X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Применение 3D-графики для точной симуляции поведения света в практических целях
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Цель работы:
установить, достаточно ли общедоступного программного обеспечения, установленного на домашний ПК, для точной симуляции поведения света при моделировании искусственного освещения в помещениях.
Задачи:
построить модели реальных ситуаций, используя общедоступное программное обеспечение;
провести проверку соответствия созданных моделей реальным объектам;
в случае удовлетворительного результата привести пример использования данного программного обеспечения с применением выработанных техник для решения конкретных задач.
Оборудование и материалы:
Источники освещения – лампы с различными параметрами, лампочка фонарика в смартфоне;
бумажные, картонные и стеклянные объекты для симулирования различных ситуаций, которые отражают основные свойства света;
зеркало;
домашний ПК;
фото- и видеоаппаратура.
Данная работа является актуальной, так как позволит понять, может ли простой человек, не имеющий особых навыков работы со специализированным программным обеспечением, используя домашний ПК, при помощи 3D-графики решать практические задачи, такие как: предварительное моделирование интерьера, планировка искусственного освещения в помещениях; а также позволит экономить электроэнергию и денежные ресурсы, так как применение трёхмерной графики сможет сделать процесс разработки освещения помещений независимым от настоящих источников света, более комфортным и приятным.
Теоретическая часть
Свет в реальности и 3D-графике
Для начала необходимо разобраться, как “работает” свет в окружающем нас мире, и какие средства привлекаются для его симуляции в 3D-графике.
Свет распространяется в виде электромагнитных волн определённой длины. В разных средах свет распространяется с разными скоростями. Наибольшую скорость свет имеет в вакууме – порядка 300 000 км/с. Однако, в среде, отличной от вакуума, его скорость меньше, а луч света изменяет своё направление на “стыке” двух сред. Именно этим обусловлено искажение, которое можно наблюдать, глядя через кусок стекла или прозрачного пластика. Показателями, характеризующими данное явление, являются абсолютный и относительный коэффициенты преломления. Эти параметры определяются отношением скоростей света в двух средах: абсолютный коэффициент преломления – скорости света в вакууме к скорости света в данной среде: , относительный – скорости света в среде 1 к скорости света в среде 2: .
Каждый луч света, попадая на какую-либо поверхность, частично преломляется, частично поглощается, частично отражается. Соотношением между этими тремя явлениями определяется внешний вид материала, например, в прозрачных материалах ярко выражено преломление света.
Ещё одна важная характеристика света – его цвет. Он обусловлен длиной волны света: наиболее короткие волны видимого спектра (λ = 400 нм) имеют синий цвет, а самые длинные (λ = 700 нм) – красный. Видимый же цвет материала зависит от цвета волн, которые он поглощает и отражает, например, зелёный материал отражает волны зелёного цвета, а остальные поглощает.
Теперь рассмотрим средства симуляции света в 3D-графике.
Основываясь на анализе интернет-источника Wikipedia, 3d — раздел компьютерной графики, посвящённый методам создания изображений или видео путём моделирования объёмных объектов в трёхмерном пространстве и других интернет источниках, приведенных в списке литературы, можно сказать следующее: в отличие от традиционного метода изображения, виртуальное трехмерное пространство позволяет симулировать поведение света в соответствии с законами оптики.
Существует много методов и способов симуляции света, применяемых в современной трёхмерной графике. В данной работе рассматривался метод PathTracing – наиболее современный и физически точный. Остановимся на нём подробнее.
В реальном мире каждый источник света испускает огромное количество лучей света, которые могут, как было сказано выше, поглощаться, преломляться и отражаться. Однако, до наблюдателя – глаза или камеры – доходит лишь незначительная часть лучей из их общего числа. Если напрямую симулировать достаточное количество лучей, выпущенных из каждого виртуального источника освещения, то даже современным вычислительным мощностям понадобится большое время для обработки. Поэтому в технологии PathTracing применяется следующая оптимизация: лучи света выпускаются в обратном порядке – от наблюдателя (виртуальной камеры) к источнику света. Это позволяет в сотни раз увеличить производительность без потери точности, так как просчитываются только те лучи, которые видны виртуальной камере в данный момент. Это единственное отклонение от реальности в технологии PathTracing, что делает её самой точной, но и самой требовательной к вычислительным ресурсам технологией. С использованием данного метода возможна эмуляция любых материалов и условий освещения.
Непосредственно за получение изображения – рендеринг – отвечают специальные программы, называемые рендер-движками. Именно эти программы выпускают лучи света в 3D-пространство из виртуальной камеры, затем просчитывают взаимодействие этих лучей с объектами и их материалами. Финальным этапом рендеринга является растрирование и сохранение изображения.
PathTracing может просчитывать освещение в соответствии с двумя разными сценариями: с использованием лучей, принадлежащих специальным объектам – виртуальным готовым источникам освещения простых форм (точечный, прямоугольный и др.); или с использованием лучей, принадлежащих источникам освещения в виде сформированных трёхмерных моделей из светящихся материалов. Второй сценарий позволяет применять для освещения объекты любой формы, но более требователен к вычислительным ресурсам.
Экспериментальная часть
Условия экспериментов
Для выполнения поставленных задач был разработан и проведён ряд экспериментов, направленных на выявление неточностей и слабостей трёхмерной графики.
Для этого была выбрана тёмная комната, получающая пренебрежимо малое количество света извне. С использованием оборудования и материалов, указанных выше, были созданы установки, отражающие основные свойства света.
Каждый использованный источник освещения, как и условия каждого эксперимента, были воссозданы в 3D-пространстве с соблюдением размеров и форм, а также показателей цветовой температуры.
Для всех источников освещения, кроме фонарика смартфона (далее - телефон), использовался светящийся материал.
Каждый эксперимент фиксировался с помощью фото- или видеоаппаратуры, затем воссоздавался в трёхмерном пространстве. Изображения сравнивались, проверялось соответствие “рендера” фотографии или видеоряда.
Стоит отметить, что один из методов оптимизации рендеринга – ограничение количества отражений виртуальных лучей света от поверхностей. Примерно после 5-го отражения луч теряет так много энергии, что остальные бесчисленные отскоки практически не влияют на освещённость объекта, поэтому целесообразно не устанавливать данную настройку рендер-движков выше 5, во избежание потери производительности. В этой работе ради повышенной точности во всех экспериментах количество отражений было выставлено на 100.
Эксперименты
В эксперименте №1 проверялся вид светового пятна. Этот эксперимент отражает распространение света по закону обратных квадратов: интенсивность света обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника.
Фотография Рендер
Фотография Рендер
Фотография Рендер
Как можно видеть из результатов данного эксперимента, все виртуальные источники освещения ведут себя очень схоже с настоящими. Наименьшее сходство заметно на последней паре изображений с источником света “телефон”.
В эксперименте №2 проверялось как соответствие трёхмерных моделей закону обратных квадратов для световых волн, так и внешний вид тени, отбрасываемой объектами.
Фотография Рендер
Фотография Рендер
Фотография Рендер
\
Эксперимент №2 тоже показал хорошее сходство синтезированных изображений с реальными фотографиями, за исключением более тёмной тени на рендерах, что вызвано менее прозрачным материалом бумаги в 3D. “Телефон” опять отстаёт, что подтверждает преимущество светящихся материалов над готовыми виртуальными “лампочками”.
Эксперимент №3 завершает проверку соответствия моделей закону обратных квадратов.
Фотография Рендер
Фотография Рендер
Фотография Рендер
Эксперимент №3 опять показал достаточное сходство. На рендерах тени выглядят длиннее, чем на фотографиях, что скорее обусловлено неправильным расположением виртуальных источников освещения, нежели неточностью симуляции.
В эксперименте №4 рассматривается способность лучей разного цвета смешиваться, образуя новых цвет.
Фотография Рендер
Ближе к середине цвет приобретает розоватый оттенок (смешивается жёлтый и синий). На рендере подобное смешение цветов также заметно. Результат эксперимента удовлетворительный.
В эксперименте №5 рассматривается соответствие непрямого освещения (освещения, полученного только отражёнными лучами света). В качестве отражателя использовался лист белой бумаги.
Фотография Рендер
В эксперименте №5 было показано, что PathTracing позволяет симулировать отражённый свет, подобный реальному.
В эксперименте №6 был рассмотрен особый вид лучей, отражённых от поверхностей, называемых каустиками. Каустик – это поверхность, по отношению к которой каждый луч света является касательной и определяет границу огибающей лучей. В результате около такой поверхности возникает пучок отражённого света повышенной интенсивности. Типичным примером этого явления могут служить красивые бегающие узоры на дне водоёма в солнечный день, солнечный зайчик от часов, след на столе от света, проходящего через стеклянный стакан. В данном эксперименте проверялось сходство каустики (процесса формирования огибающей лучей) отражения.
Фотография Рендер
Каустика отражений совпадает, результат удовлетворительный.
В эксперименте №7 рассматривалась каустика преломления. Использовались стеклянные шарики двух цветов, а также стеклянный стакан.
ФотографияРендер
Фотография Рендер
Каустика преломления также симулируется. На последней картинке можно заметить странное тёмное пятно посередине стакана. Это результат отсутствия каких-либо объектов, находящихся перед стеклом, из-за чего получилось, что стакан отражал “пустоту”.
В эксперименте №8 и последующих имитировались более сложные условия, осуществляющие комплексную проверку симуляции всех рассмотренных ранее явлений. Была создана установка из картона, имитирующая помещение. Постепенно условия усложнялись – добавлялись новые объекты, препятствия и источники света.
Фотография Рендер Фотография Рендер
Фотография Рендер Фотография Рендер
Фотография Рендер
Эти эксперименты дали хорошие результаты: распространение света в построенном “мини-помещении” схоже с реальным.
Итак, на основании проведённых экспериментов можно сформулировать следующее:
модели, созданные в трёхмерном пространстве, соответствуют реальным установкам. Была достигнута необходимая в пределах поставленной цели точность виртуального освещения.
При полученном результате имело смысл провести последний эксперимент, который окончательно подтвердил бы успех ранее проделанных сравнений.
Для этого была выбрана реально существующая комната и сделана её фотография. Затем комната была повторена в трёхмерном пространстве с соблюдением размеров, источников освещения и примерным соблюдением расположения объектов, после чего был произведён рендер.
Фотография Рендер
Рендер-движок справился с задачей.
Заключение
Проведённые эксперименты показали, что PathTracing успешно справляется с точной симуляцией света: его распространением, отражением и преломлением, и даже с такими трудными задачами, как симуляция каустики и воссоздание помещений.
Это означает, что каждый человек, в распоряжении которого есть домашний ПК, может использовать возможности современной компьютерной графики для проектирования искусственного освещения в помещениях, может настраивать виртуальные источники света и доводить их до соответствия реальным.
Пример применения.
Допустим, человек недавно купил отделанную квартиру и желает провести освещение в одной из комнат. Сделать это красиво и эффективно с первого раза довольно сложно. Чтобы не ошибиться и не покупать много лишних ламп и лампочек, он может смоделировать нужную ему комнату и создать возможные варианты её освещения в трёхмерном пространстве. Для этого ему вовсе не требуется идти в магазин за подходящими лампочками, а достаточно лишь потратить несколько часов, сидя за компьютером.
Так он может проверить несколько вариантов освещения с разными лампами.
|
Или решить добавить светодиодную ленту под потолок |
Или посмотреть, как будет выглядеть комната без основного света. |
Список использованных статей
1) https://injzashita.com/povedenie-sveta.html
2) https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%82
3) https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%80%D0%BF%D1%83%D1%81%D0%BA%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%BD%D0%BE-%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D0%B4%D1%83%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%BC
4) https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BA%D0%B0%D0%B7%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C_%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%BC%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F
5) https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D1%91%D1%85%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B3%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%B8%D0%BA%D0%B0
6) https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%81%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BA%D0%B0_%D0%BF%D1%83%D1%82%D0%B8
7) https://learn.foundry.com/modo/content/help/pages/shading_lighting/lights/mesh_light.html
8) https://docs.arnoldrenderer.com/display/A5AFCUG/Mesh+Light
9) https://en.wikipedia.org/wiki/Caustic_(optics)#Explanation
10) https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D1%83%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0