 1997. №6. С. 40 - 41.
  3. Бахарев Д.В. Естественное световое поле в помещении как оптическое изображение внешней среды // Светотехника. 1992. №4. С. 11 - 14.
  4. Бахарев Д.В. Об оптической природе полей освещенности. Труды 1 Международной светотехнической конференции. Санкт-Петербург. 14 - 18 июня 1993 г. С. 110.
  5. Бахарев Д.В., Орлова Л.H., Широбоков А.Ф. Компьютерный синтез реальных изображений идеальных обьектов. "Строительный комплекс - 98". Тезисы докладов. ч. 3. ННГАСУ. Нижний Новгород. 1998. С. 31 - 32.
  6. Бахарев Д.В. Оптический метод расчета естественного освещения // Светотехника. 1996. №7. С. 28 - 32.
  7. Бахарев Д.В. О математическом моделировании многократных отражений света // Светотехника. 1985. №7. С. 3 - 5.
  8. Мешков В.В., Матвеев А.Б. Основы светотехники. Часть 2. Физиологическая оптика и колориметрия. М.: Энергоатомиздат. 1989. с. 432.

Обсудить новость в форуме. (0 сообщений)

 
Парадоксы феноменологии света (к оптической теории световых полей) »