当我想在我的电脑上设计一个木屋，看看它在实际光照条件下会是什么样子时，我尝试了 AutoCAD、3D Studio Max 和许多现成的家居设计软件包。它们都无法提供逼真的输出，也难以支持处理我想要的木墙。我一直在摆弄劳伦斯伯克利国家实验室 (LBL) 的一个名为 Radiance 的光照模拟软件包，并决定我可以更快地得到我想要的东西，只需向其中添加实用程序即可。

Radiance 是一个物理光照模拟系统，主要由 Greg Ward Larson 编写。它自 1990 年代初期就已存在，最近将其许可从免费用于非商业用途的许可更改为开源模式。该软件包生成外观精美的图像，以特殊格式输出，该格式记录场景的纹理和物理光照，非常像专业产品 LightScape 和 Autodesk 的 VIZ 4。

用于电影和游戏制作的软件包实际上是图形领域的垃圾食品工厂。最终结果可能具有吸引力且受欢迎，但它并不实质。对于电影和游戏制作者而言，光照的物理细节不如速度重要，因为他们有很多像素需要推送。一部两小时的电影有 172,800 个单独的帧，游戏必须实时运行。因此，在大多数图形系统中，光成为艺术算法的产物，几乎没有现实基础。

Radiance 输出被认为是光物理学的实验室质量模拟（只要您的输入是真实的），并且已经在专业领域经过严格测试。

您可以从 radsite.lbl.gov 获取 Radiance 源代码。我建议获取源代码 tarball，因为编译后的 RPM 不包含任何辅助文件。一旦您有了 tarball

$ tar xzf rad3R4.tar.gz
$ cd ray
$ ./makeall install

然后，只需回答有关您想要将软件放在哪里的问题。我使用 $HOME/radiance/bin 作为二进制文件，使用 $HOME/radiance/lib 作为辅助文件。

makeall 脚本不安装示例场景或文档，因此您也必须将这些文件移动到合适的位置。例如

$ mv doc/man $HOME/radiance
$ mv obj $HOME/radiance

请务必将这些内容添加到您的个人资料中的 MANPATH 和 PATH 变量中。一个注意事项：软件包中有一个名为 rview 的重要实用程序。不幸的是，Vim 也有一个同名的实用程序，因此请使用 PATH 修改或重命名 Vim 的 rview。请不要重命名 Radiance 实用程序，因为它会被其他 Radiance 实用程序间接调用。

Radiance 的新用户首先会注意到缺少用于生成场景描述的 CAD 系统。该软件包是 1990 年代初期在 UNIX 下为研究目的而编写的，如果您查看文件格式，很明显它们是为像我这样喜欢管道和纯文本处理能力（毕竟我的首字母缩写是 AWK）的命令行迷编写的。

然而，有一些实用程序可以将几何图形从 DXF、Wavefront 和 MGF 等格式转换过来，因此您可以使用任何可以输出此类格式的实用程序。在 linux.org 的应用程序存档中列出的许多建模器都将输出其中一种格式。如果您碰巧拥有兼容版本的 AutoCAD，Radiance 网站还提供了一个基于 Windows 的 AutoCAD/Radiance 模块，名为 Desktop Radiance。

Radiance 的输入文件是人类可读的，这使得它们非常适合脚本生成。但是，请注意：文档中的偶尔术语会使路过的物理学家心跳加速，例如“每球面度每平方米瓦特”。请务必查看网站上的所有文档。如果您决定不仅仅是玩玩，您可能需要找到 Greg Ward Larson 等人编写的 Rendering With Radiance 的副本。目前已绝版，因此请咨询二手书商。

清单 1 是一个场景，包括天空和地面、黄铜材料以及应用了黄铜材料的球体。天空和地面是标准的。您唯一需要为您自己的场景编辑的是 gensky 的选项。清单中的值对应于 11 月 25 日中午，北纬 33° 和西经 80°。南和东使用负数。

清单 1. Radiance 的示例输入场景

场景描述中的每个项目都具有相同的格式。第一行声明一个将应用于条目的现有材料（如果那不适用，则为空），材料或几何图元（如球体、多边形、塑料或金属）的类型名称以及用户定义的名称。接下来的三组是条目的字符串、整数和实数（浮点）参数。每个参数都以参数计数开头，后跟实际参数。它们可以分布在尽可能多的行上。

大多数条目只有实数参数。这解释了大多数条目中间的两个零；它们没有字符串或整数参数。黄铜最后一行中的 5 表示五个实数参数，球体最后一行中的 4 表示四个实数参数。这些参数很简单明了。例如，一个球体需要一个中心 (x, y, z) 和一个半径。

材料可能是场景中最难的部分。最简单的方法是从复制现有材料并根据您的需要进行修改开始。有关更多详细信息，请阅读网站上的 refman.pdf。

清单 1 顶部的 gensky 行是嵌入式命令行实用程序。在 Radiance 场景中，在一行的开头放置一个感叹号会告诉系统将该行作为 shell 命令运行，并将输出用作场景的一部分。Radiance 附带了许多此类实用程序，我发现编写自己的实用程序可以使场景生成快速而轻松。

大多数生成器将对象放置在原点，这不太可能是您想要的位置。xform 实用程序解决了这个问题。其语法是

xform -t transx transy transz -rx angle\
      -ry
      -s scalefactor optional_scenefile

xform 可以转换文件中的所有内容，或者您可以将生成器实用程序的输出通过管道传输到它。它可以缩放对象 (-s factor)、绕轴旋转 (-ry angle 表示绕 y 轴旋转) 和平移到新位置 (-t x y z 表示平移 x y z)。您可以多次使用不同的选项，顺序任意。操作按照它们在命令行中出现的顺序完成。此外，请务必注意生成器使用的确切默认位置。它们中的大多数都将一个角放在原点。

图 1 显示了 xform 对 genbox 生成的一组立方体的效果。在此图像中，查看器位于 +z 轴上，向后看朝向原点。红色轴为 +x，绿色为 +y。

图 1. xform 的行为。轴是颜色编码的：+x = 红色，+y = 绿色，+z = 蓝色。蓝色框未转换。红色框已旋转，然后平移。绿色框已平移，然后旋转。

蓝色框是调用 genbox 的未修改输出。红色框是相同的 genbox，带有 xform

!genbox redplastic box1 .5 .5 .5 \
    | xform -rz 45 -t 2 0 0

绿色框是

!genbox greenplastic box2 .5 .5 .5 \
    | xform -t 2 0 0 -rz 45

我编写了许多 Perl 生成器，可用于组装小木屋和木屋（以电子方式提供）。在本文中，我使用了 genlogwall、genlog 和 genroof。所有这些都以英寸为单位输出，即使它们有时以英尺为单位接受参数以便于使用。我使用的材料也包含在电子发行版中。

genlog 实用程序生成一个带帽圆柱体，沿 +x 轴居中（图 2）。它需要几个参数

genlog material name length_ft diam_inches

图 2. 来自 genlog 的未修改输出。轴以 RGB/xyz 顺序排列（R = +x，G = +y，B = +z）。x 轴在日志内部。

material 应该在您的场景中预定义，name 应该是您自己命名的。我提供的预定义材料文件有三种木材材料，针对外观正确的原木进行了定向：xpine、ypine 和 zpine。您应该选择与您的原木最终对齐方式匹配的材料。

如果您想制作一个 10 英尺高、直径 8 英寸的杆子，指向 +z，其底座位于 (15 英尺, 0 英尺, 0 英尺)，您会这样做

!genlog zpine mypole 10 8 | xform -ry 90 -t 180 0 0

请记住为 xform 使用正确的单位：180 英寸是 15 英尺。

实用程序 genlogwall 采用以下形式

genlogwall material name length_ft height_ft \
           logdiam_inches [hole_data_file]

可选参数是一个数据文件，指示墙上应该有哪些孔以及每个孔中应该有什么，例如窗户或门。此时，如果我们从图 3 中的平面图开始工作，这将有所帮助。

图 3. 小木屋的平面图。孔的尺寸是从它们出现的墙的端点测量的。

有四面墙，每面墙长 15 英尺。我选择小屋的西南角为 (0,0,0)，向东增加 x，向北增加 y，向上增加 z。根据 gensky 生成的标准天空，此方向使建筑物朝南。genlogwall 始终将生成的墙放置在 (0,0,0) 沿 x 轴的位置，如图 4 所示。

图 4. 来自 genlogwall 的非转换墙输出。轴的颜色以 RGB/xyz 顺序排列。

孔数据文件很简单。每行一个孔描述

holebottom_ft holetop_ft holestart_ft
width_ft[:w|d]

前两个数字是从地面测量的，后两个数字是从墙的起始边缘测量的（x = 0，x 增加）。末尾的可选标签指示您希望墙生成器用窗户或门填充孔。我们的平面图需要两个这样的孔描述文件（参见清单 2 和 3）。您可以对多面墙使用相同的数据文件，但前提是您希望它们具有相同的孔集。

清单 2. 南墙的孔描述文件 (holes/southwall.holes)

清单 3. 东墙的孔描述文件 (holes/eastwall.holes)

我们小屋的最后润色是屋顶。通用屋顶生成很棘手，因此 genroof 工具让您比其他工具做更多的工作。

genroof 生成屋顶的平面部分；多次使用 xform 以生成整个屋顶。

genroof 需要一个数据文件。在数据文件中，提供从平面图中读取的屋顶部分的顶点的 x-y 坐标（以英尺为单位），沿边缘逆时针顺序排列。顶点都必须在正象限中，并且任何峰的边缘都必须平行于 x 轴。

要从平面图中找出点，请旋转它，使屋顶的峰从左向右延伸。现在忽略屋顶的下半部分，并将上半部分的左下角视为您的新原点。然后您的点是 (0,0)、(21,0)、(21, 10.5) 并返回到 (0,0)。还不错。

点应每行输入一个，用空格分隔，以字母 b、mp 或 p 结尾，以指示点是位于屋顶部分的底部、中间的某个位置还是峰值。这是必要的，因为可以为不寻常的屋顶生成奇形怪状的屋顶部分。

如果您希望 genroof 实用程序用原木填充屋顶的末端，您还需要端盖的坐标。查看我们屋顶方向的平面图，您可以轻松地看到盖子应该沿着墙壁在 (3,0)®(3,7.5) 和 (18,0)®(18,7.5) 处。将此信息添加到屋顶数据文件的末尾，并以标记 c: 为前缀。小屋的完整屋顶数据文件如清单 4 所示。

清单 4. 我们的屋顶生成器的数据 (roofdata)

genroof 的命令行调用是

genroof -o overhang_ft typename name \
        roofdatafile height_ft thickness_in

overhang 参数允许实用程序调整零件的位置，以便您可以将其转换为墙的高度，而无需担心满足屋顶的坡度。清单 5 中完成的小屋场景显示屋顶部分的 z 变换与墙的高度匹配，即使悬垂部分会低于墙的顶部。

我们的屋顶是对称的，因此我们使用相同的 genroof 和不同的 xform 来制作另一半。这很容易。

清单 5. 完整小屋的场景文件

Radiance 附带一个名为 rad 的实用程序，其工作方式类似于 UNIX make。rad 的输入文件有一系列变量，告诉它您希望如何渲染场景，它会计算出如何调用用于模拟光的许多其他程序。注释示例显示在清单 6 中。

清单 6. cabin.rif：一个输入文件，告诉 rad 实用程序哪些选项和文件用于生成图片

大多数接受文件名的变量可以根据适用的文件数量定义多次。view 变量也可以定义多次。每个视图定义都会生成一张图片。您应该包括视图的名称、您想要放置眼睛的位置 (-vp viewpoint)、您想要查看的方向 (-vd view direction vector) 以及哪个方向是向上 (-vu view up vector)。我也喜欢 -vt 选项，用于生成角度（鱼眼）视图。

将 H 值与各种质量设置一起使用可能需要很长时间（在 2GHz 机器上超过 10 小时）。大多数情况下，H 设置是过度的，M 可以正常工作。交互式渲染使用 L。文档和一些实验将帮助您找出最适合您的场景的设置。

要交互式地查看场景，请使用命令

$ rad -o x11 cabin.rif

交互式查看时，场景可能显得明亮且泛白。键入 e，按 Enter，然后单击图像中的一个亮点以修复曝光。您不必等待渲染完成。

您可以随意试验曝光。Radiance 图像数据的动态范围远远超过显示器的动态范围。这意味着您最终可能会得到完全黑暗或完全白色的图像，这些图像可以调整到您的显示器，而不会丢失数据。这与普通图像文件截然不同，在普通图像文件中，过度调整亮度可能会导致永久性信息丢失。

您可以在交互式渲染时使用 L 命令从 rif 文件加载备用视图。例如，如果您的 rif 文件中有一个名为 interior 的视图，则键入 L interior 会加载它。您可以通过键入 v 并按 Enter 手动输入视图。只需回答提示即可。键入 q 并按 Enter 退出交互式渲染器。

要生成所有视图的图像，请使用

$ rad cabin.rif

然后使用以下命令查看图像

$ ximage *.pic

图 5 和图 6 显示了我们小屋的两个已完成的日光模拟。

图 5. 白天小屋的透视图，添加了一些树木以增加趣味性。在 1.7GHz 笔记本电脑上以 3300 × 2200 的分辨率渲染以获得出版质量大约需要五个小时。

图 6. 小屋内部的角视图，仅由窗户日光照明。在 1.7GHz 笔记本电脑上以 3300 × 2200 的分辨率渲染以获得出版质量大约需要五个小时。

您可以从 ximage 获取在某个区域平均的光读数。只需拖出一个框并按 L 获取亮度值或按 Enter 获取辐射率值。有关这些数字含义的快速物理教程，请参阅 www.intl-light.com/handbook/rad.html。按 Q 退出图像。

由于篇幅限制，我在本文中仅介绍了 Radiance 的一小部分。如果您想用日常生活中的杂物进一步填充您的场景，请务必查看 Radiance 网站上的家具和植物链接。