Lichtsimulation

Physikalisch korrekte Lichtsimulation
Radiosity-Berechnungen
 

Aufgabenstellung

In aller Regel werden Radiosity-Berechnungen zur Kontrolle von konkreten Lichtplanungen oder Überprüfung von Tageslichtkonzepten eingesetzt. Eine präzise Aufgabenstellung ist die Voraussetzung, um zu den gewünschten Antworten zu kommen. Insbesondere bei Radiosity-Berechnungen besteht die Gefahr, dass zu komplexe räumliche Situationen im Nachhinein vereinfacht werden müssen, um mit einem vertretbaren Aufwand zu den gewünschten Resultaten zu kommen.
 

Modellerstellung

Für die Erstellung der 3D-Modelle bedeutet dies, sich an einfache Geometrien zu halten. Auf hohe Detaillierungen und den exzessiven Einsatz von Texturen (welche in der Regel keinen Einfluss auf die lichttechnischen Berechnungen haben) sollte nach Möglichkeiten verzichtet werden. Der Schwerpunkt der Resultate soll auf der Raum-Modellierung durch das eingesetzte Licht liegen und nicht in den Details. Die meisten Applikationen bedingen eine gewisse "try and error"-Phase, um die konkreten kritischen Punkte in der Modellerstellung ausfindig zu machen. Punkte, denen man bei der Modellmodellierung bis anhin keine grosse Beachtung schenkte werden mit einem Mal bedeutend: Die Definition des Modellmassstabes, die Lage von Elementkanten, die geometrische Unterteilung der einzelnen Elemente, alles hat einen Einfluss auf die Berechnungsvorgänge, bzw. auf die Einstellungen der Szenenparametern.
 

Definition der Lichtsituation

Generell kann zwischen Taglicht-, Kunstlicht- und Mischlicht-Situationen unterschieden werden. Bei Taglicht-Berechnungen werden Ort, Datum und Zeit definiert sowie der Bedeckungsgrad des Himmels. Hierbei stehen Standarddefinitionen zur Verfügung. Bei Kunstlicht-Situationen steht der Import von Leuchtendaten im Vordergrund. Hierbei begegnet man oft der Schwierigkeit, dass das Programm andere Datenformate verarbeiten kann, als von den Leuchtenherstellern zur Verfügung gestellt werden. Vorherige Abklärungen der Datenformate und evetuell erhältlicher Konvertierungsprogramme sind hier wichtig. Leuchten können auch frei definiert werden. Dazu sollte man die Grundparameter von Leuchten verstehen sowie goniometrische Lichtstärkeverteilkurven lesen und editieren können.
 

Definition von Szenen-Parametern

Zusätzlich zur Modell-Erstellung und den Lichtdefinitionen, sind noch weitere Parameter für einen Radiosity-Prozess einzustellen. Diese betreffen insbesondere folgende Bereiche:

• Materialdefinitionen: Das Verhalten des Lichtes beim Auftreffen auf eine Oberfläche bedarf zusätzlicher Definitionen. Es sind neben der Farbe (evtl. Textur) auch der Reflexions- , bzw. Absorptionsgrad des Materials von Interesse sowie dessen Rauheit, was sich in der Art der Streuung des reflektierten Lichtes niederschlägt. Das Streuverhalten ist in der realen Welt zusätzlich von der Wellenlänge des Lichtes abhängig. Materialien können jedoch auch noch einen Transparenzgrad aufweisen und damit verbunden einen Refraktionsindex.
• Objekte und ihre Eigenschaften: Um die Berechnungsprozesse in einem vernünftigen zeitli- chen Rahmen halten zu können, besteht bei verschiedenen Programmen die Möglichkeit, auf Objektebene gewisse Manipulationen vornehmen zu können. So ist es beispielsweise möglich, ein Objekt von der Weitergabe des diffusen Lichtes auszuschliessen, d.h. das Objekt wird wohl beleuchtet, in den weiteren Berechnungen jedoch nicht mehr berück- sichtigt. Ebenso ist es möglich, Objekte daran zu hindern Licht zu empfangen oder Schatten zu erzeugen.
• Geometrieverhalten: Eine Kategorie heutiger Radiosityprogramme arbeitet nach der "adaptive mesh subdivision"-Methode. Das heisst, dass die Geometrie des 3D-Modelles zusätzlich nach den auftretenden Beleuchtungsstärken zusätzlich feiner unterteilt wird. Dies hat einerseits zur Folge, dass die Polygonzahl der Geometrie sehr stark anwachsen kann, andererseits erlaubt dieses Vorgehen eine "beschleunigte" Berechnung sowie die "Speicherung" der errechneten Daten innerhalb des Modelles. Eine weitere Folge dieses Vorgehens ist die Notwendigkeit, Mass sowie Art und Weise dieses Unterteilungsprozesses mittels verschiedener Parametern definieren zu müssen. Dies kann sowohl auf der Ebene einzelner Objekte erfolgen sowie für die ganze Szene.
• Berechnungen: Wie schon erwähnt, kommen komlexe Berechnungen zum Einsatz, um ein präzises Diffuslichtverhalten eines Modelles darzustellen. Da die Radiosity-Berechnungen nur einen Teilaspekt des Lichtverhaltens im Raum behandeln, werden Bildberechnungen zusätzlich noch mit anderen Renderalgorithmen kombiniert, z.B. Radiosity und Raytracing, oder Radiosity und Phongshading oder alle drei Renderarten hintereinander. Dieses Vorgehen schlägt sich ebenfalls im Zeitbedarf der Berechnungen nieder.

Einsatz und Aufwand

Über den Einsatz von physikalisch korrekten Lichtsimulationen entscheiden - innerhalb der Architektur-Visualisierung - die eingangs dieses Artikels erwähnten direkten Nutzen, welche diese Simulationsart mit sich bringen kann. Ein Kostenvergleich zu konventionellen Renderings ist somit kaum möglich, da in der Regel einerseits mit weniger komplexen Modellen gearbeitet wird, andererseits jedoch ein zusätzlicher Editions- und Rechenaufwand entsteht. Zur generellen Visualisierung von Innenräumen muss der Einsatz von Radiosity-Programmen sorgfältig abgeklärt werden.

Typische Einsatzgebiete sind die Überprüfung von anspruchsvollen Taglichtkonzepten oder auch die Neugestaltung von gemischten Lichtkonzepten, wie sie z.B. bei der Sanierung von Einkaufszentren vorkommen können. Im Bereich der Kunstlichtsimulation ist darauf hinzuweisen, dass die verschiedenen Leuchtenanbieter heute vielfach für grössere Projekte einen Simulationsservice bieten, der die Beurteilung von Beleuchtungsvarianten zulässt. Im Zentrum stehet auch in diesem Fall sowohl die Berechnung quantitativer Lichtgrössen als auch die Ausgabe in Bildform. Nochmals ausdrücklich hingewiesen sei an dieser Stelle auf den Zusammenhang zwischen Materialisierung und Lichtkonzept: Radiosity-Algorithmen erlauben eine präzise Beurteilung von Farbwirkungen zusammen mit dem Beleuchtungskonzept.

Zusätzliche Bereiche, die nur z.T. von den verschiedenen Computerprogrammen abgedeckt werden, sind die Überprüfung von Teilaspekten der Lichtplanung wie etwa das Auftreten von lokalen Blendwirkungen oder die Errechnung sogenannter Komfortfaktoren.
 

Ausgabearten der Resultate

Einerseits werden numerische Resultate errechnet, die keiner speziellen Ausgabeform bedürfen. Auf der anderen Seite geht es um die verschiedenen Möglichkeiten, errechnete Bilder zu präsentieren. Hier steht die Serie von Einzelbildern - oft als Variantenvergleich - im Vordergrund. An die Ausgabeart von Einzelbildern sind möglichst hohe anforderungen zu stellen, da Farbnuancen bei unzureichenden Wiedergabemethoden oft verloren gehen. Insbesondere die Belichtung fotografischer Materialien oder auch die Beanspruchung von kalibrierten Ausgabewegen ist ins Auge zu fassen.

Es lassen sich jedoch auch Animationen von Räumen welche mit Radiosity berechnet wurden erzeugen. Hier ist eine kritische Hinterfragung angezeigt. Zur Beurteilung von Lichtsituationen wünscht sich der Betrachter oft eine längere Zeitspanne, als ihm dies eine Computeranimation in der Regel zugesteht. Auf der technischen Seite ist man auf Programme angewiesen, die nach der schon erwähnten "adaptive mesh subdivision"-Methode arbeiten, um eine Animationsausgabe mit sinnvollem Zeitaufwand realisieren zu können. Hier wiederum fällt oft störend ins Gewicht, dass zur Darstellung gewisser Licht- und Materialeigenschaften zusätzliche Berechnungsvorgänge hinzugezogen werden müssen - z.B. um spiegelnde Oberflächen darstellen zu können. Wenn die Animation auf Video ausgegeben wird, ist weiter in Betracht zu ziehen, dass der PAL-Farbraum viel "enger" ist, als derjenige, den man sich vom Computerbildschirm her gewohnt ist - auch hier können gerade bei farbkritischem Bildmaterial also noch Überraschung entstehen.
 

Die wichtigsten lichttechnischen Parameter

Lichtstrom		Masseinheit: Lumen [lm] Der Lichtstrom entspricht dem physikalischen einer Lichtquelle. Die "Lichtleistung" einer Leuchte kann auch in Lumen pro Watt angegeben werden.
Lichtstärke		Masseinheit: Candela [cd] Die Lichtstärke entspricht dem Lichtstrom pro Raum-winkel (Steradiant). -[lm/sr]
Leuchtdichte		Masseinheit: Candela pro m2 [cd/m2] Die Leuchtdichte ist die Lichtstärke pro (strahlender) Fläche. - [cd/m2]
Beleuchtungsstärke		Masseinheit: Lux [lx] Die Beleuchtungsstärke entspricht dem (auftreffenden) Lichtstrom pro Fläche. - [lm/m2]

Mathys Partner
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