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samedi 27 juillet 2013

la simulation des halos divergent - divergent light halos simulation

la simulation des halos divergent - divergent light halos simulation

En plus des halos « naturels » produits par le soleil ou la lune, les habitants des contrées froides peuvent admirer en hiver des halos autour des sources lumineuses artificielles comme des lampadaires lorsque les cristaux de glace sont présent dans l’air au niveau du sol.

Lors de ces manifestations, les formes de halos sont modifiés par le fait que les cristaux entourent à la fois l’observateur et la source lumineuse et sont éclairés par des rayons lumineux divergents depuis la source lumineuse (alors que pour les halos naturels, les rayons lumineux sont parallèles car la source est très lointaine). Les halos prennent alors une structure tridimensionnelle. On parle alors de halos de lumière divergente.

La compréhension de ces halos est peu intuitive et une excellente lecture pour les appréhender est le livre de Walter Tape « Streetlight Halos ». La simulation de ces halos est de même beaucoup plus complexe que celle des halos naturels. A ce jour, le seul logiciel disponible pour  la simulation de ces halos est le logiciel de Lars Gislen qui utilise une approche très mathématique et géométrique.

J’ai envisagé sur une autre approche plus physique pour la simulation de ces halos. En optique, une des manière de décrire les propriétés de diffusion d’un élément est par ce que l’on appelle la BSDF (fonction de distribution de diffusion bidirectionnelle). La BSDF décrit la direction de la lumière est diffusée selon de la direction de la lumière incidente Dans le cas d’un cristal de glace, une telle fonction est en fait une série de simulations de halos sur le ciel complet.

Pour construire cette BSDF, j’ai simulé avec le logiciel HaloPoint les halos pour un cristal pour toutes les élévations solaire, de -90° à +90°. Cette simulation prend environ 5 heures pour un cristal d’une forme donnée et avec une orientation donnée. J’ai codé un programme qui simule les halos divergents de manière très simple: à partir de la position de la source, et de l’observateur, le logiciel génère un nuage aléatoire de cristaux. Pour chaque cristal, l’altitude de la source vue par le cristal est calculée et le logiciel charge dans la BSDF la simulation de halo avec l’altitude de la source correspondant. Dans cette simulation,  le pixel correspondant à la direction de l’observateur vue par le cristal est sélectionné et la valeur du RGB pixel est normalisée de manière adéquate selon les distances entre la source, le cristal et l’observateur. Enfin, le cristal est dessiné sur le champ de vision de l’observateur avec les bonnes valeurs RGB. La méthode est donc basée le chargement d’un grand nombre de simulations de halos, mais la simulation est ensuite très rapide car il n’y a aucun calcul, il faut juste prendre la valeur du bon pixel de la bonne simulation.

Les simulations obtenus sont très fines car il est facile de simuler des nuages contenant des centaines de millions de cristaux. La structure tridimensionnelle des halos est rendue par le fait que les parties proches de l’observateurs apparaissent comme quelques cristaux très brillants alors que les parties plus lointaines apparaissent comme un grand nombre de cristaux beaucoup moins brillants.

On top of natural halos produced by the sun or the moon, people living in cold areas can enjoy during the winter halos around artificial light sources like strettlights when ice crystals are present in the air at ground level.

During these displays, the halos forms are modified because the crystals are at the same time around both the light source and  the observer, and are lit by rays of light diverging from the light source (while for natural halos, rays of light are parallel because the source is very far). The halos then take a tridimensionnal structure. They are called divergent light halos.

The understanding of these halos is not intuitive, and an excellent reading to help understanding them is Walter Tape’s book « Streetlight Halos ». Simulating these halos is also much more complex than simulating natural halos. As of today, the only available software for simulating divergent light halos is Lars Gislen’s software which is based on a very mathematical and geometrical approach.

I considered a more physical approach for simulating these halos. In optics, a way to describe the scattering properties of an element is through what is called the BSDF (bidirectionnal scattering distribution function). The BSDF describes the direction of the scaterred light according to the direction of the incident light. In the case of an ice crystal, such function is indeed a serie of full sky halo simulations.

To buid this BSDF, i simulated using HaloPoint software the halos created by a crystal for all the solar elevations, from -90° to +90°. Such simulation takes about 5 hours for a crystal of a given shape and orientation. I made a program simulating divergent light halos very simply : from the position of a light source and observer, the software generates a random cloud of crystals. For each crystal, the elevation of the light source seen from the crystal is calculated and the software loads in the BSDF the full sky halo simulation with the corresponding source elevation. In this simulation, the pixel corresponding to the direction of the observer seen from the crystal is selected and the RGB pixel values is normalized according to the distances between the source, crystal and observer. Eventually, the crystal is draw on the observer field of view with the right RGB value. The method is based based on loading of a large number of halo simulations, but it is then extremely fast because there is no calculation, it is only necessary to pick up the value of the right pixel from the right simulation.

The simulations are very smooth because it is easy to simulate clouds made hundreds of millions of crystals.  The tridimensionnal structure is rendered by the fact that the halos located close to the observer are rendered by a few very bright crystals while the remote parts appears as many weaker crystals.

 Avec une source de lumière divergente, les halos sont modifiés. Les parhélies (PAR) forment une ligne horizontale continue brillante passant par la source. Les sous-parhélies (sPAR) (page 2) sont courbés et très étendus. Des nouveaux halos apparaissent comme le super-parhelie (SPAR).
With a divergent light source, halos are modified. Parhelia (PAR) form a continuous horizontal line going through the light source. The subparhelia (sPAR) (page 2) are curved and very extended. New halos appear like the super-parhelia (SPAR).
 
Avec une source de lumière divergente d'altitude 40°, l'arc circumzénithal (CZA) et l'arc circumhorizontal (CHA) sont tous les deux présents simultanément alors que pour une source naturelle, aucun des deux ne peut se former (page 109).
With a 40° elevation divergent light source, both circumzenithal arc (CZA) and circumhorizontal arc (CHA) are simultaneously present while with a natural light source, none can form (page 109).

L'arc tangent devient une colonne verticale. La partie la plus proche de l'observateur apparait comme des cristaux brillants isolés comme sur l'image de Jari Luomanen.
Tangent arc becomes a vertical column. the part located closest to the observer appears as bright isolated crystals like on Jari Luomanen's picture.

Il est aussi possible de simuler les halos divergent observés sur des pare-brise. ce cas correspond à la 3ème simulation de la page 198.
It is also possible to simulate divergent light halos observed on windshields. This case matches the 3rd simulation of page 198.


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