Podręcznik Grafika komputerowa i wizualizacja

Rozdział 13. OŚWIETLENIE GLOBALNE: METODA BILANSU ENERGETYCZNEGO

13.2. Idea metody bilansu energetycznego


Realizacja tej metody wymaga podziału wszystkich powierzchni w rozpatrywanym układzie optycznym (na scenie) na elementarne fragmenty, dla których bazując na zasadzie zachowania energii w zamkniętym środowisku tego fragmentu, można opisać równaniem transportu promieniowania.


Rys.13.1. Metoda bilansu energetycznego. Założenie zachowania energii w zamkniętym środowisku.


Przyjmuje się następujące założenia:

  • Elementarne fragmenty mają skończone rozmiary i są płaskie.
  • Wszystkie fragmenty elementarne podlegają tym samym regułom emisji, odbicia, przenikania lub absorpcji promieniowania.
  • Pojedynczy fragment odbija światło w sposób równomiernie rozproszony (zachodzi idealne; Lambertowskie odbicie rozproszone).
  • Emisja i właściwości odbiciowe są stałe w ramach całego fragmentu elementarnego.
  • Pomiędzy dowolną parą elementarnych fragmentów zachodzą zjawiska związane z transportem światła.

Postępowanie w metodzie energetycznej:

  • Wszystkie powierzchnie zostają podzielone na dyskretne, płaskie fragmenty, o skończonych rozmiarach, z których każdy emituje i odbija światło równomiernie we wszystkich kierunkach.
  • Proces dwuetapowy
    •  Wyznaczyć rozkład oświetlenia na całej scenie (niezależnie od obserwatora).
    •  Uwzględniając obserwatora zdefiniować rzutowanie i wygenerować obraz   metodą uproszczonego śledzenia promieni (ang. ray casting) .

Metoda energetyczna umożliwia przeprowadzenie przede wszystkim analizy zjawisk rozproszonych. O wiele trudniejszym do opisu jest odbicie kierunkowo-rozproszone. Natomiast założenie odbicia rozproszonego przez elementarne fragmenty praktycznie wyklucza analizę odbić kierunkowych na scenie.

Cechą charakterystyczną metody energetycznej jest fakt, że w opisach transportu nie występuje obserwator (co tak naprawdę jest zgodne z rzeczywistością – światło rozchodzi się bez względu na to czy obserwator będzie brał w tym udział czy nie). Obserwator zostaje uwzględniony dopiero w fazie wizualizacji. Oznacza to, że do przeprowadzenia generacji obrazu metodą bilansu energetycznego i tak na końcu trzeba uruchomić metodę śledzenia promieni w najprostszej postaci (ray casting).


Równanie bilansu energetycznego

Dla i-tego fragmentu sceny

                 

gdzie:

Ei – całkowita emisja (natężenie oświetlenia) fragmentu   i   ,
wi – emisja własna (natężenie oświetlenia) fragmentu   i   ,
ri – współczynnik odbicia fragmentu   i   ,
Fij – współczynnik sprzężenia optycznego pomiędzy  fragmentami   i   oraz   j   .

A zatem uwzględniając zależności między wszystkimi fragmentami sceny powstaje układ N równań liniowych, których rozwiązanie pozwala wyznaczyć natężenia oświetlenia dla każdego fragmentu.

W tak przedstawionym układzie równań suma współczynników (Form Factors) wzdłuż wierszy nie przekracza 1   - powstaje macierz z dominującą przekątną. Prosta iteracja typu Gauss-Seidel daje gwarancję szybkiej zbieżności w poszukiwaniu rozwiązania.

Każda powierzchnia elementarna odbija i emituje światło równomiernie we wszystkich kierunkach. Równanie bilansu energetycznego jest więc równaniem bezkierunkowym. Współczynniki odbicia danego fragmentu również są wielkościami bezkierunkowymi i określają tylko odpowiednie proporcje. Współczynnik sprzężenia optycznego uwzględnia kształty i relatywne orientacje powierzchni. Dodatkowo należy uwzględnić długości fali. emitowanej w ramach emisji własnej powierzchni oraz fakt, że współczynnik odbicia może być również zależny od długości fali.

W praktyce najczęściej prowadzi się obliczenia dla poszczególnych składowych  R,G,B.