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la radiosité est un algorithme de illumination globale utilisé au cours de la interprétation en infographie 3D. Il est une application de méthode des éléments finis pour résoudre le 'équation de rendu des scènes composées de surfaces parfaitement diffusive. à la différence de méthodes de Monte Carlo (Tel que traçage de chemin) Qui gèrent toutes sortes de chemins lumineux, le rayonnement ne tient compte que de ceux qui suivent la forme LD * E, par exemple, des chemins qui partent d'une source et se reflètent diffusivamente un certain nombre de fois (même zéro) avant de frapper l'oeil.

En tant que méthode de rendu radiosité a été présenté en 1984 par des chercheurs Université Cornell (C. Goral, K. E. Torrance, D. et P. Greenberg B. Battaile) dans un article intitulé "Modélisation de l'interaction de la lumière entre des surfaces diffuses". La théorie a été utilisée dans l'ingénierie pour étudier la la transmission de chaleur depuis 1950

sont Lightscape (maintenant absorbé quelques célèbres moteurs de rendu commerciaux basés sur le rayonnement par 3D Studio Max dell 'Autodesk), RadioZity Auto * * Des ELAS et Sys (Système d'image électrique Animation). Radiance est un programme open source Image du système synthétique qui permet une simulation précise en utilisant le rayonnement de la lumière.

caractéristiques visuelles

radiosité
Les différences entre la norme et Radiance Lighting Direct

L'inclusion des calculs de radiosité dans le processus de rendu ajoute souvent le réalisme au résultat en raison de la façon qui simule le monde réel.

Considérons une chambre simple. L'image de gauche a été générée avec une normale renderer pour diriger l'illumination. Il existe trois types de lumières dans la scène et lieu choisi par l'auteur dans un effort pour créer le bon éclairage: spots avec des ombres (sur le sol pour créer l'éclairage), l'éclairage ambiant (sans que le reste de la pièce serait lumières sombres) et omnidirectionnelles sans ombre (pour réduire la platitude de la lumière ambiante).

L'image de droite a été calculée à l'aide d'un algorithme de radiosité. Il n'y a qu'une seule source de lumière, une image du ciel placé en dehors de la chambre. La différence est clairement visible. Les ombres douces sont visibles sur le sol, et divers effets d'éclairage sont présents dans la salle. De plus, la couleur de tapis rouge se reflète sur les murs gris, ce qui lui donne un effet réaliste. Aucun de ces effets a été conçu par l'auteur, ils sont tous le résultat de l'algorithme.

algorithme radiosité Vue d'ensemble

La surface de la scène à afficher est divisé en une ou plusieurs surfaces (patches) et l'algorithme concerne une surface à la fois. A chaque étape de l'algorithme, il est calculé par la lumière qui reçoit une pièce de l'autre. Une partie de la lumière est considérée comme étant absorbé, le reste se reflète dans la scène pour l'étape suivante de l'algorithme.

L'une des méthodes courantes pour la résolution de l'équation de radiosité est définie tir radiosité, et permet de résoudre itérativement la prise de vue (d'où le nom) de lumière à partir d'une surface à chaque étape. Après la première passe ne sera illuminé les éléments voir la source de lumière. Après la seconde autres surfaces reçoivent la lumière en raison du rebond de ce dernier sur les patchs déjà allumé. La scène acquiert luminosité à chaque étape, jusqu'à atteindre une stabilité, en raison de l'absorption quasi-totale de la lumière par le patch.

radiosité
Avec la succession des étapes que vous pouvez voir la lumière inonder la pièce. Les patchs individuels sont visibles sous la forme de carrés sur les murs et le sol.

formulation mathématique

Le procédé est basé sur la base de Le rayonnement thermique, vu qui consiste dans le calcul de la quantité d'énergie transférée entre les surfaces. Pour simplifier le calcul, on suppose que toutes les surfaces sont parfaitement diffus. Les surfaces sont généralement discrétisé en un certain nombre fini des quadrilatères ou des triangles sur lesquels est définie une fonction polynomiale.

Après cette fragmentation, la quantité d'énergie transférée peut être calculée en utilisant la réflectivité connue du patch, combinée à la Facteur de forme les deux patchs. cette quantité adimensionnelle Elle est calculée à partir de l'orientation géométrique des deux plaques, et on peut imaginer que la fraction de la zone possible émetteur la première pièce de la deuxième plate-forme.

Une description plus scientifique décrit le rayonnement que l'énergie qui laisse une surface dans un intervalle de temps discret, l'énergie émise et réfléchie combinaison:

où:

  • Bla Il est le rayonnement du patch la.
  • etla Il est l'énergie émise.
  • Rla est la réflectivité de la pastille, le retour de l'énergie réfléchie, si elle est multipliée par l'énergie incidente (celui qui vient de l'autre patch).
  • tous j () Rendue dans l'environnement sont intégrés pour Bjfaji dAj, afin de déterminer l'énergie sortant de la pièce j et à venir sur la.
  • faji Il est le facteur constant qui décrit la relation géométrique entre le patch la et j.

réciprocité:

par:

Pour faciliter l'utilisation l 'intégral Il est remplacé par un rayonnement constant de la totalité du patch, ce qui nous amène à la version simplifiée:

Cette équation peut être appliquée à chaque patch. L'équation est monochrome, donc il doit être répété pour chaque couleur fondamentale.

La constante Fji Il peut être calculé de diverses façons. Les premiers procédés utilisés un hémicube (Un cube imaginaire centré sur la première surface sur laquelle le second a été projeté, procédé réalisé par Cohen et Greenberg dans 1985) Pour rapprocher le facteur de forme. Cette méthode est coûteux en calcul pour la raison qu'un facteur de forme optimal pour être calculée pour chaque paire de surfaces, qui a généré une augmentation quadratique.

Réduction du temps de calcul

En dépit de la formulation de base de la méthode des ports à une augmentation du second degré de complexité, il existe des méthodes qui peuvent réduire le problème. Le problème peut être reformulé sous forme de rendu d'une scène contenant textures. Dans ce cas, le temps de calcul augmente de manière linéaire avec l'augmentation du nombre de patches. L'utilisation d'un arbre binaire Espace Cloisonnement peut réduire considérablement le temps passé dans le calcul des patches qui sont cachés par d'autres.

Étant donné que le rayonnement peut être calculée à l'aide d'algorithmes standard texture mapping, ce qui nous conduit à une accélération fournie avec l'utilisation de GPU matériel, également disponible pour PC standard.

avantages

L'un des avantages de l'algorithme de radiosité est sa relative simplicité d'explication et de mise en œuvre, le rendant idéal pour les étudiants de l'enseignement ce qu'ils sont des algorithmes illumination globale. Une normale renderer à l'éclairage direct, il contient tous les algorithmes (projection en trois dimensions, mappage de texture, suppression des surfaces cachées) nécessaires à la mise en œuvre de l'éclat. Vous n'avez pas besoin d'avoir une grande connaissance des mathématiques pour comprendre et appliquer cette méthode.

limites

Les méthodes de radiosité ne résolvent que les chemins lumineux de la forme LD * E, ou des chemins qui partent d'une source et sont diffusés en continu avant d'atteindre l'œil. Bien qu'il existe de nombreuses approches pour des effets d'éclairage de type d'intégration La réflexion spéculaire[1] et brillant[2], les méthodes basées sur le rayonnement ne sont généralement pas utilisés pour résoudre le 'rendu équation complète.

Les méthodes de base ont aussi des problèmes liés à l'affichage (par exemple dans le cas de bords d'objets) causés par une discrétisation grossière des surfaces qui conduit à des erreurs dans le filtre dans le domaine spatial. la Maillage de discontinuité[3] utilise la connaissance de la visibilité pour générer une discrétisation plus intelligente.

Confusion sur la terminologie

Le rayonnement a été le premier algorithme interprétation largement utilisé dans le calcul de la lumière diffuse indirecte. Les méthodes précédentes, telles que raytracing Style Whitted, ils ont pu calculer des effets tels que des réflexions, des réfractions et des ombres, mais, même si elles étaient des phénomènes globaux, ne concernaient pas illumination globale. En conséquence, le terme illumination globale Il a été confondu avec interriflessione diffusive, et éclat avec illumination globale. Au lieu de cela les trois termes font référence à des concepts différents.

Une autre source de confusion était le terme radiométrique de radiosité. Dans un contexte radiométrique, radiosité représente l'énergie par unité de surface (W / m2) Émis à partir d'une surface. Le terme est presque inconnue en dehors de la infographie et il est généralement appelé émission de rayonnement.

notes

liens externes