Lichtsimulation
Radiance
Lichtlenkung mit RADIANCE-Photon-Mapping
Details zum Photon-Mapping-Verfahren (Englisch)

Lichtsimulation

Unterschiedliche Aufgabenstellungen erfordern unterschiedliche Werkzeuge. Für fast jede Aufgabe können wir Ihnen Simulationsdienstleistungen anbieten, die genau zu Ihren Anforderungen passen.

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Radiance

Das Lichtsimulationsprogramm RADIANCE wird am Fraunhofer ISE seit Jahren angewandt. Darüber hinaus entwickeln wir dafür Werkzeuge, um spezifische Aufgabenstellungen lösen zu können. Wir optimieren Modelle und Rechenverfahren, wir validieren die Ergebnisse durch Vergleich mit Messungen im Bestand und im Labor.

Für die Tageslichtplanung wenden wir RADIANCE für folgende Leistungen an:

• Vorabschätzung des Tageslichtpotentials aus regionalen Einstrahlungsdaten und der Geometrie von Gebäude und Umgebung
• Auswahl und Bewertung von Tageslicht-System- komponenten: Verglasungen, Lichtlenkelemente, Verschattungseinrichtungen, Blendschutzeinrichtungen, kombinierte Systeme
• Beratung und Bewertung zur Arbeitsplatzanordnung und Farbgestaltung
• Prognose und Bewertung des Tageslicht-Quotienten, des »optischen Wirkungsgrads« des Gebäudes
• Prognose und Bewertung der Tageslicht-Autonomie, d.h. des Anteils der Nutzungszeit, in dem kein Kunstlicht benötigt wird
• Auswahl und Bewertung des Betriebs der künstlichen Beleuchtung
• Prognose und Bewertung des Nutzerkomforts über Statistiken der Beleuchtungsstärke- und des Leuchtdichte-Niveaus
• Prognose und Bewertung des jährlichen Blendungsverhaltes für Büros, Verschattungseinrichtungen oder Fassadensysteme (dynamische Berechnung).

Folgende Werkzeuge wurden am ISE entwickelt und stehen zum Download bereit:

gendaylit - PEREZ Himmelsverteilung für RADIANCE

evalglare v 1.04 - source code, getestet unter Linux, Cygwin

evalglare v 1.04 - Windows Version

photon-mapping

daysim - Tageslichtkoeffizientenverfahren zur stündlichen / minütlichen Vorhersage der Tageslichtverhältnisse in Gebäuden

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Lichtlenkung mit RADIANCE-Photon-Mapping

In den vergangenen Jahren sind eine Vielzahl neuer Tageslichtsysteme entwickelt und auf den Markt gebracht worden. Dabei konnten viele Simulationsprogramme mit diesen Entwicklungen nicht in allen Bereichen Schritt halten. Diese können die Raumwirkung der meisten der neuen Systeme, aber auch der herkömmlichen Jalousiesysteme nur teilweise richtig wiedergeben.
Die Photon-Mapping-Erweiterung für RADIANCE beseitigt diese Hürde. Mit diesem Verfahren können spiegelnde oder brechende Materialien innerhalb der RADIANCE Simulationsumgebung physikalisch korrekt berechnet werden.

Die Arbeiten wurden vom BMWA mit dem Förderkennzeichen 0329037G gefördert.

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Details zum Photon-Mapping-Verfahren (Englisch)

The simulation of complex light redirecting materials in RADIANCE is ineffective due to the nature of the underlying backward raytracing algorithm, particularly with the phenomenon of caustics. Accurate simulation of caustics is particularly important in assessing glare and adds to the perceived realism.
To overcome these limitations, a photon map module has been developed by Roland Schregle at the Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems. Validating the module and examining its applicability to light redirecting materials forms the basis of his Ph.D. dissertation.

The Photon Map
The photon map is a global illumination algorithm developed by Henrik Wann Jensen as part of his Ph.D. dissertation. It is based on a particle (photon) transport simulation and models the particles' interaction with surfaces (and volumes!) in the scene.
The method consists of two steps:

• Emission of particles from the light sources and distribution in the scene.
• Localization of nearest photons to a point to determine its illumination. The irradiance is proportional to the photon density.

The photon map has gained in popularity since its inception in 1995 for a number of reasons:

• Straightforward integration into existing ray tracing environments.
• Independence of scene geometry; photons are only associated with their positions in 3D space. Thus problems with complex surfaces (e.g. procedural or even fractal) are avoided, a deficiency the popular Radiosity method has to contend with. This makes the photon map a very general construct and also enables it to be used in volumes and participating media.
• It is currently the algorithm of choice for rendering caustics.
• It is a view independent representation of the indirect illumination and can thus be previewed with an interactive walkthrough similar to a Radiosity solution.
  
  

Embedding in RADIANCE
The photon map implementation in RADIANCE currently supports the following primitives:

• Light sources: light, spotlight, glow,source.
• Gaussian: plastic, metal, trans, plastic2, metal2, trans2.
• Refracting/reflecting: glass, dielectric, interface, mirror.
• Mixtures: mixfunc, mixdata.
• Patterns: colorfunc, brightfunc, colordata, brightdata, colorpict.
• Textures: texfunc, texdata.
• Volumes: mist, antimatter.

The photon map is generated with the mkpmap utility, which simulates the photon transport for a given octree file, sorts the photons in a spatial data structure (kd-tree), and saves it to a file. The photon map file can then be (re)used for subsequent renderings with rpict.

Bias Compensating Operator
The number of photons used to reconstruct the indirect illumination from the photon map affords the user control over the quality and accuracy of the rendering by trading off between noise and bias. The bias is noticeable as smearing or blurring and can obscure details, particularly with caustics. What is actually needed is a method which adapts to the illumination. Little research has been done in this direction.
To counter the bias/noise tradeoff, a bias compensating operator was developed and incorporated into the RADIANCE photon map as an option. The operator employs a binary search for an optimal number of photons based on the likelihood that errors are due to noise or bias, since the latter cannot be determined reliably without knowing the actual illumination being approximated. This results in substantially improved contours in nonuniform indirect illumination with a slight increase in noise. The operator also compensates boundary bias (darkening at polygon edges) and chromatic bias.

Download
By popular demand: the RADIANCE photon map is now available for download !

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