開發(fā)舞臺(tái)燈光模擬系統(tǒng)對于舞臺(tái)燈光設(shè)計(jì)工作有著重要的意義，舞臺(tái)模型是多種多樣的，對于不同的舞臺(tái)，需要相應(yīng)的燈光設(shè)計(jì)。這樣，在舞臺(tái)燈光設(shè)計(jì)工作過程中便會(huì)有許許多多的不確定因素。在本篇文章中，通過舞臺(tái)燈光效果的模擬，可以降低能源和時(shí)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(tái)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(jì)和創(chuàng)作轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)形式的再現(xiàn)，而且還可以及時(shí)地捕捉和展現(xiàn)設(shè)計(jì)者的構(gòu)思、創(chuàng)意和靈感，一個(gè)成熟而完善的虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)無論是對于燈光設(shè)計(jì)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(gè)非常專業(yè)且實(shí)用的設(shè)計(jì)工具和得力助手。而實(shí)時(shí)方便的可交互性功能，則使得系統(tǒng)更加具有實(shí)時(shí)性和可操作性。本系統(tǒng)提供一個(gè)實(shí)時(shí)可交互的操作環(huán)境，滿足了用戶的需求。

　　一、系統(tǒng)架構(gòu)

　　1.邏輯架構(gòu)

　　無論是游戲還是虛擬現(xiàn)實(shí)，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(shí)時(shí)渲染輸出。舞臺(tái)燈光設(shè)計(jì)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。

　　光照模型是多種多樣的，需要在場景中分別實(shí)現(xiàn)它們的效果。同時(shí)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(jì)算量大，可擴(kuò)展性強(qiáng)。需要設(shè)計(jì)與建立一個(gè)數(shù)據(jù)處理與計(jì)算效率高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、功能模塊松搞合強(qiáng)內(nèi)聚的總體實(shí)現(xiàn)架構(gòu)(如圖1所示)，系統(tǒng)分為資源層，接口層，渲染層。

　　圖1：邏輯架構(gòu)

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

　　3.接口層：負(fù)責(zé)將這些資源文件導(dǎo)入場景中。

　　4.渲染層：實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)場景和燈光的渲染，系統(tǒng)資源的管理，用戶交互的實(shí)時(shí)響應(yīng)等。

　　二、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

　　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(tái)的一些基本的參數(shù)和每一個(gè)舞臺(tái)實(shí)體的位置，朝向等各個(gè)方面的信息。場景節(jié)點(diǎn)是以樹狀形式組織的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有相應(yīng)的父節(jié)點(diǎn)，因此我們可以通過對父節(jié)點(diǎn)的操作，方便的使多個(gè)子節(jié)點(diǎn)同時(shí)移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。

　　圖2：OGRE中場景管理圖

　　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(gè)三維坐標(biāo)系，我們創(chuàng)建一個(gè)三維的斜二軸側(cè)坐標(biāo)系，其中x軸方向?yàn)樗较蜃?，z軸方向?yàn)樨Q直向上，y軸的方向?yàn)榕c水平方向成45°角。在該坐標(biāo)系中顯示圖形時(shí)，x軸和z軸方向的長度取圖形實(shí)際長度，而y 軸方向的長度則取實(shí)際長度的一半。

　　公式1

　　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：

　　公式2

　　其中f和d是軸測變換矩陣系數(shù)，求解這個(gè)方程式，可得：

　　公式3

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

　　公式4

　　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(diǎn)位于屏幕的左上角，向右的方向?yàn)閤軸的正方向，向下的方向?yàn)閥軸的正方向。

　　假設(shè)在三維空間中的一點(diǎn)(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5

　　公式中xX、yY，是三維坐標(biāo)原點(diǎn)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：

　　公式6

　　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(shí)的一些屬性，包括運(yùn)動(dòng)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(shí)，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。

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

　　4. 光照效果模擬

　　光照是舞臺(tái)效果的關(guān)鍵因素，也是本設(shè)計(jì)系統(tǒng)核心的技術(shù)。渲染引擎提供了幾種常用的燈光，比如點(diǎn)光源、方向光源和聚光燈。但是對于真實(shí)的舞臺(tái)燈光效果模擬，這些是不夠的。對于一些特殊的舞臺(tái)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(shí)現(xiàn)。shader有兩種，一種是頂點(diǎn)級的，稱為vertex shader(OpenGL稱為ve吐白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(diǎn)變換、光照等。硬件中處理頂點(diǎn)shader的單元叫vertex shader processors (頂點(diǎn)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(shí)感，還需要借助3D的光照方程來模擬計(jì)算。這里往往是一種近似的算法，但是它能達(dá)到一個(gè)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(gè)能很好的模擬真實(shí)感的光照模型。它可以同時(shí)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(shí)際光線的傳播過程和能量交換的輻射度。

　　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(diǎn)的照明效果，把兩者綜合起來：

　　公式7

　　接下來計(jì)算輻射度，需要計(jì)算每個(gè)面片上的光照情況：

　　公式8

　　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。

　　三、系統(tǒng)界面

　　系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)的切換，舞臺(tái)中各種場景效果，也可以與舞臺(tái)場景和各種燈光進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。如圖4為舞臺(tái)煙花效果圖，圖5為體積光效果圖。

　　舞臺(tái)煙火效果

　　體積光效果

　　小結(jié)

　　舞臺(tái)燈光設(shè)計(jì)已經(jīng)成為照明設(shè)計(jì)師的一個(gè)主要問題。他們經(jīng)常要面對這樣高成本，高能耗和高耗時(shí)的問題。隨著信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，專業(yè)舞臺(tái)燈光領(lǐng)域也跨入了全面的數(shù)字化時(shí)代。系統(tǒng)利用0-GRE誼染引擎建立虛擬舞臺(tái)，并且對舞臺(tái)燈光設(shè)計(jì)及調(diào)整進(jìn)行實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，同時(shí)為舞臺(tái)燈光設(shè)計(jì)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(tái)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。