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Lightscape 和照明技術(shù)介紹
Lightscape 是一個生成三維模型的精確照明仿真的可視化軟件包。
概要
本章學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：
• 關(guān)于Lightscape™
• 電腦圖形渲染
• 光度測定
• Lightscape 文檔
關(guān)于Lightscape
Lightscape™ 是一個集光能傳遞和光影跟蹤為一體的創(chuàng)建精確三維渲染圖的應(yīng)用軟件，同時它能夠通過人機交互界面定義光源，材質(zhì)。Lightscape 有很多獨特的高級渲染技術(shù)包括：
• 真實性
• 真實光照
• 內(nèi)部漫游
• 逐步精細(xì).
真實性
因為 Lightscape 精確計算了光傳播，所以從中你能得到其它渲染軟件無法達到的渲染效果，包括：真實光照、柔和陰影、顏色混合。
真實的光照
因為 Lightscape 采用光度測定值進行光照計算，所以你能夠按照真實場景直接設(shè)置光源；你也能夠按照光的分布及顏色創(chuàng)建光源或輸入照明廠家提供的光度測定文件；你還能夠按照地理位置、日期、時間設(shè)定日光。
內(nèi)部漫游
Lightscape 運用光能傳遞得到的渲染結(jié)果是一個全三維的渲染結(jié)果，它比傳統(tǒng)電腦圖形技術(shù)顯示各視點的渲染效果更快。配上快速硬件，你就可在三維渲染環(huán)境中漫游。它能夠在比專業(yè)動畫系統(tǒng)少很多的時間內(nèi)為電影、視頻生成漫游動畫幀。
逐步精細(xì)
Lightscape 的渲染效果是隨時可見的，并隨著時間的增長逐步精細(xì)。在其渲染過程中的任何時候，你都可以改變表面材質(zhì)和照明參數(shù)，系統(tǒng)不需重新從頭開始渲染就可針對你的修改在相應(yīng)部分重新計算渲染效果。所以你可以在渲染過程中隨時調(diào)整表面材質(zhì)和照明參數(shù)，從而得到你所想要達到的效果。
電腦圖形渲染
這部分講述電腦圖形渲染的一般觀點和 Lightscape 使用的渲染技術(shù)。 一個3D模型包含了通過3D笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)定義的幾何數(shù)據(jù)。3D笛卡兒坐標(biāo)系有時也被稱為世界坐標(biāo)系。3D模型也可包含材質(zhì)及照明信息。電腦顯示器上的圖象是由大量像素構(gòu)成的。創(chuàng)建幾何模型的電腦圖象就是確定屏幕上每個像素的顏色。模型表面上的任何點都是表面材質(zhì)和光照共同作用的結(jié)果。局部照明和整體照明是用來描述光是如何進行傳播和反射的。
局部照明
局部照明法則是描述光在單個表面上是如何反射和傳遞的。 它能夠計算光的強度、鏡面反射及光被表面反時的分布。簡單的渲染運算法則認(rèn)為光只是從直接光源發(fā)出的。
全局照明
為得到更精確的圖像，不僅要考慮從光源直接發(fā)出的光而且要考慮光與場景中各表面間的相互作用。例如：一些表面因阻擋光而在其它表面產(chǎn)生陰影；一些表面有光澤，我們在其上能看到其它表面的倒影；一些表面透明則能透過它看到其它表面；還有一些表面會反射光線到其它表面上。全局照明原則就是考慮光與場景中各表面相互作用的運算法則。 Lightscape 使用兩種全局照明法則：光影跟蹤，光能傳遞。在解釋這些技術(shù)之前先了解光在場景中的分布方式是十分有用的。例如，房間里有一個光源，光的粒子理論說光是由光子組成，光子由光源發(fā)出，它們直線傳播直到碰到房間中的某個表面。根據(jù)表面的材質(zhì)某些特定波長的光子被反射，另一些則被吸收。
一個房間的全局照明
表面光滑度不同反射光子的方式也不同。粗糙表面從四面八方反射光子，這種反射叫漫反射，這種反射表面叫漫反射表面。粉刷過的墻壁是漫反射表面的一個實例。非常光滑的表面按照入射角等于出射角的原則反射光子，這種反射叫鏡面反射，這種反射表面叫鏡面反射表面。鏡子是鏡面反射的一個實例。當(dāng)然很多材質(zhì)對光子的反射既有鏡面反射又有漫反射。房間最終的照明效果是光源發(fā)出的光子和表面反射相互作用的共同結(jié)果。
 
漫反射 鏡面反射
如果你站在房間，很少數(shù)量的光子會進入你眼中刺激視網(wǎng)膜上的桿狀體和視錐，從而被大腦感知形成視覺。電腦則是用屏幕上的像素代替了視網(wǎng)膜上的桿狀體和視錐。 全局照明目的之一就是盡可能精確的真實模擬你在現(xiàn)實場景中所看到的景象； 其目的之二是盡可能快的生成實時圖象（30幀/秒）。當(dāng)前還沒有哪個簡單的全局照明運算法則能夠同時達到著兩個目的。
光影跟蹤
第一個全局照明法則叫做光影跟蹤。它認(rèn)為房間中可能有數(shù)十億個光子，但是它只考慮進入眼中的那部分光子，它是根據(jù)追蹤從屏幕像素到3D模型的光線來運算的。用光影跟蹤創(chuàng)建圖象按以下步驟進行：
1．從眼睛位置開始在光線后面追蹤光線，穿過屏幕像素，直到與表面相交。
2．模型只提供表面的反射率，而不是光線到達表面的數(shù)量。整體照明效果是靠追蹤光源發(fā)出的光線在環(huán)境中物體相交的交點得到。 如果追蹤的光線不被場景中的物體阻擋，則用此光線計算表面顏色。
3．場景中的表面可能是有光澤或透明的，運算法則必須能夠計算出透過該透明表面所看到的場景。
4．若后面的表面仍然是有光澤或透明的則重復(fù)上一步，直到達到最大反復(fù)次數(shù)或沒有表面被碰到。 光影跟蹤是一個非常通用的法則，它能夠精確的計算出直接照明、陰影和鏡面反射，其主要缺點之一就是對于中等復(fù)雜程度的模型運算速度顯得較慢；之二則是不能計算非常重要的漫反射。
傳統(tǒng)光影跟蹤技術(shù)只能精確計算出從光源直接發(fā)出的光線所產(chǎn)生的效果。如下圖所示，用光影跟蹤房間中的桌子，可見桌子下面區(qū)域因不能得到光源直接發(fā)出的光線而出現(xiàn)黑暗效果。但再現(xiàn)實中桌子下面是能夠得到來自墻面和地面的反射光的，不會是黑暗的。
光影跟蹤
傳統(tǒng)的光影跟蹤技術(shù)通常是利用設(shè)置環(huán)境光參數(shù)來實現(xiàn)見接照明。 這個參數(shù)是人為隨意設(shè)定的與客觀世界毫無關(guān)系，這就致使光影跟蹤渲染影像因不能真實反映不同表面的漫反射而顯得十分呆板。
光能傳遞
因為光影跟蹤存在一些重大缺陷，研究人員又在致力于另一種全局照明技術(shù)的研究。早在60年代初，熱能工程師已經(jīng)研究出了表面間熱輻射的傳遞方法，這個理論很快就在熔爐、發(fā)動機上得到了應(yīng)用。到80年代中葉，電腦圖形研究者開始用這個方法模擬光傳播，光能傳遞就因此應(yīng)運而生。，光能傳遞計算環(huán)境中離散點的光強度，它與光影跟蹤計算屏幕上像素點的顏色存在本質(zhì)區(qū)別。光能傳遞運算時把表面分成稱為網(wǎng)格元素的小塊，然后計算各元素上的光線分布，并把光能傳遞值保存在各個網(wǎng)格元素中。
當(dāng)光線分布被計算出后對任一視點通常都能實時的在屏幕上進行顯示，這叫做視點不獨立性，因為環(huán)境中的光線分布已被預(yù)先全部計算出來，所以對于各個不同視點都不用重新計算，所要作的僅僅是換角度顯示。光影跟蹤則正相反，它具有視點獨立性，對于各個不同視點都需重新計算。
光能傳遞
早期的光能傳遞版本必須全部計算完網(wǎng)格元素上的光能分布才能在屏幕上顯示渲染結(jié)果。盡管最終結(jié)果具有視點不獨立性，但其前期處理過程卻要花費相當(dāng)長的時間。到了1988年一種叫做逐漸精細(xì)的光能傳遞運算法則出現(xiàn)了，它允許用戶在渲染過程中隨時可看到隨時間增長而逐漸精細(xì)的渲染結(jié)果。
Lightscape 逐漸精細(xì)的光能傳遞法則按以下步驟進行：
1．根據(jù)相鄰網(wǎng)格元素上光線分布強度的不同自動細(xì)分網(wǎng)格元素。
2．各個光源發(fā)出的光線都被分配到場景中各個表面上，其中一個表面遮擋其它表面時會產(chǎn)生陰影。
3． 隨表面材質(zhì)的不同一些光能被吸收，另一些則被反射到場景中。在光能傳遞中我們假定：表面從各個方向以相同的數(shù)量反射光線，這叫理想漫反射。
4．在計算完從光源發(fā)出的光線產(chǎn)生的直接照明之后，逐步精細(xì)的光能傳遞渲染法則繼續(xù)檢查哪些表面仍然反射光線，這些表面則被作為光源發(fā)出反射光照到其它表面，這叫做間接照明。
5. 上面這個過程反復(fù)執(zhí)行直到大部分光能被表面吸收，從而達到極限收斂。每從表面或光源分配一次光線，都稱為一次迭代。迭代次數(shù)由場景的復(fù)雜程度決定。迭代計算開始時收斂速率很快，到最后，因為剩余的光能已經(jīng)很小，所以渲染場景在上一次迭代與本次迭代計算完后已經(jīng)看不出有什么變化。此后迭代計算仍會繼續(xù)進行很多次以達到計算結(jié)果完全收斂。但當(dāng)你看到你所想要得到的效果時，不必等到計算結(jié)果完全收斂，就可以中斷渲染進程，從而節(jié)約渲染時間。
光能傳遞與光影跟蹤的區(qū)別：
雖然光能傳遞與光影跟蹤存在本質(zhì)區(qū)別，但它們在很多方面都是互補的。
光影跟蹤有以下優(yōu)缺點：
優(yōu)點：
對于直接照明能夠進行精確渲染，包括：陰影、鏡面反射、透明效果，
內(nèi)存利用率高。
缺點：
場景中光源數(shù)量越多，計算時間越長。
視點獨立，對于每個視角必須重新計算。
不能計算漫反射。
光能傳遞有以下優(yōu)缺點：
優(yōu)點：
能計算漫反射。
視點不獨立，對于每個視角不需重新計算。
隨時可見的逐漸精細(xì)的渲染過程。
缺點：
劃分3D網(wǎng)格，要求內(nèi)存大。
不能計算鏡面反射和透明效果。
無論光能傳遞還是光影跟蹤都不是一個完全的全局照明解決方案。光能傳遞擅長漫反射計算，光影跟蹤擅長鏡面反射計算。Lightscape 融合了這兩種渲染方法，從而達到真實模擬客觀世界的目的。
光度測定
Lightscape 是基于物質(zhì)世界來模擬光傳播的。其結(jié)果不僅高度真實，而且精確計算出了光在場景中的分布。你還可以在 Lightscape 中運用來自光源和燈具廠家提供的照明數(shù)據(jù)文件。普通燈具類型在附錄G中提供。
在設(shè)計照明系統(tǒng)時光度測定就是用來量化人眼對光的感覺的，它包含4個度量單位：
• 光通量
• 照度
• 亮度
• 光強
光通量是單位時間內(nèi)光能到達、離開、穿過表面的數(shù)量。單位是（lm），在國際單位制、美國單位制中通用。
照度是指單位面積上的光通量，這個物理量表示光照等級與表面面積大小無關(guān)。在國際單位制中單位是 Lux （lx）， 1Lux=1lm/平方米，其相應(yīng)的美國單位制中的單位是（fc），1fc=1lm/平方英尺。
亮度是對表面光反射的度量，它轉(zhuǎn)化成顏色，生成真實的渲染場景，亮度用每平米多少candela 來度量。
光強是指光源在單位時間內(nèi)，在特定方向上所發(fā)出的光能。其度量單位是candela，光強通常用于描述某個方向的光線分布。
關(guān)于 Lightscape 文檔 Lightscape 用戶手冊包含以下內(nèi)容： • Lightscape 3.2 用戶指導(dǎo)（印刷手冊和在線文檔） • Lightscape 3.2 學(xué)習(xí)手冊（印刷手冊和在線文檔） • 在線幫助 • 安裝 LSnet 的在線文檔 • README.TXT (在 Lightscape 目錄下的在線文檔) Lightscape 3.2 用戶指導(dǎo)提供 Lightscape 在安裝、處理、渲染中所使用的技術(shù)及概念的解釋說明。 Lightscape 3.2 學(xué)習(xí)手冊舉例說明 Lightscape 的操作過程。 在線幫助提供基于標(biāo)題及界面元素的參考信息。 圖例說明 
本章講述如何安裝 Lightscape
概要
本章學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：
• 系統(tǒng)要求
• 第一次安裝 Lightscape
• 從低版本升級 Lightscape
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系統(tǒng)要求
下表列出推薦配置和最低配置：
第一次安裝 Lightscape
1. 把 Lightscape 光盤放在光驅(qū)中。
2. 從“開始”菜單中選擇“運行”。
3. 輸入 d:\setup 按回車。如果你的光驅(qū)不是 “d” 把“d” 改成相應(yīng)的光驅(qū)號。
下面按照 Lightscape 安裝向?qū)У奶崾纠^續(xù)進行。
4. 如果安裝程序提示重啟動電腦，須在運行Lightscape 之前重啟動電腦。
從低版本升級 Lightscape
如果你是升級 Lightscape，系統(tǒng)會提示你卸載原先的Lightscape版本，如果你選擇不卸載，原先的版本將被升級版本覆蓋。
如果你不希望覆蓋原來的版本，則可安裝新版本到另一個目錄下。
Lightscape 3.2 能夠讀以前版本的任何文件
注意：以前的Lightscape版本不能讀 Lightscape 3.2 的文件，但 (.la), (.lay), (.df) 文件在Lightscape3.2, Lightscape3.1, Lightscape3.11中可以通用。
第三章 操作流程
本章講述 Lightscape 操作流程，對于流程中的每一步在后面章節(jié)都有詳細(xì)敘述。
概要
Lightscape 操作主要包括兩個階段——準(zhǔn)備階段和解決階段。在準(zhǔn)備階段模型結(jié)構(gòu)與很多CAD模型相似，此階段你能夠編輯幾何體、材質(zhì)、光源。準(zhǔn)備階段的模型保存為 .lp 為擴展名的文件。
在解決階段，Lightscape 改變了模型結(jié)構(gòu)以適應(yīng)光能傳遞的處理。解決階段的模型保存為 .ls 為擴展名的文件。在此階段你能夠編輯材質(zhì)及光源的光度測定屬性，但你不能修改幾何體或加入光源。若你必須修改幾何體或加入光源須回到準(zhǔn)備階段進行修改，然后再生成新的解決文件。
準(zhǔn)備階段和解決階段
準(zhǔn)備模型
在準(zhǔn)備階段你可以輸入模型，調(diào)整表面方向，定義光源及位置，根據(jù)需要加入、刪除、重定位場景中對象。
輸入幾何體
第一步就是向Lightscape 中輸入幾何體，在此你能夠把在很多 CAD 軟件中建立的模型及模型中定義的塊和光源一起輸入Lightscape中。 詳細(xì)信息參考第五章，第六章。
表面方向
當(dāng)你輸入模型后應(yīng)把表面法線方向調(diào)整正確。 表面方向決定了表面的哪個面是受光面。例如一個房間的照明，墻壁表面的方向應(yīng)當(dāng)朝屋內(nèi)。詳細(xì)信息參考第六章。
定義材質(zhì)
Lightscape 是基于物質(zhì)世界的渲染仿真軟件，它最重要的特性就是能夠得到真實的渲染效果。材質(zhì)模板使它能夠很容易的定義出大量的材質(zhì)，諸如，金屬、石頭、粉刷平面、水等等。另外你還可以利用紋理位圖和程序紋理突出表面特性。 同時 Lightscape 也為用戶提供了一個有幾百種材質(zhì)的材質(zhì)庫。詳細(xì)信息參考第七章。
加入光源
你能夠在模型中加入人造光源和日光。模型中所有人造光線都來自人造光源。你可以創(chuàng)建光源或燈具中的光源，并把它們直接放入模型中。你還可以直接使用燈具廠家提供的IES文件。Lightscape 同樣也為用戶提供了一個有幾百種燈具的燈具庫。對于室外模型可以加入日光，日光分兩種：太陽光和天空光。詳細(xì)信息參考第八章，第九章，第十章。
精煉模型
Lightscape 只提供了很有限的幾個修改幾何體的工具。你能夠加入、刪除、復(fù)制表面，塊，光源。例如，你能在模型中加入家具，并把它移動到內(nèi)墻，或在準(zhǔn)備階段旋轉(zhuǎn)射燈等等。詳細(xì)信息參考第六章。
光能傳遞解決階段
在此階段 Lightscape 用光能傳遞法則精確計算出光在模型中的傳播。在光能傳遞初始化階段Lightscape優(yōu)化模型中的表面為后續(xù)處理作準(zhǔn)備。一旦模型初始化完畢，你就不能修改幾何體和加入光源了。
在解決階段渲染結(jié)果隨時間加長而逐漸精細(xì)，最終得到完美的渲染結(jié)果。你可以把渲染結(jié)果輸出為動畫或單個圖象，能夠進行照明分析，還能夠輸出結(jié)果到其它程序中。
設(shè)置處理參數(shù)
使用處理參數(shù)可以控制光能傳遞渲染質(zhì)量。參數(shù)設(shè)置越恰當(dāng)渲染質(zhì)量也越高，但可能會需要更長的運算時間和更多的內(nèi)存。為了有效的提高渲染效果，你可以調(diào)整全局照明參數(shù)并把它運用于整個模型中，你還可以調(diào)整局部照明參數(shù)并把它運用于特定表面上。詳細(xì)信息參考第十一章。
光能傳遞
在光能傳遞處理階段 Lightscape 計算模型中的漫反射。此階段的任何時候，你都可以中斷處理，進行修改。有關(guān)光能傳遞的詳細(xì)信息參考第十一章。
精煉解決方案
在解決階段不能修改幾何體，但能夠修改材質(zhì)和光源的光度測定屬性。當(dāng)你作了修改后你有兩種方式實現(xiàn)修改，其一是從中斷處繼續(xù)運行光能傳遞計算，程序會在以后的運算中完成修改；其二是重新開始光能傳遞處理過程。最后存儲光能傳遞結(jié)果為 Lightscape （.ls）文件。
輸出結(jié)果
在輸出階段你能夠用OpenGL® 快速完成光能傳遞計算或用 Lightscape 的光影跟蹤進行精確計算，計算出鏡面反射、透明效果和更高質(zhì)量的陰影。詳細(xì)信息參考第十一章、第十四章。
用多少時間，計算出什么質(zhì)量的影像這需要根據(jù)用途而定。下面列出了大多數(shù)常規(guī)用途：
• 單獨一張渲染圖
• 漫游動畫
• 虛擬現(xiàn)實
• 照明分析.
單獨一張渲染圖
你能夠用OpenGL 快速輸出高質(zhì)量的結(jié)果。欲得到更高質(zhì)量的精細(xì)渲染影象，須使用光影跟蹤輸出圖象。詳細(xì)信息參考第十四章。
漫游動畫
你可以為漫游動畫在光能傳遞解決方案中設(shè)定相機路徑。你可以用OpenGL 快速生成反鋸齒的高質(zhì)量影象，詳細(xì)信息參考第十五章。
如果你想得到鏡面反射、透明效果，需要用光影跟蹤處理每一幀。為提高效率，在渲染動畫時可采用批處理程序或LSnet。詳細(xì)信息參考附錄B。
虛擬現(xiàn)實
如果你想為交互式漫游生成虛擬現(xiàn)實環(huán)境，則不能使用光影跟蹤。你必須致力于只用光能傳遞技術(shù)生成高質(zhì)量的渲染效果。為增加顯示速度，請使用支持OpenGL 的圖形加速卡。你可以靠轉(zhuǎn)換網(wǎng)格元素和幾何體成為紋理位圖來減少場景的幾何復(fù)雜程度，從而增加漫游速度。當(dāng)使用Lightscape制作網(wǎng)上交互式游戲時，這一點就顯得非常重要。詳細(xì)信息參考第十三章。
Lightscape 光能傳遞結(jié)果也能夠輸出為VRML格式。這種格式的文件能被一些專門的虛擬現(xiàn)實軟件使用。詳細(xì)信息參考第十六章。
照明分析
如果你對照明分析感興趣，Lightscape 提供了一系列用于形象化照明數(shù)據(jù)的工具。詳細(xì)信息參考第十二章。
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