Raytracing in lichttechnologie
description
Transcript of Raytracing in lichttechnologie
![Page 1: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/1.jpg)
Raytracing in lichttechnologie
Guy DurinckLaboratorium voor Optische Metingen en Lichttechnologie
Departement Industrieel IngenieurKaHo Sint-Lievenhogeschool, Gent
Associatie K.U.Leuven
1 maart 2006
![Page 2: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/2.jpg)
Raytracing in lichttechnologie
• Wat is raytracing?
• Waarvoor wordt het gebruikt?
• Wat komt er zoal bij kijken?
• TracePro: een modern raytracing programma
![Page 3: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/3.jpg)
Raytracing in lichttechnologie
• Raytracing: simulatietechniek waarbij men numeriek een experiment uitvoert.
• Werkwijze: - maak model - stuur een groot aantal lichtstralen in het model - bereken wat er gebeurt met elke straal
• Doel: voorspellen van het optisch gedrag van een systeem.
![Page 4: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/4.jpg)
TracePro
• Gebruiksvriendelijke raytracing programmatuur
• Verlichtingswereld: armaturen, koplampen, projectiesystemen,…
• Optische instrumenten: stray light analysis (ongewenste reflecties, spookbeelden,…)
• Niet geschikt om beeldvormende systemen te ontwerpen
• Niet geschikt voor lichtarchitectuur
![Page 5: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/5.jpg)
Het begrip “lichtstraal”
• Lichtstralen bestaan niet!
• Licht: elekromagnetische golven, fotonen
• Geometrische optica werkt als λ<<obstakels
• Handige hulpmiddelen, niet gehinderd door de werkelijkheid.
![Page 6: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/6.jpg)
Lichtstralen in TracePro
• Lichtstraal: energiestroom
• Grensvlak tussen 2 materialen: - breking volgens Snellius- energiestroom volgens Fresnel
• Een lichtstraal kan opgesplitst worden.
![Page 7: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/7.jpg)
Lichtstralen in TracePro
• Balk in plexiglas• Randen: stralen
splitsen op volgens Snellius en Fresnel
• 5% drempel (default)
![Page 8: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/8.jpg)
Lichtstralen in TracePro
• Balk in plexiglas• Drempel ingesteld op
1%• Grotere
nauwkeurigheid• Grotere rekentijd
![Page 9: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/9.jpg)
Oppervlakken van materialen
• Simulaties: betrouwbaarheid hangt sterk af van de invoer: - nauwkeurigheid - werkelijkheidsgetrouwheid
• Materiaaloppervlakken zijn dikwijls ruw: -speculaire breking -speculaire reflectie -verstrooiing (scattering)
![Page 10: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/10.jpg)
Enkele begrippen i.v.m. gedrag van licht bij reflectie aan een oppervlak
Reflectantie: (alle richtingen)
Excitantie: (weg van oppervlak)
Verband met irradiantie van oppervlak:
,
,
e s
e i
,e se
dM
dA
, ,e s e ie
d dM E
dA dA
![Page 11: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/11.jpg)
Scattering aan oppervlakken
• Bidirectional Scattering Distribution Function (BSDF)
• BSDF is een verzamelnaam voor BRDF (Reflectance) en BTDF (Transmittance)
![Page 12: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/12.jpg)
Definitie BSDF
• Neem een stukje oppervlak dA
• Licht valt in op dA vanuit een bepaalde richting: irradiantie van dA: dEe (watt/m2)
• dA wordt nu een lichtbron
• In een bepaalde richting straalt dA met radiantie dLe (watt/m2sr).
• BSDF wordt gedefinieerd als:
• Eenheid BSDF: sr-1
e
e
dLBSDF
dE
![Page 13: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/13.jpg)
Definitie BSDF
• Alternatieve schrijfwijze met stralingsstroom:
• dΦe,i invallende stralingsstroom op dA
• dΦe,s verstrooide stralingsstroom2 3
, ,
2, ,
( )cos
cos( )
e s e s
s s s
e i e i s
d ddd dA d
BSDFd d
ddA
![Page 14: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/14.jpg)
Definitie BSDF
• BSDF hangt niet af van de grootte van de invallende stralingsstroom:
,
, cos
e s
s
e i s
d
dBSDF
![Page 15: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/15.jpg)
Definitie BSDF
• De richting van Φe,i is bepaald door θi en Φi
• De richting van dΦe,s is bepaald door θs en Φs
• Scattering kan golflengteafhankelijk zijn: ),,,,( ssiiBSDF
![Page 16: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/16.jpg)
BSDF praktisch
• Eenvoudigste BSDF is de constante BSDF: intensiteit evenredig met cosθ
Lambertiaanse verstrooiing (volledig diffuus)
• BSDF soms beschreven met empirische formules.
• BSDF experimenteel bepalen.
![Page 17: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/17.jpg)
BSDF meetopstelling
• Xenonlamp• Lichtbundeloptiek• Staaltjeshouder• Detector• Spectrometer• Computer + sturing
![Page 18: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/18.jpg)
Scattering voorbeelden
![Page 19: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/19.jpg)
Scattering voorbeelden
![Page 20: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/20.jpg)
Scattering voorbeelden
![Page 21: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/21.jpg)
Scattering voorbeelden
![Page 22: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/22.jpg)
Oefening: Beschouw een Lambertiaans reflecterend oppervlak met reflectantie ρ.
A) Bereken de excitantie M als Le gegeven is. B) Bereken het verband tussen Le en Ee. C) Bereken de BSDF.
Lambertiaans:
2,
cos .e s
es s
dL
dA d
,e i
e
dE
dA
,
,
e s
e i
, ,e s e ie
d dM E
dA dA
2 sins s sd d e
e
dLBSDF
dE
![Page 23: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/23.jpg)
Oplossing,e sd
MdA
2,
cos .e s
es s
dL
dA d
coses s
dML
d
cos 2 sine s s sdM L d eM L
)A
![Page 24: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/24.jpg)
Oplossing,e sd
MdA
2,
cos .e s
es s
dL
dA d
coses s
dML
d
cos 2 sine s s sdM L d eM L
)A
)B eM LeM E
e eL E
![Page 25: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/25.jpg)
Oplossing,e sd
MdA
2,
cos .e s
es s
dL
dA d
coses s
dML
d
cos 2 sine s s sdM L d eM L
)A
)B eM LeM E
e eL E
)C e
e
dLBSDF
dE BSDF
![Page 26: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/26.jpg)
BRDF en BTDF in TracePro
• BRDF en BTDF: zonder speculaire component.
• Oppervlak: - speculaire reflectie: Rspec
- speculaire transmissie: Tspec - BRDF reflectie: RTS
(total scatter)- BTDF transmissie: TTS
- absorptie: a•
i
abs
i
tscatterTS
i
rscatterTS
i
tspecspec
i
rspecspec P
Pa
P
PT
P
PR
P
PT
P
PR ;;;; ,,,,
![Page 27: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/27.jpg)
BRDF en BTDF in TracePro
• Behoud van energie:• Richting en energie
van de verstrooide stralen?
• BSDF: waarschijnlijk-heidsverdeling voor richting van verstrooide stralen
1 aTRTR TSTSspecspec
![Page 28: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/28.jpg)
BSDF in TracePro
• Random number generator getal tussen 0 en 1: y
• Stel y is waarde cumulatieve distributiefunctie
• Inverse cumulatieve distributiefunctie geeft x richting van de verstrooide straal
![Page 29: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/29.jpg)
Speculaire en BRDF reflectie volgens TracePro (100 stralen)
![Page 30: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/30.jpg)
Lichtbronnen in TracePro
• Lichtbron: plaats waar de lichtstralen vertrekken
• Grid raytrace
• Source raytrace
![Page 31: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/31.jpg)
Grid raytrace
![Page 32: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/32.jpg)
Grid raytrace
![Page 33: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/33.jpg)
Source raytrace: flux-bron
• Gegeven stralingssterkte• 1 golflengte• Totaal aantal stralen• Energiestroom per straal• Stralingspatroon:
- normaal op oppervlak- uniform (I(θ) constant)- Lambertiaans (intensiteit ~ cosθ)- absorptance (tabel)
![Page 34: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/34.jpg)
Spectrale raytrace
• Spectrale raytrace met een ander spectrum dan een zwarte straler: lastig!
• Flux-bron: - totaal aantal stralen- stralingspatroon- meerdere golflengten- gewichtsfactor voor elke
golflengte spectrum! - energiestroom voor een
straal met gewichtsfactor 1 • Meerdere raytrace-sessies met telkens een flux-bron
met een andere golflengte worden na elkaar uitgevoerd: zeer rekenintensief!
![Page 35: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/35.jpg)
Source raytrace
• Speciaal geval: Source file
• Source file; bevat alle gegevens over een groot aantal stralen:
- beginpositie x,y,z- richtingsgetallen X,Y,Z- flux (energiestroom)
• Importeren in TracePro: bron gedefinieerd
![Page 36: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/36.jpg)
Oorsprong source file
• Radiant Imaging Inc. (bedrijf U.S.A.)• Lampen van alle grote fabrikanten• Goniometeropstelling: duizenden digitale
opnamen per lamp Radiant Source Models
• softwarematig source file voor een bolvormig oppervlak
• Radiant Source Models worden te koop aangeboden
![Page 37: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/37.jpg)
Radiant Source Model
![Page 38: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/38.jpg)
Radiant Source Model
![Page 39: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/39.jpg)
Data uit TracePro halen
• Voorbeeld:- invoeren eenvoudige lamp- lampoppervlak: lichtbron- stralingspatroon lamp?- illuminantie van
tafeloppervlak? - plaats lamp in armatuur - stralingspatroon? - illuminantie van tafeloppervlak?
![Page 40: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/40.jpg)
Lamp
• Cilinder: lengte=50mm;straal=8mm
• Basis in oorsprong• Mantel: flux-bron (λ=546nm,
stralingssterkte=800lm, 1000000 stralen, Lambertiaans patroon)
• Basis straalt niet• Uiteinde: flux-bron (λ=546nm,
stralingssterkte=70lm, 100000stralen, Lambertiaans patroon)
![Page 41: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/41.jpg)
Stralingspatroon van de lamp
• Beschouw lamp als puntbron in oorsprong assenstelsel (waarneming vanop oneindige afstand)
• Stralingpatroon: intensiteit of stralingssterkte (1cd=1lm/sr) als functie van de richting
• Afstand kromme tot oorsprong ~ intensiteit
![Page 42: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/42.jpg)
Stralingspatroon van de lamp
![Page 43: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/43.jpg)
Alternatieve voorstelling stralingspatroon
![Page 44: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/44.jpg)
Tafel met oppervlakte 1m2 op 1 meter afstand
![Page 45: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/45.jpg)
Tafel op 1 meter afstand
![Page 46: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/46.jpg)
Illuminantiekaart van het tafeloppervlak (1lux=1lm/m2)
![Page 47: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/47.jpg)
Illuminantiekaart van het tafeloppervlak
![Page 48: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/48.jpg)
Testen van een armatuur
• Doel: vergroten van de illuminantie op het tafeloppervlak
• Gebruik een armatuur om de straling van de lamp te richten
• Eenvoudige armatuur: plaats een kap over de lamp waarvan de binnenkant sterk reflecteert
![Page 49: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/49.jpg)
Lamp met armatuur
• Kegelvormige kap, aan de bovenkant afgesloten
• Materiaal laat geen licht door
• Binnenkant van de kap is 90% volledig diffuus reflecterend (Lambertiaans: constante BRDF,
I ~ cosθ)
![Page 50: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/50.jpg)
Stralingspatroon lamp met kap
![Page 51: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/51.jpg)
Stralingspatroon lamp met kap
![Page 52: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/52.jpg)
Stralingspatronen lamp met en zonder armatuur
![Page 53: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/53.jpg)
Illuminantie tafeloppervlak
![Page 54: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/54.jpg)
Illuminantie tafeloppervlak
![Page 55: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/55.jpg)
Illuminantie met lamp zonder en met armatuur
![Page 56: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/56.jpg)
Enkele opmerkingen
• Het plaatsen van de kap vergroot de rekentijd met ongeveer een factor 40 (van ±35s tot ±25min)
• De beeldkwaliteit van de illuminantiekaart is veel beter in de tweede situatie: veel meer stralen bereiken het tafeloppervlak (van ±54000 stralen naar ±455000stralen)
• Om de beeldkwaliteit te verbeteren in de eerste situatie moeten meer stralen het tafeloppervlak bereiken
![Page 57: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/57.jpg)
Probleem
• Gevraagd: meer stralen op het tafeloppervlak
• Meer stralen laten vertrekken vanop het lampoppervlak is verspilling (batwing stralingspatroon); onrealistisch lange rekentijden, problemen met beschikbaar computergeheugen,…
![Page 58: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/58.jpg)
Importance sampling
• Elk deel van het lampoppervlak straalt volgens een hetzelfde gegeven stralingspatroon
• Raytracing: de waarschijnlijkheid dat een straal een bepaalde richting uitgaat is bepaald door dit gegeven patroon
• Raytracing met importance sampling: - een straal vanop het lampoppervlak vertrekt in een willekeurige richting
- een extra aantal stralen vertrekt in de richting van een op voorhand gekozen doelwit
![Page 59: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/59.jpg)
Importance sampling
• Extra stralen: - energiestroom is gewogen met
het oppervlakstralingspatroon- steeds voldaan aan behoud van
energie:
- soms zeer kleine energiestroom per straal: verlaag de energiedrempel waaronder een straal verwaarloosd wordt
1 aTRTR TSTSspecspec
![Page 60: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/60.jpg)
Illuminantiekaart tafeloppervlak met importance sampling
![Page 61: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/61.jpg)
Illuminantiekaart tafeloppervlak met importance sampling
![Page 62: Raytracing in lichttechnologie](https://reader036.fdocuments.in/reader036/viewer/2022062519/56815202550346895dc0439f/html5/thumbnails/62.jpg)
Illuminantiekaart met en zonder importance sampling