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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Pending
Application number
JP7057506A
Other languages
English (en)
Inventor
Atsushi Takagi
淳 高木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
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 KR1019960006952A priority patent/KR100229374B1/ko
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Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02Testing optical properties
    • G01M11/06Testing the alignment of vehicle headlight devices
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T15/003D [Three Dimensional] image rendering
    • G06T15/06Ray-tracing

Landscapes

  • 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)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (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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JP7057506A JPH08255263A (ja) 1995-03-16 1995-03-16 レイ追跡方法
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US08/616,455 US5663789A (en) 1995-03-16 1996-03-15 Ray tracing method
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