JPH08255263A - レイ追跡方法 - Google Patents

レイ追跡方法

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JPH08255263A
JPH08255263A JP7057506A JP5750695A JPH08255263A JP H08255263 A JPH08255263 A JP H08255263A JP 7057506 A JP7057506 A JP 7057506A JP 5750695 A JP5750695 A JP 5750695A JP H08255263 A JPH08255263 A JP H08255263A
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JP
Japan
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ray
equation
lens
tracking
database
Prior art date
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JP7057506A
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English (en)
Inventor
Atsushi Takagi
淳 高木
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
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Priority to US08/616,455 priority patent/US5663789A/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/06—Testing the alignment of vehicle headlight devices
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T15/00—3D [Three Dimensional] image rendering
    • G06T15/06—Ray-tracing

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Image Generation (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ランプによって照射された面の正確な照度計
算、ランプ自体の正確な輝度計算及び正確な着色状態の
解析を可能とする。 【構成】 視線から追跡されたレイはレンズ５６あるい
は、レンズ５６とリフレクタ５４の間で無限回の反射及
び屈折を繰り返すが実際に見え方に関係するのは、バル
ブ５２に当たるレイだけである。そこで、レイをしらみ
つぶしに追うことをやめ、モンテカルロ法の原理を導入
し、レイを確率的に選択して追跡する。なお、確率的に
選択されたレイは必ずしもバルブ５２に当たるとは限ら
ないが、レイを全部追跡するよりはずっと効率的であ
る。また、前記１、２、３、・・・なるレイの追跡は必
ず行い、これをモンテカルロ法のパスの一部に加えれ
ば、いっそう効率的な追跡になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はレイ追跡方法に係り、特
に、自動車のヘッドライト等のレイ追跡方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、自動車のヘッドライト等のランプ
においては、光源の光を反射するリフレクタを最初に作
っておき、その後、光源を所定に位置に配置した場合の
レイをトレースして、ヘッドライト等のランプの焦点の
位置や照射面の照度の計算をしている（照明学会誌Ｖo
l.76.Ｎo.12.pp.647 〜655 参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法では、光源の前方に配置されるレンズの存在を考慮し
ていないため、レンズとリフレクタとの複数回の反射及
び屈折が解析できず、正確な照度計算をすることができ
ない。更に、光を分光的に捉えていないため、ランプの
着色状態を正確に解析することができない。
【０００４】本発明は上記事実を考慮し、ランプによっ
て照射された面の正確な照度計算、ランプ自体の正確な
輝度計算及び着色状態の解析が可能なレイ追跡方法を得
ることが目的である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明
は、ランプによって照射される面上の所定の位置におけ
る照度、またはランプ表面上の所定の位置における輝度
または着色状態を解析するためのレイ追跡方法であっ
て、所定の位置に視点を置き視点からレイを前記ランプ
に向けて発し、当該レイのうち光源にあたるものを確率
的に選択して追跡することを特徴としている。
【０００６】また、請求項２記載の本発明は、請求項１
記載のレイ追跡方法において、モンテカルロ法を用い、
光源にあたるレイの確率的な選択を該モンテカルロ法の
パスの一部として用いることを特徴としている。
【０００７】
【作用】請求項１記載の本発明のレイ追跡方法では、レ
ンズとリフレクタにおける複数回の反射及び屈折を考慮
しつつ光源にあたるレイのみを追跡し照度計算及び輝度
計算を行う。
【０００８】また、請求項２記載の本発明のレイ追跡方
法では、モンテカルロ法を用いることにより、より少な
い計算量で照度計算を行う。
【０００９】
【実施例】本発明のレイ追跡方法の一実施例を図１〜図
３に従って説明する。
【００１０】図３に示される如く、本実施例の計算装置
１０は、自動車のヘッドライトの焦点の位置及び照度を
計算するものである。
【００１１】計算装置１０は、光の追跡を行うレイトレ
ーシング部１２と、着色計算を行うレンダリング部１４
とを備えている。レイトレーシング部１２は、条件デー
タベース１６を備えており、この条件データベース１６
には、視点とヘッドライトとの位置関係の情報が記録さ
れている。また、レイトレーシング部１２は、形状デー
タベース１８を備えており、この形状データベース１８
には、ヘッドライトの形状の情報が記録されている。
【００１２】レイトレーシング部１２は条件データベー
ス１６から、視点とヘッドライトとの位置関係の情報を
もらい、形状データベース１８からヘッドライトの形状
の情報もらい、視線から光（レイ）を発した場合のレイ
トレーシングを行うようになっている。
【００１３】図１に示される如く、ヘッドライト５０は
光源としてのバルブ５２、リフレクタ５４、レンズ５６
で構成されており、視線からヘッドライト５０の一点に
向かったレイを追跡した場合をツリーに書き直すと、図
２に示されるようになる。
【００１４】なお、図２に示されるツリーの分岐点Ｐ
１、２、・・・は、レンズ面、リフレクタ面などの境界
面に相当する。
【００１５】図３に示される如く、レンダリング部１４
は、データベース２２を備えており、このデータベース
２２には、レンズ５６とリフレクタ５４の反射率及び透
過率の情報が記録されている。また、レンダリング部１
４は、バルブデータベース２４を備えており、このバル
ブデータベース２４には、バルブ５２の発光特性の情報
が記録されている。また、レンダリング部１４は、屋外
光データベース２６を備えており、この屋外光データベ
ース２６には背景データが記録されている。
【００１６】レンダリング部１４は、レイトレースデー
タベース２０からツリー構造をもらい、データベース２
２、バルブデータベース２４及び屋外光データベース２
６から、レンズ５６とリフレクタ５４の反射率及び透過
率の情報、バルブ５２の発光特性の情報及び背景データ
をもらい着色計算を行い、その結果をディスプレイ２８
及びプリンタ３０に出力するようになっている。
【００１７】次に、本実施例の作用を説明する。図１に
示される如く、視線から追跡されたレイはレンズ５６あ
るいは、レンズ５６とリフレクタ５４の間で無限回の反
射及び屈折を繰り返すが実際に見え方に関係するのは、
バルブ５２に当たるレイだけである。ここでは、そのよ
うなレイに１、２、３、・・・と番号をふってある。従
って、このよなレイのみを計算すれば良いが、実際のヘ
ッドライト５０の構造は複雑で１、２、３、・・・なる
レイのみを確実に計算するアルゴリズムは存在しない。
【００１８】そこで、レイをしらみつぶしに追うことを
やめ、モンテカルロ法の原理を導入し、レイを確率的に
選択して追跡する。なお、確率的に選択されたレイは必
ずしもバルブ５２に当たるとは限らないが、レイを全部
追跡するよりはずっと効率的である。また、前記１、
２、３、・・・なるレイの追跡は必ず行い、これをモン
テカルロ法のパスの一部に加えれば、いっそう効率的な
追跡になる。
【００１９】次に、計算方法を説明する。今、図１に示
される視光線をＩ、前記１、２、３、・・・なるレイを
それぞれＩ(1) 、Ｉ(2) 、Ｉ(3) 、・・・とする。更に
例えば、ＩからＩ(i) に至るまでの各ノード（分岐点Ｐ
１、２、・・・）が全部でｊi 個あったとし、それぞれ
の減衰率をｆ1 (i) 、ｆ2 (i) 、ｆ3 (i) 、・・・と定
義する。
【００２０】例えば、図１において、光源Ｉ(2) を例に
とると、光源Ｉ(2) を視線から追跡した場合、レンズ表
面で透過、レンズ裏面で反射、レンズ表面で透過する。
このとき、それぞれの減衰率は、 ｆ1 (2) ＝ｔ（θ1 ） ｆ2 (2) ＝ｅ-cl1ｒ（θ2 ） ｆ3 (2) ＝ｅ-cl2ｒ（θ3 ） となる。ここで、θ1 、θ2 、θ3 はそれぞれ、レンズ
表面、レンズ裏面、レンズ表面での入射角であり、ｃは
レンズ内での減衰係数、ｒ（θ）は入射角θにおけるフ
レネルの反射率であり、ｔ（θ）＝１−ｒ（θ）であ
る。また、ｌ１、ｌ２はそれぞれ、レイがレンズ表面か
らレンズ裏面、レンズ裏面からレンズ表面へ進む距離で
ある。よって、ｅ-cl1、ｅ-cl2はそれぞれ、レイがレン
ズ内を進む間の減衰を意味する。
【００２１】光源Ｉ(2) に対しては式１の寄与がある。
【００２２】
【数１】
【００２３】従って、視光線Ｉは全ての寄与の和である
から式２となる。
【００２４】
【数２】
【００２５】今、レイを視線Ｉから光源Ｉ(i) まで追跡
するパスを考えた場合、各ノードにおいてそのパスに従
う確率をｐ1 (i) 、ｐ2 (i) 、・・・、ｐji (i) と定義
する。
【００２６】このとき、式３となる。
【００２７】
【数３】
【００２８】ところが、式４であるから。
【００２９】
【数４】
【００３０】式３は、式５の平均値Ｅ［Ｘ(i) ］であ
る。
【００３１】
【数５】
【００３２】従って、モンテカルロ法の原理によって、
式３はあるサンプルパス ｐ1 (s) →ｐ2 (s) →・・・→ｐjs (s) における変数Ｘ(s) の平均値に近似的に等しい。
【００３３】従って、式６となるＩの近似値を得る。
【００３４】
【数６】
【００３５】今、視線の輝度Ｉと減衰率ｆi (j) を波長
λの関数と考えて、それぞれ分光放射輝度Ｉ（λ）（Ｗ
・ｓｒ-1・ｍ-1・ｎｍ-1）、分光減衰率ｆi (j) （λ）
（式１）と置き換えれば、式７となる。
【００３６】
【数７】
【００３７】ただし、式８である。
【００３８】
【数８】
【００３９】Ｉ（λ）の三刺激値（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を求め
ると、式９となる。
【００４０】
【数９】
【００４１】ここで、式１０は等色関数、ｋは定数で、
式１１である。
【００４２】
【数１０】
【００４３】
【数１１】
【００４４】レンズが無色透明と見なせる場合のよう
に、減衰率ｆi (j) （λ）（式１）が波長に依存しない
場合を考えると、式１２と変形できる。
【００４５】
【数１２】
【００４６】このことはあらかじめ、式１３を計算して
おくことにより、式１２を短時間に計算することができ
ることを意味する。
【００４７】
【数１３】
【００４８】また、反射と透過は通常等確率で生じるか
ら、式１４となり、これより式１５となる。
【００４９】
【数１４】
【００５０】
【数１５】
【００５１】三刺激値（Ｘ、Ｙ、Ｚ）が求められれば、
本願発明者による特開平４−８８５８４号公報に示され
るカラーグラフィック装置を使用することにより正確な
色でＣＲＴモニタなどに表示することができる。
【００５２】なお、あらかじめバルブ５２にあたる確率
の高いレイの追跡のパスを決めておき、これらの計算結
果を加味することにより、より効果的な計算ができる。
【００５３】例えば、前記１、２、３、・・・なるレイ
のパスはレンズ５６内で複数回反射、屈折を繰り返すも
ので、Ｒ、ＴＲＴ、ＴＲＲＲＴ、・・・である。ここ
に、反射をＲ、透過をＴで表した。例えば、ＴＲＴとは
Ｉから透過、反射、透過の順に追跡することを意味す
る。
【００５４】従って、これらのパスにおける寄与式８の
計算を式１６とすれば、
【００５５】
【数１６】
【００５６】式７の代わりに式１７のように計算する。
【００５７】
【数１７】
【００５８】これにより、バルブ５２へのヒット率がい
っそう高い計算ができる。計算装置１０は、以上説明し
たレイトレーシングの結果を図３に示されるレイトレー
スデータベース２０に格納する。即ち、レイトレースデ
ータベース２０には、親ノードから各終端ノードに至る
ツリー構造が格納される。
【００５９】レンダリング部１４は、レイトレースデー
タベース２０からツリー構造をもらい、データベース２
２、バルブデータベース２４及び屋外光データベース２
６から、レンズ５６とリフレクタ５４の反射率及び透過
率の情報、バルブ５２の発光特性の情報及び背景データ
をもらい着色計算を行い、その結果をディスプレイ２８
及びプリンタ３０に出力する。
【００６０】なお、本実施例では、データベース２２、
バルブデータベース２４及び屋外光データベース２６の
記録を変更することにより、再度レイトレーシングを行
うことなく、それぞれ異種のレンズ、リフレクタ、バル
ブ、背景での着色結果を得ることができる。
【００６１】また、本実施例では、本発明のレイ追跡方
法をヘッドライトに適用した例について説明したが、本
発明のレイ追跡方法は色の付いたリヤコンビ、自動車以
外の指示灯や信号灯などレンズ、リフレクタ、バルブ、
で構成される全てのライトにに適用可能である。
【００６２】
【発明の効果】請求項１記載の本発明は、ランプによっ
て照射される面上の所定の位置における照度、またはラ
ンプ表面上の所定の位置における輝度または着色状態を
解析するためのレイ追跡方法であって、所定の位置に視
点を置き視点からレイをランプに向けて発し、当該レイ
のうち光源にあたるものを確率的に選択して追跡するの
で、計算爆発を起こすことなく、正確な照度及び輝度計
算及び正確な着色状態を解析可能であるという優れた効
果を有する。
【００６３】請求項２記載の本発明は、請求項１記載の
レイ追跡方法において、モンテカルロ法を用い、光源に
あたるレイの確率的な選択を該モンテカルロ法のパスの
一部として用いるので、少ない計算量でより正確な照度
計算及び正確な着色状態を解析可能であるという優れた
効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のレイ追跡方法を示す概略側
断面図である。
【図２】本発明の一実施例のレイ追跡方法のツリーを示
す図である。
【図３】本発明の一実施例のレイ追跡方法が適用された
計算装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 計算装置 １２ レイトレーシング部 １４ レンダリング部 １６ 条件データベース １８ 形状データベース ２２ データベース ２４ バルブデータベース ２６ 屋外光データベース ５０ ヘッドライト ５２ バルブ（光源） ５４ リフレクタ ５６ レンズ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ランプによって照射される面上の所定の
    位置における照度、またはランプ表面上の所定の位置に
    おける輝度または着色状態を解析するためのレイ追跡方
    法であって、所定の位置に視点を置き視点からレイを前
    記ランプに向けて発し、当該レイのうち光源にあたるも
    のを確率的に選択して追跡することを特徴とするレイ追
    跡方法。
  2. 【請求項２】 モンテカルロ法を用い、光源にあたるレ
    イの確率的な選択を該モンテカルロ法のパスの一部とし
    て用いることを特徴とする請求項１記載のレイ追跡方
    法。
JP7057506A 1995-03-16 1995-03-16 レイ追跡方法 Pending JPH08255263A (ja)

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KR960035184A (ko) 1996-10-24
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