第一章 介绍

Lightscape 和照明技术介绍

Lightscape 是一个生成三维模型的精确照明仿真的可视化软件包。

概要

本章学习以下内容：

• 关于Lightscape™

• 电脑图形渲染

• 光度测定

• Lightscape 文档





关于Lightscape

Lightscape™ 是一个集光能传递和光影跟踪为一体的创建精确三维渲染图的应用软件，同时它能够通过人机交互界面定义光源，材质。Lightscape 有很多独特的高级渲染技术包括：

• 真实性

• 真实光照

• 内部漫游

• 逐步精细.



真实性

因为 Lightscape 精确计算了光传播，所以从中你能得到其它渲染软件无法达到的渲染效果，包括：真实光照、柔和阴影、颜色混合。



真实的光照

因为 Lightscape 采用光度测定值进行光照计算，所以你能够按照真实场景直接设置光源；你也能够按照光的分布及颜色创建光源或输入照明厂家提供的光度测定文件；你还能够按照地理位置、日期、时间设定日光。



内部漫游

Lightscape 运用光能传递得到的渲染结果是一个全三维的渲染结果，它比传统电脑图形技术显示各视点的渲染效果更快。配上快速硬件，你就可在三维渲染环境中漫游。它能够在比专业动画系统少很多的时间内为电影、视频生成漫游动画帧。



逐步精细

Lightscape 的渲染效果是随时可见的，并随着时间的增长逐步精细。在其渲染过程中的任何时候，你都可以改变表面材质和照明参数，系统不需重新从头开始渲染就可针对你的修改在相应部分重新计算渲染效果。所以你可以在渲染过程中随时调整表面材质和照明参数，从而得到你所想要达到的效果。



电脑图形渲染

这部分讲述电脑图形渲染的一般观点和 Lightscape 使用的渲染技术。 一个3D模型包含了通过3D笛卡儿坐标系统定义的几何数据。3D笛卡儿坐标系有时也被称为世界坐标系。3D模型也可包含材质及照明信息。电脑显示器上的图象是由大量像素构成的。创建几何模型的电脑图象就是确定屏幕上每个像素的颜色。模型表面上的任何点都是表面材质和光照共同作用的结果。局部照明和整体照明是用来描述光是如何进行传播和反射的。



局部照明

局部照明法则是描述光在单个表面上是如何反射和传递的。 它能够计算光的强度、镜面反射及光被表面反时的分布。简单的渲染运算法则认为光只是从直接光源发出的。



全局照明

为得到更精确的图像，不仅要考虑从光源直接发出的光而且要考虑光与场景中各表面间的相互作用。例如：一些表面因阻挡光而在其它表面产生阴影；一些表面有光泽，我们在其上能看到其它表面的倒影；一些表面透明则能透过它看到其它表面；还有一些表面会反射光线到其它表面上。全局照明原则就是考虑光与场景中各表面相互作用的运算法则。 Lightscape 使用两种全局照明法则：光影跟踪，光能传递。在解释这些技术之前先了解光在场景中的分布方式是十分有用的。例如，房间里有一个光源，光的粒子理论说光是由光子组成，光子由光源发出，它们直线传播直到碰到房间中的某个表面。根据表面的材质某些特定波长的光子被反射，另一些则被吸收。

一个房间的全局照明

表面光滑度不同反射光子的方式也不同。粗糙表面从四面八方反射光子，这种反射叫漫反射，这种反射表面叫漫反射表面。粉刷过的墙壁是漫反射表面的一个实例。非常光滑的表面按照入射角等于出射角的原则反射光子，这种反射叫镜面反射，这种反射表面叫镜面反射表面。镜子是镜面反射的一个实例。当然很多材质对光子的反射既有镜面反射又有漫反射。房间最终的照明效果是光源发出的光子和表面反射相互作用的共同结果。

                                      

          漫反射                                                  镜面反射

如果你站在房间，很少数量的光子会进入你眼中刺激视网膜上的杆状体和视锥，从而被大脑感知形成视觉。电脑则是用屏幕上的像素代替了视网膜上的杆状体和视锥。 全局照明目的之一就是尽可能精确的真实模拟你在现实场景中所看到的景象； 其目的之二是尽可能快的生成实时图象（30帧/秒）。当前还没有哪个简单的全局照明运算法则能够同时达到着两个目的。

光影跟踪

第一个全局照明法则叫做光影跟踪。它认为房间中可能有数十亿个光子，但是它只考虑进入眼中的那部分光子，它是根据追踪从屏幕像素到3D模型的光线来运算的。用光影跟踪创建图象按以下步骤进行：

1．从眼睛位置开始在光线后面追踪光线，穿过屏幕像素，直到与表面相交。

2．模型只提供表面的反射率，而不是光线到达表面的数量。整体照明效果是靠追踪光源发出的光线在环境中物体相交的交点得到。 如果追踪的光线不被场景中的物体阻挡，则用此光线计算表面颜色。

3．场景中的表面可能是有光泽或透明的，运算法则必须能够计算出透过该透明表面所看到的场景。

4．若后面的表面仍然是有光泽或透明的则重复上一步，直到达到最大反复次数或没有表面被碰到。 光影跟踪是一个非常通用的法则，它能够精确的计算出直接照明、阴影和镜面反射，其主要缺点之一就是对于中等复杂程度的模型运算速度显得较慢；之二则是不能计算非常重要的漫反射。



传统光影跟踪技术只能精确计算出从光源直接发出的光线所产生的效果。如下图所示，用光影跟踪房间中的桌子，可见桌子下面区域因不能得到光源直接发出的光线而出现黑暗效果。但再现实中桌子下面是能够得到来自墙面和地面的反射光的，不会是黑暗的。

                     光影跟踪

传统的光影跟踪技术通常是利用设置环境光参数来实现见接照明。 这个参数是人为随意设定的与客观世界毫无关系，这就致使光影跟踪渲染影像因不能真实反映不同表面的漫反射而显得十分呆板。



光能传递

因为光影跟踪存在一些重大缺陷，研究人员又在致力于另一种全局照明技术的研究。早在60年代初，热能工程师已经研究出了表面间热辐射的传递方法，这个理论很快就在熔炉、发动机上得到了应用。到80年代中叶，电脑图形研究者开始用这个方法模拟光传播，光能传递就因此应运而生。，光能传递计算环境中离散点的光强度，它与光影跟踪计算屏幕上像素点的颜色存在本质区别。光能传递运算时把表面分成称为网格元素的小块，然后计算各元素上的光线分布，并把光能传递值保存在各个网格元素中。

当光线分布被计算出后对任一视点通常都能实时的在屏幕上进行显示，这叫做视点不独立性，因为环境中的光线分布已被预先全部计算出来，所以对于各个不同视点都不用重新计算，所要作的仅仅是换角度显示。光影跟踪则正相反，它具有视点独立性，对于各个不同视点都需重新计算。

光能传递



早期的光能传递版本必须全部计算完网格元素上的光能分布才能在屏幕上显示渲染结果。尽管最终结果具有视点不独立性，但其前期处理过程却要花费相当长的时间。到了1988年一种叫做逐渐精细的光能传递运算法则出现了，它允许用户在渲染过程中随时可看到随时间增长而逐渐精细的渲染结果。

Lightscape 逐渐精细的光能传递法则按以下步骤进行：

1．根据相邻网格元素上光线分布强度的不同自动细分网格元素。

2．各个光源发出的光线都被分配到场景中各个表面上，其中一个表面遮挡其它表面时会产生阴影。

3． 随表面材质的不同一些光能被吸收，另一些则被反射到场景中。在光能传递中我们假定：表面从各个方向以相同的数量反射光线，这叫理想漫反射。

4．在计算完从光源发出的光线产生的直接照明之后，逐步精细的光能传递渲染法则继续检查哪些表面仍然反射光线，这些表面则被作为光源发出反射光照到其它表面，这叫做间接照明。

5. 上面这个过程反复执行直到大部分光能被表面吸收，从而达到极限收敛。每从表面或光源分配一次光线，都称为一次迭代。迭代次数由场景的复杂程度决定。迭代计算开始时收敛速率很快，到最后，因为剩余的光能已经很小，所以渲染场景在上一次迭代与本次迭代计算完后已经看不出有什么变化。此后迭代计算仍会继续进行很多次以达到计算结果完全收敛。但当你看到你所想要得到的效果时，不必等到计算结果完全收敛，就可以中断渲染进程，从而节约渲染时间。



光能传递与光影跟踪的区别：

虽然光能传递与光影跟踪存在本质区别，但它们在很多方面都是互补的。

光影跟踪有以下优缺点：

优点：

对于直接照明能够进行精确渲染，包括：阴影、镜面反射、透明效果，

内存利用率高。

缺点：

场景中光源数量越多，计算时间越长。

视点独立，对于每个视角必须重新计算。

不能计算漫反射。



光能传递有以下优缺点：

优点：

能计算漫反射。

视点不独立，对于每个视角不需重新计算。

随时可见的逐渐精细的渲染过程。

缺点：

划分3D网格，要求内存大。

不能计算镜面反射和透明效果。



无论光能传递还是光影跟踪都不是一个完全的全局照明解决方案。光能传递擅长漫反射计算，光影跟踪擅长镜面反射计算。Lightscape 融合了这两种渲染方法，从而达到真实模拟客观世界的目的。



光度测定

Lightscape 是基于物质世界来模拟光传播的。其结果不仅高度真实，而且精确计算出了光在场景中的分布。你还可以在 Lightscape 中运用来自光源和灯具厂家提供的照明数据文件。普通灯具类型在附录G中提供。

在设计照明系统时光度测定就是用来量化人眼对光的感觉的，它包含4个度量单位：

• 光通量

• 照度

• 亮度

• 光强

光通量是单位时间内光能到达、离开、穿过表面的数量。单位是（lm），在国际单位制、美国单位制中通用。

照度是指单位面积上的光通量，这个物理量表示光照等级与表面面积大小无关。在国际单位制中单位是 Lux （lx）， 1Lux=1lm/平方米，其相应的美国单位制中的单位是（fc），1fc=1lm/平方英尺。

亮度是对表面光反射的度量，它转化成颜色，生成真实的渲染场景，亮度用每平米多少candela 来度量。

光强是指光源在单位时间内，在特定方向上所发出的光能。其度量单位是candela，光强通常用于描述某个方向的光线分布。

关于 Lightscape 文档

Lightscape 用户手册包含以下内容：

• Lightscape 3.2 用户指导（印刷手册和在线文档）

• Lightscape 3.2 学习手册（印刷手册和在线文档）

• 在线帮助

• 安装 LSnet 的在线文档

• README.TXT (在 Lightscape 目录下的在线文档)

Lightscape 3.2 用户指导提供 Lightscape 在安装、处理、渲染中所使用的技术及概念的解释说明。

Lightscape 3.2 学习手册举例说明 Lightscape 的操作过程。

在线帮助提供基于标题及界面元素的参考信息。

图例说明

第二章 安 装


本章讲述如何安装 Lightscape

概要

本章学习以下内容：

• 系统要求

• 第一次安装 Lightscape

• 从低版本升级 Lightscape



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系统要求

下表列出推荐配置和最低配置：



第一次安装 Lightscape

1. 把 Lightscape 光盘放在光驱中。

2. 从“开始”菜单中选择“运行”。

3. 输入 d:\setup 按回车。如果你的光驱不是 “d” 把“d” 改成相应的光驱号。

下面按照 Lightscape 安装向导的提示继续进行。

4. 如果安装程序提示重启动电脑，须在运行Lightscape 之前重启动电脑。



从低版本升级 Lightscape

如果你是升级 Lightscape，系统会提示你卸载原先的Lightscape版本，如果你选择不卸载，原先的版本将被升级版本覆盖。

如果你不希望覆盖原来的版本，则可安装新版本到另一个目录下。

Lightscape 3.2 能够读以前版本的任何文件

注意：以前的Lightscape版本不能读 Lightscape 3.2 的文件，但 (.la), (.lay), (.df) 文件在Lightscape3.2, Lightscape3.1, Lightscape3.11中可以通用。

第三章 操作流程


本章讲述 Lightscape 操作流程，对于流程中的每一步在后面章节都有详细叙述。



概要

Lightscape 操作主要包括两个阶段——准备阶段和解决阶段。在准备阶段模型结构与很多CAD模型相似，此阶段你能够编辑几何体、材质、光源。准备阶段的模型保存为 .lp 为扩展名的文件。

在解决阶段，Lightscape 改变了模型结构以适应光能传递的处理。解决阶段的模型保存为 .ls 为扩展名的文件。在此阶段你能够编辑材质及光源的光度测定属性，但你不能修改几何体或加入光源。若你必须修改几何体或加入光源须回到准备阶段进行修改，然后再生成新的解决文件。



                                                    准备阶段和解决阶段

准备模型

在准备阶段你可以输入模型，调整表面方向，定义光源及位置，根据需要加入、删除、重定位场景中对象。



输入几何体

第一步就是向Lightscape 中输入几何体，在此你能够把在很多 CAD 软件中建立的模型及模型中定义的块和光源一起输入Lightscape中。 详细信息参考第五章，第六章。



表面方向

当你输入模型后应把表面法线方向调整正确。 表面方向决定了表面的哪个面是受光面。例如一个房间的照明，墙壁表面的方向应当朝屋内。详细信息参考第六章。



定义材质

Lightscape 是基于物质世界的渲染仿真软件，它最重要的特性就是能够得到真实的渲染效果。材质模板使它能够很容易的定义出大量的材质，诸如，金属、石头、粉刷平面、水等等。另外你还可以利用纹理位图和程序纹理突出表面特性。 同时 Lightscape 也为用户提供了一个有几百种材质的材质库。详细信息参考第七章。



加入光源

你能够在模型中加入人造光源和日光。模型中所有人造光线都来自人造光源。你可以创建光源或灯具中的光源，并把它们直接放入模型中。你还可以直接使用灯具厂家提供的IES文件。Lightscape 同样也为用户提供了一个有几百种灯具的灯具库。对于室外模型可以加入日光，日光分两种：太阳光和天空光。详细信息参考第八章，第九章，第十章。



精炼模型

Lightscape 只提供了很有限的几个修改几何体的工具。你能够加入、删除、复制表面，块，光源。例如，你能在模型中加入家具，并把它移动到内墙，或在准备阶段旋转射灯等等。详细信息参考第六章。



光能传递解决阶段

在此阶段 Lightscape 用光能传递法则精确计算出光在模型中的传播。在光能传递初始化阶段Lightscape优化模型中的表面为后续处理作准备。一旦模型初始化完毕，你就不能修改几何体和加入光源了。

在解决阶段渲染结果随时间加长而逐渐精细，最终得到完美的渲染结果。你可以把渲染结果输出为动画或单个图象，能够进行照明分析，还能够输出结果到其它程序中。



设置处理参数

使用处理参数可以控制光能传递渲染质量。参数设置越恰当渲染质量也越高，但可能会需要更长的运算时间和更多的内存。为了有效的提高渲染效果，你可以调整全局照明参数并把它运用于整个模型中，你还可以调整局部照明参数并把它运用于特定表面上。详细信息参考第十一章。



光能传递

在光能传递处理阶段 Lightscape 计算模型中的漫反射。此阶段的任何时候，你都可以中断处理，进行修改。有关光能传递的详细信息参考第十一章。



精炼解决方案

在解决阶段不能修改几何体，但能够修改材质和光源的光度测定属性。当你作了修改后你有两种方式实现修改，其一是从中断处继续运行光能传递计算，程序会在以后的运算中完成修改；其二是重新开始光能传递处理过程。最后存储光能传递结果为 Lightscape （.ls）文件。



输出结果

在输出阶段你能够用OpenGL® 快速完成光能传递计算或用 Lightscape 的光影跟踪进行精确计算，计算出镜面反射、透明效果和更高质量的阴影。详细信息参考第十一章、第十四章。

用多少时间，计算出什么质量的影像这需要根据用途而定。下面列出了大多数常规用途：

• 单独一张渲染图

• 漫游动画

• 虚拟现实

• 照明分析.



单独一张渲染图

你能够用OpenGL 快速输出高质量的结果。欲得到更高质量的精细渲染影象，须使用光影跟踪输出图象。详细信息参考第十四章。



漫游动画

你可以为漫游动画在光能传递解决方案中设定相机路径。你可以用OpenGL 快速生成反锯齿的高质量影象，详细信息参考第十五章。

如果你想得到镜面反射、透明效果，需要用光影跟踪处理每一帧。为提高效率，在渲染动画时可采用批处理程序或LSnet。详细信息参考附录B。



虚拟现实

如果你想为交互式漫游生成虚拟现实环境，则不能使用光影跟踪。你必须致力于只用光能传递技术生成高质量的渲染效果。为增加显示速度，请使用支持OpenGL 的图形加速卡。你可以靠转换网格元素和几何体成为纹理位图来减少场景的几何复杂程度，从而增加漫游速度。当使用Lightscape制作网上交互式游戏时，这一点就显得非常重要。详细信息参考第十三章。

Lightscape 光能传递结果也能够输出为VRML格式。这种格式的文件能被一些专门的虚拟现实软件使用。详细信息参考第十六章。



照明分析

如果你对照明分析感兴趣，Lightscape 提供了一系列用于形象化照明数据的工具。详细信息参考第十二章。

第四章 界面


Lightscape 用户界面提供一整套人机交互工具。





概要

本章学习以下内容

• 启动Lightscape

• 界面约定

• 使用工具条

• 使用文件控制

• 观看模型

• 显示控制

• 选择目标

• 转换目标

• 设置文档属性

• 设置系统选项

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启动 Lightscape

启动 Lightscape 只需双击 Lightscape 应用图标。通常这个图标放在Lightscape 程序文件夹中。



Lightscape

你也可以从“开始”菜单中选择Lightscape 应用图标来启动Lightscape。



交互界面概述

Lightscape 界面包括五个主要模块。最大最重要的是图形窗口。它在左边，占据了大部分屏幕。其它四个模块是： 层列表，材质列表，块列表和光源列表，它们垂直分布于屏幕右侧（系统默认），你可以根据需要改变它们的大小和位置。


                                           Lightscape 界面构成

Lightscape 菜单分布在图形屏幕顶部。菜单下面是工具条。图形屏幕底部是状态条，用于显示一些必要信息。最上部的标题工具条显示当前正在操作的文件名。你可以用许多种方式进行编辑操作，例如，使用下拉菜单；鼠标单击工具条上的按钮；单击鼠标右键弹出下拉菜单。



图形窗口

图形窗口用于显示和编辑当前模型。在图形窗口用鼠标左键选择物体。Lightscape支持几种正交投影模式，你可以用交互式视图工具快速的操纵几何模型。



Lightscape 有几种显示模型的方式，例如，实体显示和网格显示。



图形窗口通常只有一个视窗。但在动画编辑状态下显示四个视窗，这是为了辅助编辑动画路径。



层列表

层列表是包含当前模型所有层的列表。层名称左边有“√”表明该层当前是打开的，也就是说属于该层的物体在屏幕上是可见的。可以通过双击层名来切换层的开、关状态。 层名左边有字母“C”，表明该层是当前层。任何新加入模型的物体都是被加入到当前层上。

你能够用鼠标右键单击层列表显示层菜单。

材质列表

材质列表包含模型中所有材质。利用它你可以给表面赋材质，定义表面对光的反射特性。

纹理符号按钮用于表明材质含有纹理位图，如果改符号被着色表示材质纹理已装入并显示在屏幕上。若它显示为绿色“!” 符号，说明材质纹理文件没有找到。

材质预览用于预览当前被选材质。

鼠标右键单击材质列表则显示操作项下拉菜单。双击任意材质名会激活用于编辑材质属性的“材质属性”对话框。 详细资料参看第七章。





定制材质预览区

材质预览框用于显示材质列表中当前被选定的材质。你可重新设定其大小和切换其打开、关闭状态。

切换材质预览区开、关状态。

鼠标右键单击材质列表显示下拉菜单，然后从中选择“预览”选项。



改变示例球直径

可以改变示例球直径大小使其与场景中使用此材质物体的大小相匹配。此外，它还能提供精确的材质预览，包括程序纹理和固定大小。



改变示例球直径的步骤：

1. 鼠标右键单击材质预览区。

2. 选择直径的大小，如图：上图样例球直径1米，下图样例球直径10米。

显示背景和反射图象

鼠标右键单击”材质预览”框，能够显示或关闭背景和反射图象。





背景选项有助于你观察透明效果。

反射选项用于设置表面上的反射高光。

切换可选项的开、关状态：

鼠标右键单击材质预览区，选择选项的开、关状态。

块列表

块列表是模型中所有块的列表。定义好一个块，你就可在模型中反复制作其实例，并可按不同的大小、方向、位置把它们放置在模型中。

注意：块在准备阶段才能被操作

块预览区用于显示当前选定的块。

双击块名可在图形窗口中加亮显示和编辑块。右键单击块列表，系统会弹出块操作菜单。



光源列表

光源列表是模型中所有光源的列表。光源是一种用来表示灯具的块，灯具中包含控制光分配的光度测定曲线。双击光源名可在图形窗口中加亮显示和编辑光源。 打开光源属性对话框可编辑灯具的光度测定属性

光源预览区用于显示当前选定的光源。








右键单击光源列表，系统弹出光源操作菜单。





















定制块预览区、光源预览区








块预览区与光源预览区可在屏幕上显示当前选定的光源和块，你可以重新设置预览区的大小及开、关状态。

切换预览区开、关状态。

右键单击块列表和光源列表，从弹出的菜单中选择或不选择“预览”选项。



改变视图方式

你可以通过视图工具条，预览区下拉菜单，及热键选择视图方式。



使用工具条改变视图方式的步骤:

1. 在预览区中单击右键，选择“视图控制”选项，再选中“从工具条”选项。

2. 在视图控制工具条上单击所需选项的按钮，再在图形屏幕移动鼠标实现相应的视图控制。



使用下拉菜单改变视图方式的步骤：

1. 在预览区中单击右键，选择“视图控制”，不选中“从工具条”选项。

2. 在预览中单击右键，选择“视图控制”，再选中所需选项。,

3. 在图形屏幕移动鼠标实现相应的视图控制。



你可使用下表列出的热键实现视图控制