舞臺燈光虛擬效果的設(shè)計與實現(xiàn)

沈縈華，方瑜驊，呂朝輝，李春紅

(中國傳媒大學(xué)，北京 100024)

1 引言

開發(fā)舞臺燈光模擬系統(tǒng)對于舞臺燈光設(shè)計工作有重要的意義，舞臺模型是多種多樣的，對于不同的舞臺，需要相應(yīng)的燈光設(shè)計。這樣，在舞臺燈光設(shè)計工作過程中便會有許許多多的不確定因素。在這篇文章中，通過舞臺燈光效果的模擬，可以降低能源和時間的投入。

通過使用OGRE引擎的架構(gòu)，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)本身所具有的臨場感和交互能力不僅可以將靜態(tài)的設(shè)計和創(chuàng)作轉(zhuǎn)化為動態(tài)形式的再現(xiàn)，而且還可以及時地捕捉和展現(xiàn)設(shè)計者的構(gòu)思、創(chuàng)意和靈感，一個成熟而完善的虛擬設(shè)計系統(tǒng)平臺無論是對于燈光設(shè)計師、演出導(dǎo)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非常專業(yè)且實用的設(shè)計工具和得力助手。而實時方便的可交互性功能，則使得系統(tǒng)更加具有實時性和可操作性。本系統(tǒng)提供一個實時可交互的操作環(huán)境，滿足了用戶的需求。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 邏輯架構(gòu)

無論是游戲還是虛擬現(xiàn)實，為了表現(xiàn)其逼真性，虛擬場景大多比較復(fù)雜，所以虛擬場景的創(chuàng)建大多由3D建模工具生成，然后對場景實時渲染輸出。舞臺燈光設(shè)計由3DMAX提供基本的場景文件，通過DOM(Document Object Model)接口進(jìn)行解析，并進(jìn)行資源的導(dǎo)入和場景的組織。最終進(jìn)入OGRE系統(tǒng)進(jìn)行渲染［1］。

光照模型是多種多樣的，需要在場景中分別實現(xiàn)它們的效果。同時用戶也要能夠通過UI界面進(jìn)行各種各樣的操作。系統(tǒng)要求操作復(fù)雜度高，計算量大，可擴(kuò)展性強(qiáng)。需要設(shè)計與建立一個數(shù)據(jù)處理與計算效率高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、功能模塊松耦合強(qiáng)內(nèi)聚的總體實現(xiàn)架構(gòu)［2］，如圖1所示:

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)分為資源層，接口層，渲染層。

資源層:由3DMAX+Ofusion插件導(dǎo)出，生成場景組織，材質(zhì)，實體，貼圖等系統(tǒng)所需的資源文件。

接口層:負(fù)責(zé)將這些資源文件導(dǎo)入場景中。

渲染層:實現(xiàn)舞臺場景和燈光的渲染，系統(tǒng)資源的管理，用戶交互的實時響應(yīng)等。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 場景的組織和形成

系統(tǒng)所需的資源文件由3DMAX通過Ofusion插件導(dǎo)出。導(dǎo)出的場景組織文件是XML格式的，記錄著舞臺的一些基本的參數(shù)和每一個舞臺實體的位置，朝向等各個方面的信息。

場景節(jié)點是以樹狀形式組織的［3］，每個節(jié)點都有相應(yīng)的父節(jié)點，因此我們可以通過對父節(jié)點的操作，方便的使多個子節(jié)點同時移動和旋轉(zhuǎn)。

圖2是OGRE中場景圖和場景內(nèi)容的關(guān)系描述圖。

圖2OGRE場景管理圖

3.2 三維坐標(biāo)變換

要把三維的渲染結(jié)果展現(xiàn)到二維的屏幕上，需要進(jìn)行從三維坐標(biāo)到平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

首先，需要建立一個三維坐標(biāo)系，我們創(chuàng)建一個三維的斜二軸側(cè)坐標(biāo)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(biāo)系中顯示圖形時，x軸和 z軸方向的長度取圖形實際長度，而y軸方向的長度則取實際長度的一半。

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

其中f和d是軸測變換矩陣系數(shù)，求解這個方程式，可得

為了使立體感更強(qiáng)，令d=f=－0.354，可以求出軸測投影變換矩陣:

接下來，需要將圖形的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為屏幕上的設(shè)備坐標(biāo)，在透視窗口中，坐標(biāo)原點位于屏幕的左上角，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(shè)在三維空間中的一點(x，y，z)，在設(shè)備坐標(biāo)中的坐標(biāo)是(xx，yy)，運(yùn)用剛剛的軸測投影變換矩陣，可以得到如下轉(zhuǎn)換公式:

公式中xX，yY，是三維坐標(biāo)原點在設(shè)備坐標(biāo)系中的相對坐標(biāo)。

將公式(4)代入(5)，可以得出變換方程:

3.3 粒子系統(tǒng)效果模擬

粒子是用四邊形來表示的。它有長寬、方向、顏色、壽命、數(shù)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(fù)責(zé)粒子的發(fā)射，給出粒子在發(fā)射時的一些屬性，包括運(yùn)動速率、顏色、生命期等;粒子特效影響器負(fù)責(zé)粒子從發(fā)射后到消亡前這一階段粒子屬性的改變，可以用來模擬重力、拉力、顏色衰變等特殊效果。當(dāng)粒子發(fā)射器不停地噴發(fā)出大量粒子時，就可以形成煙、火和爆炸等效果。

OGRE提供了粒子系統(tǒng)腳本語言，可以在腳本中設(shè)置粒子的各種屬性。一個簡單的粒子腳本文件結(jié)構(gòu)如下所示，

Particle

{

系統(tǒng)屬性

發(fā)射器

{

發(fā)射器屬性

}

影響器

{

影響器屬性

}

}

文件里可以包含粒子系統(tǒng)屬性、多個發(fā)射器和多個影響器。因此當(dāng)需要時，可以自己實現(xiàn)粒子和粒子發(fā)生器，并在系統(tǒng)中使用它們。

本文中，通過粒子系統(tǒng)描述了舞臺煙花，下雨和云霧的效果。結(jié)合OGRE的動畫效果，可以實現(xiàn)更加逼真的場景粒子效果。

3.4 光照效果模擬

光照是舞臺效果的關(guān)鍵因素，也是本設(shè)計系統(tǒng)核心的技術(shù)［4］。渲染引擎提供了幾種常用的燈光，比如點光源、方向光源和聚光燈。但是對于真實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，需要通過可編程渲染管線技術(shù)(shader)來實現(xiàn)。shader有兩種，一種是頂點級的，稱為vertex shader(OpenGL稱為vertex program)，取代固定渲染管線中的變換和光照部分，程序員可以自己控制頂點變換、光照等。硬件中處理頂點shader的單元叫vertex shader processors(頂點處理單元)。一種是像素級的，稱為pixel shader(OpenGL稱為fragment program)，取代固定渲染管線中的光柵化部分，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感，還需要借助3D的光照方程來模擬計算。這里往往是一種近似的算法，但是它能達(dá)到一個很好的模擬效果和很快的運(yùn)行速度。常見的光照模型有兩種:全局光照模型和直接光照模型。本系統(tǒng)采用全局光照模型。

全局光照模型是一個能很好的模擬真實感的光照模型。它可以同時考慮到光線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，需要模擬實際光線的傳播過程和能量交換的輻射度［5］。

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

接下來計算輻射度，需要計算每個面片上的光照情況:

這里L(fēng)d是光源照射的光，T是光照傳播因子，TLi是其他面片反射來的光照，L便是最終要求的光照值［6］。

4 系統(tǒng)界面

圖4為舞臺煙花效果圖。圖5為體積光效果圖。系統(tǒng)可以實現(xiàn)舞臺的切換，舞臺中各種場景效果，也可以與舞臺場景和各種燈光進(jìn)行實時交互。

圖4 舞臺煙火

5 結(jié)束語

圖5 體積光效果

舞臺燈光設(shè)計已經(jīng)成為照明設(shè)計師的一個主要問題。他們經(jīng)常要面對這樣高成本，高能耗和高耗時的問題。隨著信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，專業(yè)舞臺燈光領(lǐng)域也跨入了全面的數(shù)字化時代。系統(tǒng)利用OGRE渲染引擎建立虛擬舞臺，并且對舞臺燈光設(shè)計及調(diào)整進(jìn)行實時呈現(xiàn)，同時為舞臺燈光設(shè)計師提供了豐富的系統(tǒng)交互功能，能夠很好的解決這一難題。

接下來，系統(tǒng)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。用戶的操作界面也需要進(jìn)一步優(yōu)化，提高用戶操作的友好性。

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