A számítógépes grafika és ezen belül a képszintézis alapvetõ célkitûzése, hogy a számítógépben tárolt virtuális modellt lefényképezze és a felhasználóban a valóság szemlélésének illúzióját keltse.
A valós világéval megegyezõ hatású képi inger elõállításához ki kell számítani, hogy a monitor pixeleinek megfelelõ térszögbõl milyen spektrális eloszlás és spektrumonként mekkora fényintenzitás érkezne a megfigyelõ szemébe.
Azonosítani kell tehát a pixelben látható felületi pontokat és azok szem irányú sugársûrûségét (radiancia).
A sugársûrûséget az optika törvényei szerint az ún. árnyalási egyenlet (rendering equation) megoldásával lehet meghatározni.
Leegyszerûsítve azt is mondhatjuk, hogy a számítógépi grafika képszintézis (rendering) ága ezen egyenlet megoldásával foglalkozik.
Mivel a feladatot több tényezõ nehezíti, csak nagyon speciális eljárásokkal és a fizikai modell durva egyszerûsítésének árán kaphatunk elfogadható sebességgel képeket.
Ezek az egyszerûsítések az integrál operátoron belüli ismeretlen sugársûrûséget a fényforrások ismert emissziójával közelítik, azaz a látható pont színének meghatározásánál csak a fényforrásokból érkezõ direkt megvilágítást veszik figyelembe, a más felületekrõl visszavert indirekt megvilágítást nem.
Mivel ekkor a pont színe a fényforrásokon kívül csak a lokális anyagjellemzõktõl és geometriától függ, a módszerek közös neve lokális illuminációs modellek.
A durva elhanyagolások miatt a lokális illuminációs módszerekkel létrehozott képek, legyenek azok bármilyen szépek, vizuálisan és fizikai értelemben is pontatlanok, így mérnöki alkalmazásokban - például világítás- és látványtervezésben - nem használhatóak.
Ezekben az alkalmazásokban fizikailag pontos eredményt várunk el, ezért nem tekinthetünk el az árnyalási egyenlet integrálegyenletkénti megoldásától.
Ekkor tehát az indirekt megvilágítás hatását is figyelembe kell venni, így egy pont sugársûrûségét elvileg az összes többi felületi pont sugársûrûsége is befolyásolja.
A csatolás hangsúlyozására ezen módszereket globális illuminációs modellként ismeri a szakirodalom.
A projekt célja egy új megközelítésû, CAD rendszerekhez illeszthetõ, globális illuminációs elvû képszintézis program elkészítése.
A CAD rendszerek és a globális illuminációs program közötti kapcsolat megvalósítására két alternatívát dolgozunk ki.
Az egyik alternatíva az offline megoldás, amely azt jelenti, hogy a két alkalmazás egy közbülsõ fájl formátumon keresztül kommunikál.
A másik megoldás online jellegû, amely azt jelenti, hogy a globális illuminációs program beintegrálódik a CAD rendszerbe.
A továbbiakban CAD rendszeralatt a Graphisoft ArchiCAD nevû programját értjük, és az integráció is az ArchiCAD rendszerében fog megtörténni.
Ez nem jelenti az eredeti feladat leszûkítését, mert mindvégig olyan megoldásokra törekszünk, amelyeket más CAD rendszereknél is alkalmazni lehet.
Éppen ezért e dokumentum egyik fõ célja azon megoldások összegyûjtése, rendszerezése, amelyek használatával más CAD rendszerekhez is készíthetõ globális illuminációs alkalmazás, illetve a projekt keretében elkészülõ programot is lehet majd hozzájuk illeszteni.
Ezért a 4. fejezetben részletes áttekintést kívánunk nyújtani más, már mûködõ rendszerek offline és online megoldásairól.
Természetesen, ezeknél a rendszereknél a felhasználói felületi jellemzõket is megvizsgáljuk, hisz ezek figyelembevételével készíthetünk csak tényleg általánosan használható globális illuminációs elvû alkalmazást.
A dokumentum másik célterülete a CAD rendszer jelenlegi képszintézis alrendszerének feltárása.
Megvizsgáljuk, hogy a jelenleg alkalmazott módszerek, algoritmusok és elvek milyen mértékben alkalmazzák a tudományos eredményeket, mennyire vannak lemaradva napjaink tudományos élvonalától.
Az elemzés egyrészt a Graphisoftnak rálátást ad CAD rendszere naprakészségérõl, amely jó alap lehet más CAD rendszerekkel való összehasonlításhoz.
Másrészt feltárja a rendszer képszintézisben rejlõ hiányosságait, és ezzel jó összehasonlítást tesz lehetõvé a projekt keretében létrejövõ alkalmazással.
A feltáró munka eredményeit a 3. és 5. fejezetek tartalmazzák.
A dokumentum utolsó két fejezetében az elõzõekben összegyûjtött megoldások felhasználásával az elkészítendõ alkalmazás felhasználói és interfész követelményeit adjuk meg.
Képszintézis Igények Építészeti CAD Rendszerekben
A projekt azt szeretné bizonyítani, hogy a mai globális illuminációs képszintézis algoritmusokat lehet kereskedelmi alkalmazásokban, különös tekintettel építészeti CAD rendszerekben használni.
Ezért ebben a fejezetben azokat a problémákat kívánjuk bemutatni, amelyeket a globális illuminációs képszintézis felvet.
Ezen problémák megfogalmazásához áttekintjük, hogy a mai építészeti CAD rendszerekben mely feladatokra milyen képszintézis igények merülnek fel.
A fejezet végén bemutatunk egy olyan módszert, amely azt mutatja, hogy milyen tipikus problémák merülhetnek fel szimulációs feladatok megoldásánál, illetve a felvetett problémára milyen megoldást érdemes választani.
Az építészeti megjelenítési feladatok három alapvetõ kategóriába sorolhatók.
Az elsõbe az interaktív mûveletek, míg a másodikba a prezentációs célú alkalmazások tartoznak.
A harmadik kategóriába azok a feladatok tartoznak, amelyek - egyelõre még - nem elterjedtek, sõt, jelenleg is kutatottak, és mérnöki igényû világítástervezésre alkalmasak.
Ezek a szolgáltatások várhatóan bonyolultak és a korábbiakhoz képest igen mûveletigényesek lesznek.
Mûveleti Megjelenítés
Az interaktív grafika az építészeti tervezõ szoftverek elengedhetetlen feltétele.
Ez arra a felismerésre épül, hogy ha a kétdimenziós alaprajzi tervezés még nem is sokkal hatékonyabb, mint a hagyományos rajzasztali megoldás, a bevitt geometriai adatokból még egy korai PC - ma már mulatságosnak ható teljesítménye - is szemvillanásnyi idõ alatt volt képes tetszõleges nézõpontból háromdimenziós vonalas képet produkálni.
Már a kezdetekkor is igény merült fel a vonaltakart képekre, sõt, a kitöltöttekre is.
Utóbbiakat színezett vagy árnyalt képeknek is hívhatjuk.
Ezek hagyományosan a számítógépes korszak elõtt is - szükség szerint - a tervi dokumentáció részét képezték.
A CAD alkalmazások kezdetén az árnyalt képek elõállítása még nem tartozott az interaktív szolgáltatások közé.
Ezen a téren a lehetõségek igencsak kibõvültek a grafikus gyorsító alrendszerek révén, amelyek elképesztõ teljesítménynövekedést jelentenek, így igényesebb megoldások is szerepelhetnek a tervezési folyamat mûveleteiben, a grafikus szerkesztésekben.
A teljesítményrobbanás ellenére mégis azt gondoljuk, hogy ezen a területen igazán nagy problémát nem a megjelenítõ algoritmusok jelentenek (noha az analitikus pontosságú vonaltakarás feladat még mindig érdekes téma lehet), hanem ezek megfelelõ beágyazása a tervezõ rendszerbe, amely igen munkaigényes.
Vagyis a mûveleti megjelenítés kategóriájában fõleg programszerkezeti problémákkal találkozunk.
Az objektum technológia használatával elérhetjük, hogy ezek az eszközök újrafelhasználhatóak és viszonylag könnyen használatba vehetõvé váljanak - észben tartva azt a szempontot is, hogy nemcsak a képernyõre, hanem más perifériára (például rajzgépre) is irányítható legyen az eljárás.
Sajnos, az elterjedt OpenGL technológiában, amely CAD-es alkalmazásainak - a számítástechnikában rangot jelentõ - több mint egy évtizedes múltja van, nem megoldott a rajzgépek és egyebek támogatása.
Ebben a kategóriában elsõsorban a geometriára kerül a hangsúly.
Fõleg a geometria határozza meg az elvárásokat, ezért az igazán bevált megoldások a legegyszerûbb, nem valószerû megjelenítési módszerek.
Noha az OpenGL igen nagy teljesítményével már kifinomultabb képi hatásokat is produkálhatunk, a tervezés nagy része mégis a szerkezetre irányul és nem a fényviszonyokra.
Ezért - sajnos - itt az egyszerû '70-es éveket idézõ, de immáron valósidejû grafika jelent megoldást.
Ma már az nem vitatható, hogy az építészeknek is ki kell lépniük az alaprajzi tervbõl és a háromdimenziós képeken nemcsak szemlélõdniük, hanem tervezniük, szerkeszteniük is kell.
Az OpenGL szerencsés példáját mutatja annak, hogy a két, eredetileg távoli megjelenítés mód, vagyis a 2D és 3D mennyire közös nevezõre hozható azzal az elfogadható pazarlással, amely a grafikus gyorsító rendszerben végbemegy, amikor a kétdimenziós rajzokat is térbeli alakzatként kezeli.
Prezentációs Megjelenítés
A prezentációs megjelenítéshez a szép képek és az animációk tartoznak, amely feladatok esetén a geometria egyszerû bemutatása ma már nem elegendõek.
Szükség van a valóságos látványt közelítõ, de azért kellemesen nagystílû fényhatásokra, amelyeknek végsõ soron az a célja, hogy az építész a tervét elõnyös megvilágításban bemutathassa.
Természetesen az is igaz, hogy a tervezõrendszer készítõje is elõnyre tehet szert, ha prospektusaiban nemcsak a triviálisan árnyalt ábrák egyhangúsága szerepel.
A szórólapok egy-egy sikerültebb kép mellett azt is állítják, hogy ezek fotorealisztikusak, vagyis olyanok, mintha fotók volnának valamirõl, amely meglehet meg sem épült, de a mögöttes eljárások oly' hûen utánozták a fény szóródását, tükrözõdését, árnyékait, hogy a felhasználó elõre megkapja épületének külsõ-belsõ látványát, sétálgathat benne, körül repkedheti stb.
Mi több!
A termekbe lámpákat helyezhet el, amelyek megvilágító hatását - belsõépítészi igényekkel - a képrõl megítélheti.
Ehhez nincs szükség a kész épületre, elég a virtuális is.
Ez természetesen nem igaz!
Ugyanis még ha a látvány nagyon is valószerû, az még a hû modellezésre egyáltalán nem utal.
Ténylegesen ilyen nincs is mögötte.
Mégis ma a háromdimenziós számítógépi grafika legjövedelmezõbb felhasználása éppen az "olyan mintha" hatás, amelynek "varázslásához" az egzakt szimulációs gondolkodás számára meglepõen "gátlástalan" megoldásokhoz is folyamodnak.
Rengeteg "fizikailag" pontatlan vagy egyenesen értelmezhetetlen attribútummal látják el a geometriai modellt és a képelõállító eljárást.
Tipikus eset a 3D Studio, illetve utóda, a 3D Studio MAX, amelyekben a felületi fényvisszaverõ tulajdonságokat úgy be lehet állítani, hogy a visszavert fény megháromszorozódik a beérkezõhöz képest.
Ehhez persze szükséges az is, hogy kellõ jártasággal rendelkezendjünk egy meglehetõsen bonyolult párbeszédablak paraméterezésének kezelésében.
Egy építésznek szerencsésebb volna, ha kapna valamilyen funkciót, amely a valóságnak megfelelõen szimulálja a megvilágítást.
Hogyan rendereljünk terveket Archicad 29-ben | Archicad renderelési útmutató
A globális illuminációs elvû program és az ArchiCAD összekapcsolása kulcsfontosságú a valósághû vizualizációk eléréséhez.
Két fő megközelítés létezik erre:
- Offline kommunikáció: Az ArchiCAD és a képszintézis program közbensõ fájlformátumon keresztül kommunikál.
- Online kommunikáció: A képszintézis program beépül az ArchiCAD rendszerébe, mint egy add-on.
Az offline kommunikáció többféle fájlformátumot támogathat, mint például az SCE, MGF, VRML, 3DS vagy XML.
Az online kommunikáció esetében egy renderelõ add-on beintegrálása javasolt, amely közvetlenül az ArchiCAD-en belül teszi lehetővé a globális megvilágítás szimulációját.
A globális megvilágítási elvû program felhasználói felületének kialakításakor fontos szempont a könnyû kezelhetőség, beleértve a bejárást, a kamera elhelyezését és a véges elemes felbontás paramétereinek beállítását.
Az integrált megoldás esetében ezek a funkciók az ArchiCAD felületén belül érhetők el, míg az önálló program esetében egy dedikált felületen.
Az ArchiCAD jelenlegi képszintézis alrendszerének jellemzőit, hiányosságait, valamint más grafikus rendszerek tapasztalatait figyelembe véve javaslatok fogalmazhatók meg a rendszer javítására és gyorsítására.
Ezek a javaslatok lehetnek rövid és hosszú távúak is, amelyek célja a képszintézis minőségének és sebességének optimalizálása.
A tudományos élet kapcsolódó eredményeinek, mint például az árnyékvetési technikák (sugárkövetett, mélységi puffer alapú, árnyéktérkép) és a mélységi puffer, illetve a sugárkövetés gyorsítási módszerei, beépítése jelentősen javíthatja az ArchiCAD renderelési képességeit.
A hardveresen gyorsított háromdimenziós megjelenítés, különösen a modern videókártyák képességeinek kihasználása (ATI HyperZ, tile-based deferred rendering), további gyorsulást eredményezhet a statikus és dinamikus megvilágítási modellek, valamint a transzformációk és megvilágítások terén.