A számítógépi grafika és ezen belül a képszintézis alapvetõ célkitûzése, hogy a számítógépben tárolt virtuális modellt lefényképezze és a felhasználóban a valóság szemlélésének illúzióját keltse.
Az alábbi ábrán balra a virtuális modell, jobbra pedig a modellrõl készült kép látható.
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.
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.
Az 1.2 ábrán két lokális és egy globális illuminációs modellel készült kép látható.
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 rendszer alatt 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 alkalmazásának - 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 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 jártassággal rendelkezzen egy meglehetõsen bonyolult párbeszédablak paraméterezésének kezelésében.
Egy építésznek szerencsésebb volna, ha kapna valamilyen olyan eszközt, amelynek használatával a fényviszonyok megítélése nem igényelne speciális fizikai vagy optikai ismereteket.
Hogyan rendereljünk terveket Archicad 29-ben | Archicad renderelési útmutató
Ez a valóságosnál sokkal szebb képet eredményez, mint amit a fizika törvényei megengednének.
A valóságban a fényvisszaverõdés nem több mint 100%, tehát a visszavert fényerõsség sosem lehet nagyobb a beesõénél.
Az ArchiCAD inkrementális képszintézise a 3. fejezetben részletesen bemutatásra kerül.
A 3.1 fejezet az ArchiCAD jelenlegi jellemzõit tárgyalja, beleértve a transzformációkat, a tárgydekompozíciót és elhelyezést a virtuális világban, a kamera koordináta-rendszerben való elhelyezést, a térbeli vágást, a láthatósági és takarási problémák megoldását (pásztalapú és mélységi puffer alapú), az árnyalást (fényforrások, anyagjellemzõk, megvilágítási modell, textúrakezelés), effekteket (árnyék, köd), színleképezést, valamint az elõzetes képeken alapuló szintézist (QuickTime VR, fotogrammetriai képességek).
| Jellemzõ | Leírás |
|---|---|
| Transzformációk | A tárgyak méretezése, forgatása, mozgatása. |
| Tárgydekompozíció és elhelyezés | Virtuális világban való objektumok kezelése. |
| Láthatósági problémák megoldása | Pásztalapú és mélységi puffer alapú módszerek. |
| Árnyalás | Fényforrások, anyagok, megvilágítási modellek és textúrák kezelése. |
| Effektek | Árnyékok és köd szimulálása. |
| Színleképezés | Színek átalakítása a megjelenítéshez. |
| Elõzetes képeken alapuló szintézis | QuickTime VR és fotogrammetriai képességek. |
A 3.2 fejezet a tudományos élet kapcsolódó eredményeit mutatja be, mint az árnyékvetés (sugárkövetett árnyékok, mélységi puffer alapú árnyékvetés, árnyéktérkép), a mélységi puffer gyorsítása, és a sugárkövetés gyorsítása mélységi pufferrel.
A 3.3 fejezet a hardveresen gyorsított háromdimenziós megjelenítést tárgyalja, beleértve a mai videókártyák képességeit, a statikus és dinamikus megvilágítási modell gyorsítását, a hardveres transzformációt és megvilágítást, valamint a mélységi puffer gyorsítási módszereket (ATI HyperZ, tile-based deferred rendering).
A 4. fejezet további grafikus rendszereket mutat be, mint a 3D Studio MAX, Maya, Desktop Radiance, trueSpace, ArchitechPC, Lightscape, Artlantis és RenderPark, összehasonlítva azok képességeit és fájlformátumait.
Az 5. fejezet az ArchiCAD és más grafikus rendszerek összehasonlítását végzi el, kiemelve az ArchiCAD jelenlegi képszintézis alrendszerének jellemzõit, hiányosságait, valamint javaslatokat tesz a rendszer javítására és gyorsítására.
A 6. fejezet a globális illuminációs elvû program és az ArchiCAD összekapcsolását tárgyalja, mind offline (I/O add-on alapú megvalósítás, fájl formátumok), mind online (rendering add-on) kommunikációval.
A 7. fejezet a globális illuminációs elvû program felhasználói felületét mutatja be, mind önálló, mind integrált változatban.