Lightscape 和照明技術介紹
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
本章學習以下內容：
• 關于Lightscape™
• 電腦圖形渲染
• 光度測定
• Lightscape 文檔
關于Lightscape
Lightscape™ 是一個集光能傳遞和光影跟蹤為一體的創建精確三維渲染圖的應用軟件，同時它能夠通過人機交互界面定義光源，材質。Lightscape 有很多獨特的高級渲染技術包括：
• 真實性
• 真實光照
• 內部漫游
• 逐步精細.
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置光源；你也能夠按照光的分布及顏色創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、時間設定日光。
內部漫游
Lightscape 運用光能傳遞得到的渲染結果是一個全三維的渲染結果，它比傳統電腦圖形技術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境中漫游。它能夠在比專業動畫系統少很多的時間內為電影、視頻生成漫游動畫幀。
逐步精細
Lightscape 的渲染效果是隨時可見的，并隨著時間的增長逐步精細。在其渲染過程中的任何時候，你都可以改變表面材質和照明參數，系統不需重新從頭開始渲染就可針對你的修改在相應部分重新計算渲染效果。所以你可以在渲染過程中隨時調整表面材質和照明參數，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。 一個3D模型包含了通過3D笛卡兒坐標系統定義的幾何數據。3D笛卡兒坐標系有時也被稱為世界坐標系。3D模型也可包含材質及照明信息。電腦顯示器上的圖象是由大量像素構成的。創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和光照共同作用的結果。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為光只是從直接光源發出的。
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，光子由光源發出，它們直線傳播直到碰到房間中的某個表面。根據表面的材質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。當然很多材質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出的光子和表面反射相互作用的共同結果。
漫反射 鏡面反射
光影跟蹤
第一個全局照明法則叫做光影跟蹤。它認為房間中可能有數十億個光子，但是它只考慮進入眼中的那部分光子，它是根據追蹤從屏幕像素到3D模型的光線來運算的。用光影跟蹤創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量。整體照明效果是靠追蹤光源發出的光線在環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上一步，直到達到最大反復次數或沒有表面被碰到。 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。
傳統光影跟蹤技術只能精確計算出從光源直接發出的光線所產生的效果。如下圖所示，用光影跟蹤房間中的桌子，可見桌子下面區域因不能得到光源直接發出的光線而出現黑暗效果。但再現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
傳統的光影跟蹤技術通常是利用設置環境光參數來實現見接照明。 這個參數是人為隨意設定的與客觀世界毫無關系，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的研究。早在60年代初，熱能工程師已經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、發動機上得到了應用。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，光能傳遞就因此應運而生。，光能傳遞計算環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區別。光能傳遞運算時把表面分成稱為網格元素的小塊，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格元素中。
本章講述如何安裝 Lightscape
概要
本章學習以下內容：
• 系統要求
• 第一次安裝 Lightscape
• 從低版本升級 Lightscape
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系統要求
下表列出推薦配置和最低配置：
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都有詳細敘述。
概要
Lightscape 操作主要包括兩個階段——準備階段和解決階段。在準備階段模型結構與很多CAD模型相似，此階段你能夠編輯幾何體、材質、光源。準備階段的模型保存為 .lp 為擴展名的文件。
在解決階段，Lightscape 改變了模型結構以適應光能傳遞的處理。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備階段進行修改，然后再生成新的解決文件。
準備階段和解決階段
準備模型
在準備階段你可以輸入模型，調整表面方向，定義光源及位置，根據需要加入、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。 詳細信息參考第五章，第六章。
表面方向
當你輸入模型后應把表面法線方向調整正確。 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，墻壁表面的方向應當朝屋內。詳細信息參考第六章。
定義材質
Lightscape 是基于物質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。材質模板使它能夠很容易的定義出大量的材質，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的材質庫。詳細信息參考第七章。
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，并把它移動到內墻，或在準備階段旋轉射燈等等。詳細信息參考第六章。
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優化模型中的表面為后續處理作準備。一旦模型初始化完畢，你就不能修改幾何體和加入光源了。
在解決階段渲染結果隨時間加長而逐漸精細，最終得到完美的渲染結果。你可以把渲染結果輸出為動畫或單個圖象，能夠進行照明分析，還能夠輸出結果到其它程序中。
設置處理參數
使用處理參數可以控制光能傳遞渲染質量。參數設置越恰當渲染質量也越高，但可能會需要更長的運算時間和更多的內存。為了有效的提高渲染效果，你可以調整全局照明參數并把它運用于整個模型中，你還可以調整局部照明參數并把它運用于特定表面上。詳細信息參考第十一章。
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。有關光能傳遞的詳細信息參考第十一章。
精煉解決方案
在解決階段不能修改幾何體，但能夠修改材質和光源的光度測定屬性。當你作了修改后你有兩種方式實現修改，其一是從中斷處繼續運行光能傳遞計算，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果為 Lightscape （.ls）文件。
輸出結果
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、透明效果和更高質量的陰影。詳細信息參考第十一章、第十四章。
用多少時間，計算出什么質量的影像這需要根據用途而定。下面列出了大多數常規用途：
• 單獨一張渲染圖
• 漫游動畫
• 虛擬現實
• 照明分析.
單獨一張渲染圖
你能夠用OpenGL 快速輸出高質量的結果。欲得到更高質量的精細渲染影象，須使用光影跟蹤輸出圖象。詳細信息參考第十四章。
漫游動畫
你可以為漫游動畫在光能傳遞解決方案中設定相機路徑。你可以用OpenGL 快速生成反鋸齒的高質量影象，詳細信息參考第十五章。
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。詳細信息參考附錄B。
虛擬現實
如果你想為交互式漫游生成虛擬現實環境，則不能使用光影跟蹤。你必須致力于只用光能傳遞技術生成高質量的渲染效果。為增加顯示速度，請使用支持OpenGL 的圖形加速卡。你可以靠轉換網格元素和幾何體成為紋理位圖來減少場景的幾何復雜程度，從而增加漫游速度。當使用Lightscape制作網上交互式游戲時，這一點就顯得非常重要。詳細信息參考第十三章。
Lightscape 光能傳遞結果也能夠輸出為VRML格式。這種格式的文件能被一些專門的虛擬現實軟件使用。詳細信息參考第十六章。
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據的工具。詳細信息參考第十二章。
