Технологии визуализации в задачах современной индустрии

ТЕХНОЛОГИИ ВИЗУАЛИЗАЦИИ В ЗАДАЧАХ
СОВРЕМЕННОЙ ИНДУСТРИИ

А. Волобой, В. Галактионов

Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, Москва, Россия

voloboy@gin.keldysh.ru, vlgal@gin.keldysh.ru

Оглавление

1. Введение

2. Применение реалистичных изображений

3. Участие в проекте МКО TC.3.33.

4. Моделирование оптических систем

5. Заключение

6. Список литературы

Аннотация

Методы компьютерной графики находят широкое применение в современном проектировании высокотехнологичных промышленных изделий. В статье приведены примеры практических задач архитектуры, автомобилестроения, авиационной промышленности, разработки энергоэффективных осветительных систем, проектирования светодиодов, с которыми авторы сталкивались в своей работе. Эти задачи стало возможным эффективно решать именно с помощью методов и алгоритмов реалистичной визуализации. Все приведенные в статье изображения и примеры моделирования были сделаны с помощью программных систем, разработанных коллективом, возглавляемом авторами.

В архитектуре с помощью компьютерного моделирования заранее возможно определить и согласовать с заказчиком архитектурного проекта не только эстетичность интерьеров помещений и внешнего вида здания, что стало уже традиционным, но и рассчитать экономичность и эргономичность его системы освещения. При проектировании рабочих и офисных помещений освещенности рабочих мест должны соответствовать существующим стандартам, в которых указаны не только минимально допустимые величины освещенности, но и такие параметры, как доля прямого света от источника в поле видимости человека («комфортность» освещения).

Класс задач, в решении которых применяются алгоритмы компьютерной графики, в автомобильной промышленности значительно шире. Схожей задачей является расчет освещения салона автомобиля, освещенности рабочих зон водителя. Важным направлением является моделирование и визуализация новых оптически сложных материалов, таких как многослойные краски со сложной микроструктурой (типа перламутровых и «металлик»). Проверка такого аспекта безопасности, как отсутствие бликов и отражений элементов салона в стеклах автомобиля, делается путем построения реалистичного изображения. Использование инструментов компьютерной графики для разработки и оценки внешнего вида фар (в разное время суток, в рабочем и выключенном состоянии) позволяет существенно снизить затраты и ускорить разработку очередной модификации автомобиля.

В самолетостроении можно выделить два дополнительных аспекта. (1) Главной особенностью моделирования освещения салона самолета является практически полное отсутствие прямого света. Правильно рассчитать освещение здесь возможно только с использованием алгоритмов глобального освещения. (2) Важным критерием проектирования кабины пилотов является хорошая читаемость приборов и устройств управления при различном освещении, которые можно проверить с помощью системы физически аккуратной реалистичной визуализации.

Следует подчеркнуть, что для решения этих задач моделирование освещения должно быть основано на физических законах распространения света. В статье описывается участие нашей программной системы реалистичной визуализации в международном независимом тестировании, где она показала результат не хуже или превосходящий конкурентов.

Созданная технология расчета распространения света оказалась столь эффективной и точной, что позволила перейти к моделированию и инженерному проектированию сложных оптических светопроводящих и осветительных систем, таких как жидкокристаллические мониторы, приборные панели автомобилей, светодиоды и осветительные системы на их основе. Конечной целью моделирования подобных систем является расчет пространственного и углового распределений яркости света выходной (светящейся) поверхности устройства. Задача заключается в том, чтобы сделать яркость на выходе максимальной и максимально равномерной по всей поверхности. Формы светопроводящих устройств бывают достаточно сложными, и производится также моделирование их оптимальной формы. Важным направлением работ явилась разработка комплексов автоматического дизайна таких оптических систем.

Светодиоды являются в последнее время наиболее эффективными и массовыми источниками света. Это порождает ряд задач их проектирования и использования. В статье приведен пример решения актуальной задачи создания белого светодиода с помощью моделирования явления флуоресценции в веществе, покрывающем излучающий элемент. При проектировании осветительных приборов на основе светодиодов сложностью являются маленькая площадь и сила свечения одного светодиода. Для достижения требуемых значений освещенности часто необходимо использовать большие массивы светодиодов, вводить вспомогательные оптические элементы (например, линзы). В статье рассмотрен пример моделирования светодиодной лампы освещения дорожного покрытия.

Ключевые слова: системы реалистичной визуализации, моделирование распространения света, моделирование оптических систем, Монте-Карло трассировка лучей.

1. Введение

Компьютерная графика изначально зародилась как эффективное и мощное средство связи между человеком и вычислительной машиной. Использование графической формы представления информации, организация диалога между человеком и компьютером с использованием визуальных образов позволили существенно увеличить скорость обработки информации человеком, что привело к повышению эффективности исследований и разработок в самых различных областях науки и техники.

Однако с появлением методов синтеза реалистичных изображений, основанных на физически корректном моделировании распространения света, область применения компьютерной графики существенно расширилась. Созданные алгоритмы и программные средства стали представлять интерес для использования в архитектуре, градостроительстве, проектировании систем освещения, в автомобильной и авиационной промышленности и др.

В статье приводится несколько примеров практических задач, связанных с построением физически корректных реалистичных изображений и моделированием распространения света в различных средах, с которыми авторы сталкивались в своей работе. Все приведенные ниже изображения и результаты моделирования были сгенерированы с помощью программных систем компьютерной графики, разработанных в ИПМ им. М.В. Келдыша РАН [1].

2. Применение реалистичных изображений

Архитектура и ландшафтный дизайн. Архитектура была одной из первых областей применения генерации реалистичных изображений виртуальных сцен. Это связано с относительной простотой виртуального представления архитектурных объектов в памяти, что в свою очередь снижает требования к ресурсам компьютера. При сильном упрощении здания могут быть представлены параллелепипедами, стены, этажные перекрытия – плоскостями. Практически отсутствуют криволинейные поверхности.

Рис. 1. Планируемое здание гостиницы.

Предварительные расчеты освещения и построение реалистичного изображения виртуальной модели существенно повышают эффективность проектирования и строительства зданий. С помощью таких расчетов заранее возможно определить и согласовать с заказчиком архитектурного проекта следующие факторы:

1) Эстетичность разрабатываемых архитектором интерьеров помещений и внешнего вида, насколько проектируемое здание «вписывается» в существующий ландшафт. На рис. 1 представлен внешний вид планируемого здания гостиницы, «вписанный» в существующий ландшафт.

2) В последние годы важным аспектом строительства любого здания является экономичность его системы освещения. Основываясь на точных расчетах освещения помещений дневным и солнечным светом, архитектор может варьировать положение и ориентацию здания относительно сторон горизонта и окружающих строений, расположение и размеры оконных проемов, лоджий и т.д. Основной целью при таком дизайне является максимальное использование естественного света (создаваемого солнцем и небом) для достижения комфортного освещения помещения при минимальных энергетических затратах на его искусственное освещение. На рис. 2 показана проектируемая комната. Видно, что солнечного света вполне достаточно для освещения помещения, и как будет выглядеть интерьер при тех или иных применяемых материалах при заданном времени суток.

Рис. 2. Расчет освещения проектируемого помещения.

3) При проектировании рабочих и офисных помещений освещенности рабочих мест должны соответствовать существующим стандартам, в которых указаны не только минимально допустимые величины освещенности, но и такие параметры, как, например, доля прямого света от источника в поле видимости человека («комфортность» освещения). Для эффективной проверки соответствия стандартам рассчитанная освещенность может быть визуализирована в виде световой карты. Световая карта – это такое же реалистичное изображение виртуальной сцены, но только физические значения освещенности представлены в ней заданными цветами («псевдо-цветами»). Правильное задание соответствия значений освещения определенному цвету позволяет сразу увидеть соответствие разрабатываемого проекта стандартам. Пример такой световой карты представлен на рис. 3.

Рис. 3. Распределение освещенности, представленное световой картой.

Автомобильная промышленность. Алгоритмы реалистичной визуализации, используемые в автомобильной промышленности, значительно сложнее тех, что сначала были разработаны для архитектурных приложений. Основными дополнительными факторами здесь являются

- наличие большого числа криволинейных поверхностей, обычно представляемых в виде сплайнов в системах САПР;

- сложные оптические свойства поверхностей; для примера достаточно сравнить внешний вид автомобильной краски «металлик», цвет которой меняется в зависимости от направлений освещения и наблюдения, и стен здания, которые в большинстве случаев являются практически диффузными.

Однако и класс задач, в решении которых применяются алгоритмы компьютерной графики, в автомобильной промышленности значительно шире. Приведем некоторые из них.

1) Задача расчета освещения салона автомобиля является схожей с задачей расчета освещения интерьеров помещений. Здесь также важными факторами являются как эффективность освещения, так и соответствие освещенности принятым стандартам.

2) Важным направлением, получившим развитие в последние годы, стало моделирование и визуализация новых оптически сложных материалов, таких как многослойные краски со сложной микроструктурой (типа перламутровых и «металлик»). Разработанные программные средства позволяют моделировать и визуализировать краски, состоящие из плоскопараллельных однородных слоев, каждый из которых составлен из прозрачного лака и взвешенных в нем пигментных частиц и интерференционных чешуек.

На рис. 4 представлен автомобиль, окрашенный такой краской, при солнечном освещении. Цвет этих красок зависит от угла зрения и направления освещения. Он может резко меняться («переключаться») даже при плавном изменении этих углов. Светорассеивающие свойства таких красок не могут быть заданы скалярными коэффициентами, а требуют более сложного описания с помощью двунаправленных функций отражения света. Другим аспектом визуального восприятия краски является освещение, она выглядит различно утром и в середине дня, при солнечной или пасмурной погоде. Гораздо дешевле смоделировать на компьютере внешний вид краски и исследовать ее при различных условиях освещения (дневной, солнечный свет, искусственное освещение), чем произвести опытную партию краски и покрасить ею реальный автомобиль. В настоящее время такой подход к моделированию красок применяется не только в автомобильной промышленности, но и для окраски большого спектра других изделий (мобильные телефоны, бытовая техника и пр.)

Рис. 4. Автомобиль, окрашенный оптически сложной
краской, при солнечном освещении.

Результаты моделирования красок оказались столь успешными, что позволили перейти к более сложной задаче моделирования и визуализации покрытий с высокой концентрацией пигментных частиц, например, при разработке новейших типов принтерных чернил. С точки зрения компьютерной графики задача визуализации принтерных чернил выглядит похожей на предыдущую. Но малые размеры частиц и их высокая концентрация полностью меняют вычислительные методы, применимые для данного случая. Вычислительная сложность связана не только с необходимостью использовать методы решения волновых уравнений для моделирования всего слоя, но и с последующим формированием внешнего вида чернил из полученного волнового решения.

3) Важным аспектом безопасности является отсутствие бликов и отражений элементов салона в стеклах автомобиля. На рис. 5 показан пример визуальной оценки нежелательных отражений, которые получаются при моделировании с заданными параметрами материалов и геометрии салона автомобиля.

Рис. 5. Визуальная оценка нежелательных отражений в
боковом стекле автомобиля.

4) В современных условиях, когда автомобильный рынок перенасыщен, и каждая фирма вынуждена бороться за покупателя, модификация внешнего вида автомобиля становится практически ежегодной. Одним из наиболее выигрышных элементов являются фары. Поэтому использование инструментов компьютерной графики для разработки и оценки внешнего вида как включенных, так и выключенных фар, в дневное и ночное время позволяет существенно снизить затраты и ускорить разработку очередной модификации автомобиля. На рис. 6 представлены внешний вид разрабатываемой фары в выключенном состоянии при дневном освещении, а также ее восприятие глазом человека, т.е. с учетом психо-физиологических особенностей глаза, во включенном (ближний свет) состоянии ночью.

Рис. 6. Внешний вид фары (слева), а также восприятие ее глазом
человека во включенном состоянии ночью (справа).

При моделировании фар также проверяется на соответствие стандартам направление и яркость получаемого светового луча. Аналогичным образом производится моделирование задних фонарей, стоп-сигналов и поворотных огней. При этом важным является правильная цветопередача красных и желтых фонарей или стекол лампочек.

Авиационная промышленность. Как и при визуализации автомобиля, в модели салона самолета мы сталкиваемся с большим числом криволинейных поверхностей, материалов и тканей со сложными оптическими свойствами, которые покрывают значительную часть элементов салона. Однако главной особенностью моделирования освещения салона самолета является практически полное отсутствие прямого света. Правильно рассчитать освещение здесь возможно только с использованием алгоритмов глобального освещения.

По данным фирмы Boeing разработка и создание внутренней отделки пассажирского самолета составляют до 60% его стоимости. Во многих случаях фирма строит прототип салона в натуральную величину, показывает представителям авиакомпаний-заказчиков, и затем модифицирует в соответствии с замечаниями. И только после утверждения прототипа он будет реализован в воздушном лайнере. Компьютерное моделирование освещения и реалистичная визуализация салона позволяет существенно сократить затраты. На рис. 7 показано изображение салона самолета Airbus A-380, созданное дизайнерами еще во время его начальной разработки.

Важным критерием проектирования кабины пилотов является хорошая читаемость приборов и устройств управления при различном освещении, которые можно проверить с помощью системы физически аккуратной, реалистической визуализации. На рис. 8 показан вариант компьютерного дизайна кабины самолета Boeing при солнечном дневном свете, а также ночью.

Рис. 7. Виртуальная модель компоновки и внутренней
отделки салона самолета Airbus A-380.

Рис. 8. Кабина самолета Boeing при солнечном
свете (вверху) и ночью (внизу).

Следует подчеркнуть, что все вышеперечисленные задачи можно решать, только если моделирование основано на физических законах распространения света и позволяет достичь приемлемой точности. Или, другими словами, если реалистичное изображение, сгенерированное компьютером по виртуальному описанию, будет соответствовать восприятию реальности человеком. Для решения этих задач мы использовали универсальную и достаточно эффективную технологию двунаправленной Монте-Карло трассировки лучей [2, 3]. Также был разработан эффективный механизм оценки точности моделирования, позволивший управлять процессом вычислений [4].

3. Участие в проекте МКО TC.3.33.

МКО – Международная комиссия по освещению [5] – является наиболее авторитетной организацией, разрабатывающей и принимающей стандарты и технологии в области цвета и света. По заданию этой организации под руководством F. Maamari были разработаны и в 2002 году опубликованы наборы аналитических тестов для программ моделирования освещения [6]. Всего было предложено 227 тестов.

Тесты были направлены на проверку того, насколько программы моделирования распространения света реально подчиняются законам оптики, в частности, для различных моделей естественного освещения. Тесты отдельно проверяли такие аспекты, как корректность задания источников света, корректное моделирование множественных переотражений и т.д. Особое внимание было уделено сложной для корректного вычисления модели, когда внутреннее помещение освещается небесной полусферой через небольшое окно (рис. 9). Для этой модели корректные результаты в разумное время можно получить практически только двунаправленной Монте-Карло трассировкой лучей.

Рис. 9. Иллюстрация к одному набору аналитических
тестов проекта TC.3.33.

Программная система моделирования освещенности, разработанная в ИПМ, участвовала в проверке этими тестами вместе с такими известными продуктами как Dialux, Genelux, Lightscape, Radiance. Результаты независимого тестирования были опубликованы в [7], где наша программная система Inspirer показала в большинстве случаев результат не хуже или превосходящий конкурентов. Общий полный результат выполнения тестов программной системой Inspirer представлен в табл. 1.

Таблица 1. Результаты сравнения вычисленных и аналитически
рассчитанных значений освещенности в тестах TC.3.33.

Ошибка между аналитическими и вычисленными значениями	Число прошедших тестов	Процент от общего числа тестов
менее 1%	119	52%
менее 3%	163	72%
менее 5%	197	87%
менее 10%	223	98%
более 10%	4	2%

Как видно из табл. 1, только 2% тестов превысили рубеж «инженерно-приемлемой» ошибки в 10%. Более половины тестов показали хорошее совпадение смоделированных результатов с теоретически рассчитанными. Это показывает, что алгоритмы, реализованные в наших программных системах компьютерной графики, действительно являются физически корректными.

4. Моделирование оптических систем

Растущие требования, предъявляемые к эргономичности и эффективности современной техники, заставляют производителей искать новые решения при проектировании оптических систем. Так для того чтобы добиться максимально равномерного и комфортного освещения экрана ЖК монитора или приборной панели, создаются сложные системы подсветки, в производстве которых используются высокотехнологичные светопроводящие элементы и устройства со сложными оптическими свойствами. Принцип работы таких устройств основан на эффекте полного внутреннего отражения. Для их моделирования практически невозможно использовать обычные детерминистические методы лучевого расчета распространения света, применяемые для расчета линзовых оптических систем. Здесь также наиболее эффективна Монте-Карло трассировка лучей.

Рассмотрим основные принципы проектирования осветительной части ЖК монитора. Свет, излучаемый люминисцентной лампой или светодиодами, поступает через входную грань в светопроводящую пластину (СПП) - основной оптический элемент системы (рис. 10).

Распространяясь внутри пластины, свет претерпевает многократные (сотни тысяч раз) полные внутренние отражения от ее поверхностей. На нижнюю сторону пластины нанесена сетка диффузных точек, либо микрорельеф, которые рассеивают падающий свет. Свет выходит из пластины через верхнюю выходную грань только в результате диффузного рассеяния от этих точек. Все остальные световые лучи падают на верхнюю поверхность пластины под углами, превышающими угол полного внутреннего отражения, что не дает возможности свету покинуть пластину. Таким образом, интенсивность выходящего светового потока в точке определяется плотностью распределения диффузной сетки (или микрорельефа) под ней и в некоторой ее окрестности.

Рис. 10. Схема функционирования системы подсветки
жидкокристаллического монитора.

Конечной целью моделирования подобных систем является расчет пространственного и углового распределений яркости света над выходной гранью устройства (помеченной красной рамкой на рис. 10). Задача заключается в том, чтобы сделать яркость на выходе максимально равномерной по всей выходной грани. Однако по мере удаления от входной грани пластины (у которой находятся лампа и рефлектор) световой поток ослабевает. Для компенсации этого эффекта плотность диффузной сетки (микрорельефа) должна постепенно возрастать слева направо.

Выше был описан простой пример моделирования системы подсветки. В реальности все обстоит гораздо сложнее. В частности, применение диффузных отражающих точек не эффективно за счет поглощения света на красителе. Типичный процесс проектирования подобных устройств включает в себя:

· проектирование источников света (светодиодов) и рефлекторов для получения максимального светового потока на входе в светопроводящую пластину (СПП);

· проектирование структуры микрогеометрии на нижней, рассеивающей, части СПП для получения пространственно равномерного распределения света над ее выходной (верхней) гранью;

· проектирование нескольких призменных слоев (BEF) для концентрации и усиления светового потока на выходе из СПП;

· проектирование диффузного и/или поляризационного фильтра (DBEF) для еще большего усиления яркости экрана в определенном направлении.

Аналогичные принципы используются при проектировании таких устройств, как приборная доска автомобиля, кнопки с подсветкой и т.д. Формы СПП для разных устройств бывают достаточно сложными, и производится также моделирование их оптимальной формы. Дополнительно нами были успешно разработаны комплексы автоматического (без участия человека) дизайна таких оптических систем [8].

Светодиоды являются в последнее время наиболее эффективными и массовыми источниками света. Это порождает ряд задач их проектирования и использования. До сих пор актуальна задача создания белого светодиода, так как изначально он излучает свет в синем диапазоне. Одна из существующих технологий – использование флуоресцентного материала для коррекции цвета. При помощи моделирования можно добиться оптимальной концентрации флуоресцентного вещества. Пример такого дизайна приведен на рис. 11.

Рис. 11. Зависимость итогового цвета от концентрации
флуоресцентного вещества.

При проектировании осветительных приборов на основе светодиодов дополнительной сложностью являются маленькая площадь и сила свечения одного светодиода. Для достижения требуемых значений освещенности часто необходимо использовать большие массивы светодиодов, вводить в проектируемые устройства такие оптические элементы, как концентрирующие линзы.

В качестве примера приведен результат проектирования оптической системы наружного освещения (более подробно этот пример рассмотрен в [9]). Схема освещения показана на рис. 12. Источники освещения, находящиеся на расстоянии 40 м друг от друга и на высоте 10 м, должны равномерно освещать дорогу шириной 7 м. Каждый из осветителей состоял из 288 светодиодов (24 ряда по 12 светодиодов), со световым потоком 100 люмен каждый. Для формирования оптимального распределения освещенности на дороге использовалась специальная система, в которой каждый светодиод имел собственную ориентацию и зеркально-линзовый элемент, формирующий распределение освещенности в заданной области дороги. Задача проектирования сводилась к нахождению параметров системы, обеспечивающую максимальную равномерность освещения дороги.

Рис. 12. Схема наружного освещения

Рис. 13. Результат проектирования осветительной системы

Результат проектирования осветительной системы представлен на рис. 13. В верхней части рисунка показаны результаты первого шага, при котором светодиоды были не ориентированы и не имели линзовой части. В результате автоматического проектирования каждый светодиод приобрел собственную ориентацию и индивидуальные параметры зеркально-линзового элемента, как показано на нижней части рис. 13. В результате проектирования минимальное значение освещенности дороги, при неизменной мощности светодиодов, было увеличено в два раза с 6.3 люкс до 12.5 люкс. При этом была достигнута приемлемая равномерность освещения.

5. Заключение

Бурное развитие промышленных технологий, появление многочисленных новых материалов с уникальными свойствами, прогресс в вычислительной технике, наблюдаемые в последнее десятилетие, существенно изменили и дополнили классическое понимание компьютерной графики как эффективного средства взаимодействия между человеком и вычислительной машиной, построенного на основе визуальных образов. Технологии компьютерной графики, ранее применявшиеся при построении изображений, оказались широко востребованными в компьютерном моделировании и инженерном проектировании высокотехнологичных промышленных изделий, разработке энергоэффективных осветительных устройств, киноиндустрии и других областях. При этом требования к реалистичности изображений, их физической достоверности и точности вычислений значительно возросли. При этом требование к скорости генерации изображения остается традиционно высоким, в идеале пользователи хотят получать изображение в реальном времени.

Работа поддержана грантами РФФИ № 11-01-00870, 12-01-00560, 13-01-00454, а также фирмой Integra Inc. (Япония).

6. Список литературы

[1] А.Г. Волобой, В.А. Галактионов. Машинная графика в задачах автоматизированного проектирования // «Информационные технологии в проектировании и производстве», № 1, 2006, с. 64-73.

[2] M. Pharr, G. Humphreys. Physically Based Rendering. From Theory to Implementation. Morgan Kauffman (Elsevier), 2004, 1019 pages.

[3] А.Г. Волобой, В.А. Галактионов, К.А. Дмитриев, Э.А. Копылов. Двунаправленная трассировка лучей для интегрирования освещенности методом квази- Монте Карло // "Программирование", № 5, 2004, с. 25-34.

[4] А.Г. Волобой, В.А. Галактионов, С.В. Ершов, Д.Д. Жданов,
И.С. Потемин, Л.З. Шапиро. Анализ точности компьютерного моделирования сложных сцен // «Информационные технологии в проектировании и производстве», № 2, 2010, с. 83-94.

[5] CIE – International Commission on Illumination,
http://www.cie.co.at/cie/index.html

[6] F. Maamari. TC.3.33. List of proposed test cases // ENTPE – France, 2002.

[7] F. Maamari, M. Fontoynont, M. Hirata, J. Koster, C. Marty, A. Transgrassoulis. Reliable Datasets for Lighting Programs Validation, Benchmark Results // Proceedings of CISBAT 2003, EPFL Lausanne, 2003, pp. 241-246.

[8] D. Zhdanov, A. Garbul, V. Mayorov, V. Sokolov, I. Potemin, T. Hyodo, A. Voloboy, V.Galaktionov. Automatic Design of Illumination Systems // Optical Review, vol. 20, no.2, 2013, p.155-159.

[9] А.А. Гарбуль, Д.Д. Жданов, В.А. Майоров, В.Г. Соколов. Применение микроструктур для моделирования и оптимизации осветительных систем, основанных на светодиодах. Труды международной конференции «Прикладная оптика», 2012.

REALISTIC RENDERING TECHNOLOGIES IN
THE PROBLEMS OF MODERN INDUSTRY

A. Voloboy, V. Galaktionov

Keldysh Institute of Applied Mathematics RAS, Moscow, Russia

voloboy@gin.keldysh.ru, vlgal@gin.keldysh.ru

Abstract

Computer graphics is widely used in the design of modern high-tech industrial products, the development of energy-saving lighting devices. The article provides examples of practical tasks of architecture, automotive, aviation industry, the development of energy-efficient lighting systems, LED design which it was possible to effectively solve exactly with the help of methods and algorithms of realistic rendering. All of the images in the article and simulation examples were made with the help of software systems developed by a team headed by the authors.

In the architecture with the help of computer simulations it is possible not only to identify in advance and agree with the customer an aesthetic interior space and exterior of the building, which is widely used application now, but also to calculate the efficiency and ergonomics of its lighting system. In the design of the office workplaces the lighting must comply with existing standards, which are not only the minimum allowable value of the illumination, but also parameters such as the proportion of direct light from the source to the field of view of a person ("comfort" lighting).

The class of problems of the automotive industry where computer graphics algorithms are applied is much wider. Calculation the car's interior lighting and lighting of driver working place is a task similar to architectural tasks. An important new area is the modeling and visualization of optically complex materials such as automotive paints with complex multilayer microstructure (such as pearlescent and “metallic"). Such safety aspect as the absence of glare and reflections in the glass elements of interior car is verified by constructing a realistic image. Using the tools of computer graphics to design and evaluate the appearance of the headlights and taillights (at different times of a day, in the operating state and switched off) can significantly reduce the cost and expedite the development of vehicle modification.

In the aircraft industry there are two additional aspects. (1) The main difficulty of the lighting simulation of the aircraft cabin is the almost complete absence of direct light. To calculate the lighting here is only possible with the use of global illumination algorithms. (2) An important criterion for cockpit design is well readability of instruments and control devices under different lighting which can be checked with the help of physically accurate realistic rendering.

It should be emphasized that for these tasks lighting simulation should be based on the physical laws of light. The participation of our realistic rendering software system in an international independent verification is described in the article. Our software showed the result as good or superior to the competition.

Established technology of the light simulation was so efficient and accurate that allowed using it in the simulation and engineering design of complex optical light guide and lighting systems, such as LCD monitors, car dashboards, LEDs and lighting systems based on them. The goal of such systems modeling is to estimate the spatial and angular distribution of the light output luminance on the device surface. The challenge is to make the output brightness of the maximum and the maximally uniform across the surface. Shapes of light guiding devices are quite complex and optimal shape design is also fulfilled on the base of lighting simulation. An important area of work is the development of systems of automatic design of optical systems.

LEDs are recently most efficient and widely used light sources. This raises a number of problems of their design and usage. The article contains the example of solution of actual problem of white LED creation using simulation of fluorescence phenomena in a matter covering the emitting element. Small emitting area and light power of LED is a complexity of design of the lighting devices based on LEDs. To achieve the required illuminance values it is often necessary to use large arrays of LEDs, impose secondary optical elements (e.g. lenses). The article presents an example of modeling the LED lamp for road lighting.

Keywords: realistic rendering software, lighting simulation, simulation of optical systems, Monte Carlo ray tracing.

References

[1] A.G. Voloboy, V.A. Galaktionov. Mashinnaya grafika v zadachakh avtomatizirovannogo proektirovaniya [Computer graphics in CAD]. Informatsionnye tekhnologii v proektirovanii i proizvodstve [Information technologies in design and manufacturing], 2006, № 1, pp. 64-73. (in Russian)

[2] M. Pharr, G. Humphreys. Physically Based Rendering. From Theory to Implementation. Morgan Kauffman (Elsevier), 2004, 1019 pages.

[3] A.G. Voloboi, V.A. Galaktionov, K.A. Dmitriev, E.A. Kopylov.
Dvunapravlennaya trassirovka luchey dlya integrirovaniya osveschennosti metodom kvazi- Monte Karlo [Bidirectional Ray Tracing for the Integration of Illumination by the Quasi-Monte Carlo Method].
Programmirovanie [Programming and Computer Software], vol. 30, № 5, 2004, pp. 258-265.

[4] A.G. Voloboy, V.A. Galaktionov, S.V. Ershov, D.D. Zhdanov, I.S. Potemin, L.Z. Shapiro.
Analiz tochnosti kompyuternogo modelirovaniya slozhnykh stsen [Accuracy analysis for computer simulation of complex scenes]. Informatsionnye tekhnologii v proektirovanii i proizvodstve [Information technologies in design and manufacturing], 2010, № 2, с. 83-94. (in Russian)

[5] CIE – International Commission on Illumination. Available at: http://www.cie.co.at/cie/index.html

[6] F. Maamari. TC.3.33. List of proposed test cases. ENTPE – France, 2002.

[7] F. Maamari, M. Fontoynont, M. Hirata, J. Koster, C. Marty, A. Transgrassoulis. Reliable Datasets for Lighting Programs Validation, Benchmark Results. Proceedings of CISBAT 2003, EPFL Lausanne, 2003, pp. 241-246.

[8] D. Zhdanov, A. Garbul, V. Mayorov, V. Sokolov, I. Potemin, T. Hyodo, A. Voloboy, V.Galaktionov. Automatic Design of Illumination Systems. Optical Review, vol. 20, № 2, 2013, pp.155-159.

[9] A.A. Garbul, D.D. Zhdanov, V.A. Mayorov, V.G. Sokolov. Primenenie mikrostruktur dlya modelirovaniya i optimizatsii osvetitelnykh sistem, osnovannykh na svetodiodakh [Application of microstructures for the LED lighting systems simulation and optimization]. Trudy mezhdunarodnoy konferentsii «Prikladnaya optika» [Proceedings of international conference «Applied optics»[, 2012. (in Russian)