Radiosity ist ein globaler in der 3D-Computergrafik-Übergabe verwendeter Beleuchtungsalgorithmus. Radiosity ist eine Anwendung der begrenzten Element-Methode zum Lösen der Übergabe-Gleichung für Szenen mit rein weitschweifigen Oberflächen. Verschieden von Algorithmen von Monte Carlo (wie Pfad-Nachforschung), die alle Typen von leichten Pfaden behandeln, sind typische radiosity Methoden nur für Pfade verantwortlich, die eine leichte Quelle verlassen und weitschweifig eine Zahl von Zeiten (vielleicht Null) vor dem Schlagen des Auges widerspiegelt werden. Solche Pfade werden als "LD*E" vertreten. Berechnungen von Radiosity sind unabhängiger Gesichtspunkt, der die Berechnung beteiligt vergrößert, aber sie nützlich für alle Gesichtspunkte macht.

Methoden von Radiosity wurden zuerst ungefähr 1950 im Technikfeld der Wärmeübertragung entwickelt. Sie wurden später spezifisch für die Anwendung auf das Problem raffiniert, Computergrafik 1984 durch Forscher an der Universität von Cornell zu machen.

Bemerkenswerte kommerzielle radiosity Motoren sind Erleuchten durch Geomerics, der so in Titeln gesehen ist wie Schlachtfeld 3, und andere, Lightscape (jetzt vereinigt in den Autoschreibtisch 3D-Studio innerer Max macht Motor), Form · Z RenderZone Plus durch AutoDesSys, Inc.), die gebauten darin machen Motor in LightWave 3D und ElAS (Elektrisches Bildzeichentrickfilm-System).

Seheigenschaften

Die Einschließung von radiosity Berechnungen im Übergabe-Prozess leiht häufig ein zusätzliches Element des Realismus zur beendeten Szene wegen der Weise, wie es wirkliche Phänomene nachahmt. Denken Sie eine einfache Raumszene.

Das Image wurde links mit einer typischen direkten Beleuchtung renderer gemacht. Es gibt drei Typen der Beleuchtung in dieser Szene, die spezifisch gewählt und vom Künstler in einem Versuch gelegt worden sind, realistische Beleuchtung zu schaffen: Punkt, der sich mit Schatten (gelegt außerhalb des Fensters entzündet, um das Licht zu schaffen, das auf dem Fußboden scheint), umgebende Beleuchtung (ohne den jeder Teil des Zimmers nicht angezündet direkt von einer leichten Quelle völlig dunkel sein würde), und die Allrichtungsbeleuchtung ohne Schatten (um die Flachheit der umgebenden Beleuchtung zu reduzieren).

Das Image wurde rechts mit einem radiosity Algorithmus gemacht. Es gibt nur eine Quelle des Lichtes: ein Image des außerhalb des Fensters gelegten Himmels. Der Unterschied wird gekennzeichnet. Das Zimmer glüht mit dem Licht. Weiche Schatten sind auf dem Fußboden sichtbar, und feine sich entzündende Effekten sind um das Zimmer bemerkenswert. Außerdem hat die rote Farbe vom Teppich auf die grauen Wände verblutet, ihnen ein ein bisschen warmes Äußeres gebend. Keine dieser Effekten wurden spezifisch gewählt oder vom Künstler entworfen.

Übersicht des radiosity Algorithmus

Die Oberflächen der zu machenden Szene werden jeder in eine oder mehr kleinere Oberflächen (Flecke) zerteilt.

Ein Ansicht-Faktor wird für jedes Paar von Flecken geschätzt. Ansicht-Faktoren (auch bekannt als Form-Faktoren) sind Koeffizienten, die wie gut die Flecke beschreiben

kann einander sehen. Flecke, die weit weg von einander, oder orientiert in schiefen Winkeln hinsichtlich einander, sind

wird kleinere Ansicht-Faktoren haben. Wenn andere Flecke auf dem besten Wege sind, wird der Ansicht-Faktor reduziert oder Null, abhängend

auf, ob die Verstopfung teilweise oder ganz ist.

Die Ansicht-Faktoren werden als Koeffizienten in einer Linearized-Form der Übergabe-Gleichung verwendet, die nachgibt

ein geradliniges Gleichungssystem. Das Lösen dieses Systems gibt den radiosity oder Helligkeit, jedes Flecks, nach

weitschweifiges Zwischennachdenken und weiche Schatten in Betracht ziehend.

Progressiver radiosity löst das System wiederholend auf solche Art und Weise, dass nach jeder Wiederholung wir Zwischenglied haben

radiosity schätzt für den Fleck. Diese Zwischenwerte entsprechen zu Schlag-Niveaus. D. h. nach einer Wiederholung,

wir wissen, wie sich die Szene um einen leichten Schlag, nach zwei Pässen, zwei Schlägen und so weiter kümmert. Progressiver radiosity

ist

nützlich, für eine interaktive Vorschau auf die Szene zu bekommen. Außerdem kann der Benutzer die Wiederholungen aufhören, sobald das Image guter schaut

genug, anstatt auf die Berechnung zu warten, um numerisch zusammenzulaufen.

Eine andere übliche Methodik, für die radiosity Gleichung zu lösen, schießt radiosity "," der wiederholend die radiosity Gleichung durch "das Schießen" des Lichtes vom Fleck mit dem grössten Teil des Fehlers an jedem Schritt löst. Nach dem ersten Pass werden nur jene Flecke, die in der Direktverbindung des Anblicks eines Licht ausstrahlenden Flecks sind, illuminiert. Nach dem zweiten Pass werden mehr Flecke beleuchtet werden, weil das Licht beginnt, um die Szene zu springen. Die Szene setzt fort, heller zu wachsen, und erreicht schließlich einen unveränderlichen Staat.

Mathematische Formulierung

Die grundlegende radiosity Methode hat seine Basis in der Theorie der Thermalradiation, da sich radiosity auf die Computerwissenschaft des Betrags der leichten unter Oberflächen übertragenen Energie verlässt. Um Berechnung zu vereinfachen, nimmt die Methode an, dass das ganze Zerstreuen vollkommen weitschweifig ist. Oberflächen sind normalerweise discretized ins Vierseit oder die Dreieckselemente, über die eine piecewise polynomische Funktion definiert wird.

Nach dieser Depression kann der Betrag der leichten Energieübertragung durch das Verwenden des bekannten Reflexionsvermögens des nachdenkenden Flecks geschätzt werden, der mit dem Ansicht-Faktor der zwei Flecke verbunden ist. Diese ohne Dimension Menge wird von der geometrischen Orientierung von zwei Flecken geschätzt, und kann als der Bruchteil des möglichen Gesamtausstrahlen-Gebiets des ersten Flecks gedacht werden, der durch den zweiten Fleck bedeckt wird.

Richtiger radiosity ist B die Energie pro Einheitsgebiet, die Fleck-Oberfläche pro Zwischenraum der diskreten Zeit verlassend, und ist die Kombination der ausgestrahlten und widerspiegelten Energie:

:wo:

• B (x) ist dA die Gesamtenergie, ein kleines Gebiet dA um einen Punkt x verlassend.
• E (x) ist dA die ausgestrahlte Energie.
• ρ (x) ist das Reflexionsvermögen des Punkts, widerspiegelte Energie pro Einheitsgebiet durch das Multiplizieren durch die Ereignis-Energie pro Einheitsgebiet gebend (die Gesamtenergie, die von anderen Flecken ankommt).
• S zeigt an, dass die Integrationsvariable x' alle Oberflächen in der Szene durchgeht
• r ist die Entfernung zwischen x und x'
• θ und θ sind die Winkel zwischen der Linie, die sich x und x' und Vektoren anschließt, die zur Oberfläche an x und x' beziehungsweise normal sind.
• Kraft (x, x') ist eine Sichtbarkeitsfunktion, definiert, um 1 zu sein, wenn die zwei Punkte x und x' von einander, und 0 sichtbar sind, wenn sie nicht sind.

Wenn den Oberflächen durch eine begrenzte Zahl von planaren Flecken näher gekommen wird, von denen jeder genommen wird, um einen unveränderlichen radiosity B und Reflexionsvermögen &rho zu haben; die obengenannte Gleichung gibt die getrennte radiosity Gleichung,

:

wo F der geometrische Ansicht-Faktor für die Radiation ist, j abreisend und Fleck i schlagend.

Diese Gleichung kann dann auf jeden Fleck angewandt werden. Die Gleichung ist monochromatisch, so färben Sie sich Radiosity-Übergabe verlangt Berechnung für jede der erforderlichen Farben.

Lösungsmethoden

Die Gleichung kann als Matrixgleichung formell gelöst werden, um die Vektor-Lösung zu geben:

:

Das gibt den vollen "unendlichen Schlag" Lösung für B direkt. Jedoch die Zahl von Berechnungen, um die Matrixlösungsskalen gemäß n zu schätzen, wo n die Zahl von Flecken ist. Das wird untersagend für realistisch große Werte von n.

Statt dessen kann die Gleichung wiederholend, durch die wiederholte Verwendung der Aktualisierungsformel des einzelnen Schlags oben mehr sogleich gelöst werden. Formell ist das eine Lösung der Matrixgleichung durch die Wiederholung von Jacobi. Weil die Reflexionsvermögen ρ sind weniger als 1, dieses Schema läuft schnell zusammen, normalerweise nur eine Hand voll Wiederholungen verlangend, eine angemessene Lösung zu erzeugen. Andere wiederholende Standardmethoden für Matrixgleichungslösungen können auch, zum Beispiel die Methode von Gauss-Seidel verwendet werden, wo aktualisierte Werte für jeden Fleck in der Berechnung verwendet werden, sobald sie, aber nicht alle geschätzt werden, gleichzeitig am Ende jedes Kehrens aktualisiert werden. Die Lösung kann auch gezwickt werden, um über jedes der Senden-Elemente der Reihe nach in seiner äußersten Hauptschleife für jede Aktualisierung, aber nicht jedem der Empfang-Flecke zu wiederholen. Das ist als die schießende Variante des Algorithmus im Vergleich mit der sich versammelnden Variante bekannt. Mit der Ansicht-Faktor-Reziprozität, Ein F = Ein F, kann die Aktualisierungsgleichung auch in Bezug auf den Ansicht-Faktor F gesehen durch jeden Senden-Fleck-A umgeschrieben werden:

:

Das ist manchmal als die "Macht"-Formulierung bekannt, da es jetzt die übersandte Gesamtmacht jedes Elements ist, das, aber nicht sein radiosity aktualisiert wird.

Der Ansicht-Faktor F selbst kann auf mehrere Weisen berechnet werden. Frühe Methoden haben einen hemicube verwendet (ein imaginärer Würfel, der auf die erste Oberfläche in den Mittelpunkt gestellt ist, zu der die zweite Oberfläche, ausgedachte von Cohen und Greenberg 1985 geplant wurde). Die Oberfläche des hemicube wurde in einem Pixel ähnliche Quadrate geteilt, für von dem jeden ein Ansicht-Faktor analytisch sogleich berechnet werden kann. Dem vollen Form-Faktor konnte dann durch das Zusammenzählen des Beitrags von jedem der einem Pixel ähnlichen Quadrate näher gekommen werden. Der Vorsprung auf den hemicube, der von Standardmethoden daran angepasst werden konnte, die Sichtbarkeit von Vielecken zu bestimmen, hat auch das Problem von vorläufigen Flecken behoben, die teilweise diejenigen hinten verdunkeln.

Jedoch war all das ganz rechenbetont teuer, weil sich ideal formen, müssen Faktoren für jedes mögliche Paar von Flecken abgeleitet werden, zu einer quadratischen Zunahme in der Berechnung als die Zahl von vergrößerten Flecken führend. Das kann etwas durch das Verwenden eines binären Raumverteilen-Baums reduziert werden, um abzunehmen, die Zeitdauer hat Bestimmung ausgegeben, welche Flecke vor anderen in komplizierten Szenen völlig verborgen werden; aber trotzdem klettert die Zeit, die verbracht ist, um den Form-Faktor noch normalerweise zu bestimmen, weil n n loggen. Neue Methoden schließen anpassungsfähige Integration ein

Stichprobenerhebung von Annäherungen

Die Form-Faktoren F selbst sind in keiner der Aktualisierungsgleichungen tatsächlich ausführlich erforderlich; keiner, um die Gesamtintensität &sum zu schätzen; F hat B die ganze Ansicht gesammelt, noch zu schätzen, wie die Macht Ein B ausgestrahlt zu werden, verteilt wird. Statt dessen können diese Aktualisierungen durch die Stichprobenerhebung von Methoden geschätzt werden, ohne jemals Form-Faktoren ausführlich berechnen zu müssen. Seit der Mitte der 1990er Jahre sind solche ausfallenden Annäherungen die für praktische radiosity Berechnungen am vorherrschendesten verwendeten Methoden gewesen.

Die gesammelte Intensität kann durch das Erzeugen einer Reihe von Proben im Einheitskreis, das Heben von diesen auf die Halbkugel, und dann das Sehen geschätzt werden, was der radiosity des Elements war, auf dem ein in dieser Richtung eingehender Strahl entstanden wäre. Die Schätzung für die gesammelte Gesamtintensität ist dann gerade der Durchschnitt des durch jeden Strahl entdeckten radiosities. Ähnlich in der Macht-Formulierung kann Macht durch das Erzeugen einer Reihe von Strahlen vom ausstrahlenden Element ebenso und das Verbreiten der Macht verteilt werden, ebenso unter jedes Element verteilt zu werden, das ein Strahl schlägt.

Das ist im Wesentlichen derselbe Vertrieb, dass ein Pfad verfolgendes Programm Probe in der Nachforschung zurück eines weitschweifigen Nachdenken-Schritts würde; oder dass ein bidirektionales Strahlenaufzeichnungsprogramm Probe würde, um einen weitschweifigen Vorwärtsnachdenken-Schritt wenn leichte Quelle zu erreichen, die vorwärts kartografisch darstellt. Die ausfallende Annäherung vertritt deshalb einigermaßen eine Konvergenz zwischen den zwei Techniken, der Schlüsselunterschied, der darin bleibt, dass die radiosity Technik zum Ziel hat, eine genug genaue Karte des Strahlens aller Oberflächen in der Szene, aber nicht gerade eine Darstellung der aktuellen Ansicht aufzubauen.

Das Reduzieren der Berechnungszeit

Obwohl in seiner grundlegenden Form, wie man annimmt, radiosity eine quadratische Zunahme in der Berechnungszeit mit der zusätzlichen Geometrie hat (Oberflächen und Flecke), braucht das nicht der Fall zu sein. Das radiosity Problem kann umformuliert werden, weil ein Problem, eine Textur zu machen, Szene kartografisch dargestellt hat. In diesem Fall nimmt die Berechnungszeit nur geradlinig mit der Zahl von Flecken zu (komplizierte Probleme wie Gebrauch des geheimen Lagers ignorierend).

Im Anschluss an die kommerzielle Begeisterung für radiosity-erhöhte Bilder, aber vor der Standardisierung der schnellen radiosity Berechnung, haben viele Architekten und grafische Künstler eine Technik verwendet, die auf lose als falscher radiosity verwiesen ist. Durch die Verdunklung von Gebieten von Textur-Karten entsprechend Ecken, Gelenken und Unterbrechungen, und die Verwendung von ihnen über die Selbstbeleuchtung oder weitschweifig kartografisch darzustellen, konnte eine radiosity ähnliche Wirkung der Fleck-Wechselwirkung mit einem Standard scanline renderer (vgl umgebende Verstopfung) geschaffen werden.

Lösungen von Radiosity können im schritthaltenden über Lightmaps auf aktuellen Tischcomputern mit der Standardgrafikbeschleunigungshardware gezeigt werden

Vorteile

Einer der Vorteile des Algorithmus von Radiosity ist, dass es relativ einfach ist, zu erklären und durchzuführen. Das macht es einen nützlichen Algorithmus für lehrende Studenten über globale Beleuchtungsalgorithmen. Eine typische direkte Beleuchtung renderer enthält bereits fast alle Algorithmen (Perspektivetransformationen, Textur kartografisch darstellende, verborgene Oberflächeneliminierung) erforderlich, radiosity durchzuführen. Ein starker Griff der Mathematik ist nicht erforderlich, diesen Algorithmus zu verstehen oder durchzuführen.

Beschränkungen

Typische radiosity Methoden sind nur für leichte Pfade der Form LD*E, d. h., Pfade verantwortlich, die an einer leichten Quelle anfangen und vielfache weitschweifige Schläge vor dem Erreichen des Auges machen. Obwohl es mehrere Annäherungen an die Integrierung anderer Beleuchtungseffekten solcher als specularhttp://portal.acm.org/citation.cfm?id=37438&coll=portal&dl=ACM und glänzend http://www.cs.huji.ac.il/labs/cglab/papers/clustering/ Nachdenken gibt, werden mit Sitz in radiosity Methoden allgemein nicht verwendet, um die ganze Übergabe-Gleichung zu lösen.

Grundlegender radiosity hat auch Schwierigkeiten, plötzliche Änderungen in der Sichtbarkeit aufzulösen (z.B, hart-schneidige Schatten), weil rauer, regelmäßiger discretization in piecewise unveränderliche Elemente einem Kasten-Filter des niedrigen Passes des Raumgebiets entspricht. Diskontinuität, die http://www.cs.cmu.edu/~ph/discon.ps.gz ineinander greift, verwendet Kenntnisse von Sichtbarkeitsereignissen, um einen intelligenteren discretization zu erzeugen.

Verwirrung über die Fachsprache

Radiosity war vielleicht der erste Übergabe-Algorithmus im weit verbreiteten Gebrauch, der für weitschweifige indirekte Beleuchtung verantwortlich gewesen ist. Früher war das Machen von Algorithmen, wie Whitted-artige Strahlenaufzeichnung zu Recheneffekten wie Nachdenken, Brechungen und Schatten fähig, aber trotz, hoch globale Phänomene zu sein, sind diese Effekten nicht allgemein "globale Beleuchtung genannt geworden." Demzufolge ist der Begriff "globale Beleuchtung" verwirrt mit dem "weitschweifigen Zwischennachdenken," geworden, und "Radiosity" ist verwirrt mit der "globalen Beleuchtung" im populären Sprachgebrauch geworden. Jedoch sind die drei verschiedene Konzepte.

Die radiosity Methode im aktuellen Computergrafik-Zusammenhang ist zurückzuführen (und ist im Wesentlichen dasselbe als) die radiosity Methode in der Wärmeübertragung. In diesem Zusammenhang ist radiosity der Gesamtstrahlungsfluss (sowohl widerspiegelt als auch wiederausgestrahlt) das Verlassen einer Oberfläche, auch manchmal bekannt als leuchtender exitance. Die Berechnung von Radiosity wird kompliziert.

Links

• Radiosity Übersicht, von HyperGraph von SIGGRAPH (stellt volle Matrix radiosity Algorithmus und progressiver radiosity Algorithmus zur Verfügung)
• Radiosity, durch Hugo Elias (stellt auch eine allgemeine Übersicht von sich entzündenden Algorithmen, zusammen mit der Programmierung von Beispielen zur Verfügung)
• Radiosity, durch Allen Martin (ein bisschen mehr mathematische Erklärung von radiosity)
• Radikal, durch Parag Chaudhuri (eine Durchführung des Schießens & Sortierens der Variante des progressiven radiosity Algorithmus mit der Beschleunigung von OpenGL, sich von GLUTRAD durch Colbeck ausstreckend)

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• ROVER, durch Tralvex Yeap (Radiosity Abstracts & Bibliography Library)
• Radiosity Renderer und Visualizer (einfache Durchführung von radiosity renderer gestützt auf OpenGL)
• Erleuchten Sie (Lizenzierter Softwarecode, der schritthaltenden radiosity für Computerspiel-Anwendungen zur Verfügung stellt. Entwickelt von der Gesellschaft des Vereinigten Königreichs Geomerics)