| Wizualne odwzorowanie nowoczesnych fasad szklanych. Część 2 |
| Data dodania: 03.06.21 |
|
Wybór szkła stanowi jeden z kluczowych aspektów procesu decyzyjnego i projektowania przeszklonych ścian osłonowych, między innymi dla architektów, inżynierów i inwestorów.
Szeroka gama zaawansowanych technologicznie powłok i różne techniki obróbki powierzchni wraz z innowacyjnymi, inteligentnymi technologiami szklenia, takimi jak szyby o zmiennej przezierności (switchable glazing) i systemy kontroli słonecznej, oferują wiele opcji umożliwiających osiągnięcie założeń projektowych i wymagań efektywności energetycznej.
Rys. 4. Poziomy szczegółowości (level of detail LOD) dla geometrii szkła (po lewej); Eksperymentalna kompozycja szkła do cieniowania kulistej scenerii (po prawej)
Definicja geometrii Taflę szkła można przedstawić geometrycznie za pomocą trzech modeli: pojedynczej powierzchni, połowicznej powierzchni i grubego szkła.
Pojedyńcza powierzchnia (Single surface): Tafla szklana modelowana jako pojedyncza powierzchnia, często nazywana modelem cienkiego szkła, jest najbardziej wydajnym obliczeniowo modelem o sensownej dokładności, a zatem jest najbardziej powszechnym podejściem w branży budowlanej zarówno jeśli chodzi o inżynierię architektoniczną, jak i wizualizację. Jednak model ten nie uwzględnia wielu efektów świetlnych, takich jak wielokrotne załamanie i odbicie, całkowite odbicie wewnętrzne, kaustyka7 w grubym szkle, dyspersja itp.
Przybliżenie to powoduje rozbieżności między jakościowymi i ilościowymi procedurami symulacyjnymi. W symulacjach ilościowych, takich jak program Radiance, transmisyjność (transmissivity – skuteczność przekazywania energii w postaci promieniowania) zastępowana jest przez przepuszczalność (transmittance), aby uwzględnić wielokrotne odbicia światła, jak zdefiniowano równaniami Naviera-Stokesa i opisano w [15].
Jednak wzrost ten powoduje nieco jaśniejszy kolor w wizualizacjach. Dlatego w przypadku symulacji jakościowych należy zamiast tego zastosować przepuszczalność. Podczas eksportowania definicji materiału szkła w programie Radiance z modułu LBNL Optics, program automatycznie stosuje współczynnik przepuszczalności i eksportuje wartości przepuszczalności RGB.
Jednak w celu dokładnego odwzorowania kolorów w symulacjach jakościowych, wartości RGB należy wyodrębnić z danych spektralnych za pomocą współrzędnych chromatyczności CIE XYZ i przełożyć na przestrzeń kolorów sRGB, ponieważ jest to najpowszechniejszy standard w branży wizualizacji. Alternatywnie można użyć wartości RGB z pliku rad, wiedząc, że wartości te nieznacznie różnią się od rzeczywistości, w zależności od grubości szkła.
Domyślnym materiałem szklanym w programie Radiance jest uproszczony model dielektryczny zdefiniowany tylko przez wartości przepuszczalności RGB wyprowadzone z przepuszczalności (Transmittance). Materiał dielektryczny w programie Radiance może otrzymać dodatkowe dwa parametry: współczynnik załamania światła (n) i stałą Hartmanna (Hc), która opisuje, jak zmienia się współczynnik załamania w zależności od długości fali, aby zastąpić domyślne wartości dla szkła 1,5 i 0 (odpowiednio dla n i Hc), które są niezmiennymi parametrami w programie Radiance.
Oba materiały mają takie same właściwości odbicia po obu stronach szkła. Ma to swoje ograniczenia w odniesieniu do dokładnego odtwarzania właściwości optycznych nowoczesnych produktów ze szkła z powłokami selektywnymi, takich jak: powłoki niskoemisyjne, szkło elektrochromowe i ciekłokrystaliczne (zawierające ciekłe kryształy), które mają różne właściwości odbicia na stronach powlekanych i niepowlekanych.
Dlatego, aby uwzględnić określone parametry odbicia po każdej stronie, należy zastosować dwustronny model powierzchniowy BRDF. Silniki renderujące RGB na ogół nie obsługują tego typu modelu, z wyjątkiem programu Radiance, podczas gdy najbardziej zaawansowane rendery widm, takie jak program Ocean, są w stanie obsługiwać dwustronne przezroczyste materiały (z odmiennymi parametrami po obu stronach/powierzchniach).
Chociaż model sprawdza się w przypadku odległych płaskich powierzchni szklanych, jak pokazano na rys. 6 i rys. 7, nie odzwierciedla dokładnie efektów optycznych w zakrzywionym szkle pod większym kątem padania ani wielokrotnych odbić, które występują z dwóch stron tafli szkła. Odbicia te są dopiero widoczne z bliskiej odległości, powodując nasycenie (saturation) i zniekształcenie optyczne, aspekty projektowe istotne dla coraz bardziej popularnych falistych szyb.
Model ten może być używany do przedstawiania szyb zespolonych za pomocą pojedynczej lub wielu powierzchni. Rys. 4 – LOD geometrii szkła (po lewej); eksperymentalny model kompozycji szkła z kulistym zacienieniem scenerii (po prawej), definiujący odpowiednio przez LOD1 i LOD2 – rys. 4 (po lewej).
Jeśli jednak szyba zespolona jest modelowana jako materiał z pojedynczą szklaną powierzchnią, model nie będzie dostatecznie przewidywał spadku przepuszczalności przy wyższych kątach padania. Dlatego też, aby uzyskać dokładne odwzorowanie szyby zespolonej z modelem pojedynczej powierzchni, należy obliczyć kątowy BRDF - jak pokazano w [2].
Połowiczna powierzchnia (Half-Surface): ten model jest oparty na modelu pojedynczej powierzchni, ale może uwzględniać efekty grubości szkła. Obie strony szyby są zamodelowane jako pojedyncze powierzchnie z normalnymi (prostopadłymi) powierzchniami skierowanymi na zewnątrz. Aby uwzględnić prawidłowe zachowanie optyczne, każdy udział powierzchniowego współczynnika odbicia i przepuszczalności powinien zostać obliczony i przypisany do każdej powierzchni. Ponieważ mało aplikacji do renderowania nie obsługuje materiałów dwustronnych, ten model nie był brany pod uwagę w tym badaniu.
Szkło grube (Volume glass): to najlepszy model geometryczny do reprezentacji wszystkich możliwych efektów optycznych, ponieważ dokładnie przedstawia obiekty świata rzeczywistego. W przypadku szyb zespolonych model grubego szkła może mieć pojedynczą geometrię – LOD3 i wiele geometrii - LOD4 – rys. 4 (po lewej).
Jednak model ten jest droższy „w obliczeniach” od modelu powierzchniowego. Podczas definiowania właściwości transmitancji w modelu grubego szkła ważne jest, aby modelować grubość geometrii szkła w celu dopasowania do mierzonej próbki. Natomiast jeśli dokonamy zdefiniowania koloru bez zdefiniowania długości ścieżki światła, spowoduje to powstanie niewiarygodnych kolorów z powodu efektów tłumienia jako funkcji długości ścieżki światła.
Dodatkowo szkło laminowane można scharakteryzować jako pojedynczą grubość lub modelować jako wiele grubości reprezentujących każdą warstwę, w tym folie laminowane. W większości renderów, z powodu braku definicji materiału interfejsu, grubości te muszą się nieznacznie nakładać, aby przestrzegać praw zachowania energii i prawidłowo obliczyć promienie wyjściowe.
7 Kaustyka, powierzchnia kaustyczna (gr. καυστικός, ognisty) – hiperpowierzchnia będąca obwiednią wiązki promieni świetlnych rozchodzących się z ustalonego, punktowego źródła światła (lub w szczególności z punktu w nieskończoności, któremu odpowiada równoległa wiązka promieni), odbitych od innej hiperpowierzchni (mowa jest wtedy o kaustyce refleksyjnej lub katakaustyce) lub załamanych przez pewien układ optyczny (diakaustyka).
Scena została oświetlona sferycznym środowiskiem obrazów HDR, przedstawiającym słoneczne i zachmurzone niebo, z dynamicznym zakresem odpowiednio 24 EV i 6 EV. Wybrano obrazy HDR tak, aby były szczegółowe i teksturowane, aby umożliwić lepsze porównanie wszystkich analizowanych efektów optycznych i dopasowanie kolorów. Ponadto obrazy HDR mają pionową symetrię, aby zapewnić tę samą teksturę tła i odbicia do porównywania modeli powierzchni oraz grubego szkła. Widma oświetlenia obrazów HDR były neutralne i ściśle pasowały do standardowych widm CIE D65.
Wizualizację wykonano przy użyciu pełnej symulacji widm i dwukierunkowego transportu światła za pomocą modułu Metropolis w programie Ocean [16], aby zapewnić najwyższą możliwą dokładność kolorów i uwzględnić kaustykę. Ponadto planuje się, że układ eksperymentalny będzie używany w przyszłych pracach jako punkt odniesienia do innych eksperymentów ze szkłem oświetlanych różnymi typami źródeł światła o dowolnym rozkładzie widmowym i punkcie bieli.
Rys. 5. Zarządzanie kolorami i procesem symulacji
Zarządzanie kolorami
Innym ważnym aspektem w zarządzaniu kolorami i dokładnej konwersji kolorów z przestrzeni XYZ do przestrzeni sRGB jest skorelowana temperatura barwowa (Correlated Color Temperature CCT) oświetlenia, czyli tak zwany balans bieli wyrażony w [K]. Chociaż ten krok jest wykonywany po symulacji spektralnej, przepływ pracy RGB wymaga konwersji kolorów do sRGB przed symulacją – rys. 5.
Ostatnim krokiem w przebiegu symulacji jest mapowanie tonalne, które konwertuje obraz High Dynamic Range (HDR) na obraz Low Dynamic Range (LDR), odpowiedni dla wyświetlaczy. Odwzorowanie odcieni barw może być neutralne, np. korygowanie tylko luminancji pikseli bez wpływu na kolor lub może mieć efekty filmowe odtwarzające zmienione kolory, tak jak zostały uchwycone przez kamery CCD i stare filmy 35 mm.
Rysunek 5 przedstawia przegląd dwóch najczęściej stosowanych podejść do renderowania dotyczących obsługi danych widmowych: procesu pracy w modelu spektralnym i RGB. Chociaż widmowe rendery lepiej zarządzają kolorami i są w stanie symulować więcej efektów optycznych, są obliczeniowo droższe.
Z drugiej strony, rendery RGB są znacznie bardziej powszechne w branży CGI i znacznie bardziej praktyczne w zastosowaniach dla czasu rzeczywistego. Mają jednak ograniczenia w zarządzaniu kolorami i powodują niedokładności w wizualnej reprezentacji kolorów materiałów, gdy widma światła i / lub materiału mają ostre „szczyty i doliny”.
Jest jeszcze inne podejście – wykorzystujące wstępne filtrowanie widmowe i ostre barwy podstawowe w celu uwzględnienia efektów widmowych przy rozsądnych kosztach komutacji (commutation) [18]. Niestety, to sposób niedostępny w komercyjnych narzędziach renderujących i dlatego jest pomijany w przeglądzie.
Rys. 6. Próbki szkła pod bezchmurnym niebem
Rys. 6. Próbki szkła pod zachmurzonym niebem
Przy przechodzeniu przez granicę na styku środowisk promień światła jest dzielony na przesyłany i odbijany komponent. Dlatego na każdej granicznej powierzchni szkła będzie tyle odbić, ile razy odbije się światło, przejawiając się jako lekko przesunięte obrazy odbitego otoczenia. Odbicia te nie mają tego samego natężenia, a w większości przypadków liczba powierzchni będzie określać liczbę możliwych do odróżnienia odbitych obrazów. Odległość przesunięcia jest funkcją kąta padania i grubości odstępu między taflami szkła.
Efekt wielokrotnego odbicia środowiska jest bardziej widoczny na rys. 7 w LOD3 w prawym górnym obszarze kuli modułu cieniującego. W zakrzywionym szkle odbicie to jest zniekształcone. Ponieważ konfiguracja eksperymentalna zawiera ten sam model zakrzywionej kuli szklanej, wyniki pokazują równe poziomy zniekształcenia optycznego obrazu tła dla każdego poziomu detekcji we wszystkich próbkach. LOD1 i LOD2 nie wykazują żadnych zniekształceń optycznych, ponieważ model szkła powierzchniowego nie jest w stanie dokładnie odwzorować tego zjawiska, nawet przy użyciu wielu powierzchni. Aby uwzględnić ten efekt, model grubego szkła musi być używany jako pojedynczy – LOD3 lub wielowarstwowy gruby - LOD4.
Wyraźnie widać, że dla każdej dodatkowej grubości poziom zniekształceń optycznych jest wyższy i rośnie przy większych kątach padania. Efekt ten jest szczególnie ważny w przypadku zakrzywionego szkła, dlatego zaleca się stosowanie LOD3 i LOD4 przy przedstawianiu zakrzywionych geometrii szkła.
Różnice kolorów między LOD są bardzo małe przy normalnym występowaniu (blisko środka obrazu). LOD1 i LOD2 nie wykazują różnicy kolorów wraz ze wzrostem kąta padania, ponieważ nie ma tłumienia światła, które powoduje nasycenie kolorów. Zjawisko to jest widoczne dla LOD3 i LOD, w których model grubego szkła nasyca kolory, szczególnie na obrzeżach kuli, gdzie występują całkowite wewnętrzne odbicia.
Co więcej, przyszłe badania będą koncentrować się na immersyjnym (immersive) wirtualnym prototypowaniu inteligentnych fasad (automatycznie adaptujących się do zmiennych warunków zewnętrznych np. atmosferycznych) i badaniu związku między dynamicznym zachowaniem inteligentnego, przełączalnego oszklenia a interaktywną kontrolą mieszkańców w czasie rzeczywistym poprzez jednoczesną analizę aspektów jakościowych i ilościowych. Ponadto planowane jest rozszerzenie badań na inne materiały i systemy elewacyjne, takie jak tworzywa sztuczne, ETFE, systemy elewacji medialnych z diodami LED, złożone systemy okiennic i fotowoltaikę zintegrowaną z budynkiem.
Podziękowania
Artykuł został oparty na wykładzie zaprezentowanym na Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2019, która odbyła się w dniach 26-28 czerwca 2019 r. Tampere w Finlandii
Nebojsa Jakica, Mikkel Kragh - Ferro Corporation
Bibliografia:
Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
|
