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.
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