Luận văn nghiên cứu một số hiệu Ứng bóng và Ánh sáng trong xây dựng các Ứng dụng thực tại Ảo

Phan này trình bẩy những vẫn để cơ bản về thực tại ảo, ứng dụng thực lại áo, đồng thời cũng để cập đến một số lý thuyết cơ bên về ảnh sáng, nguồn sáng, và các mỗ hình của chúng từ đó

TRƯỜNG DẠI HỌC CÔNG NGHẸ

Trịnh Xuân Hùng

NGHIÊN CỨU MỘT SÓ HIỆU ỨNG BÓNG VÀ ÁNH SÁNG

TRONG XÂY DUNG CAC UNG DUNG THỰC TẠI ÁO

MUC LUC

Chương 1: SƠ LƯỢC VỀ THỰC TALAO VA HIBU UNG BONG - ANH SANG 6

1.1 THUC TAI AO VA UNG DUNG ¬— ¬— sees

1

1.3 Lịch sử phát triển

1.1.4 Xây dựng hệ thống thực lại áo sexy sexy ¬m-

1.2 BÓNG - ẢNH SẢNG ¬— ¬— ¬— ¬—-

1.2.1 Khải niệm ¬— ¬— ¬— — 1.2.2 Các đơn vị sử dụng trong đo lường ảnh sáng 19

1.2.3 Hàm phản phối phân xạ hai chiều XRDF sexy ses BB 1.2.4 Nguồn sảng vá phân loại nguồn sảng, sexy cose BB

1.2.5 Phương trình tô bỏng

Chương 2: MỘT SỐ HIỆU ỨNG BÓNG - ANH SANG TRONG UNG DUNG

2.1.1 Anh sang nén (Ambient) "— "— "— cee BE 2.1.2 Sw phan xa sang khuéch tan (Diffuse) sexy ses BS

3.1.3 Sự phân xạ ảnh sắng trên gương (Specular) 34

3.1.5 Cáo phương pháp tô bóng trong đỏ họa 3D(Shader) 36

3.1.6 Cải đt cài đặt các phương pháp tô bóng trong đồ họa 3D 4

Ww

2.2 HIỆU ỨNG HỎNG ĐÔ "— "—

2.2.1 Tạo bóng đỗ bằng bóng khối

2.2.2 Tao bóng đã bằng bản đồ bóng (Shadow Mapping)

Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THỨ NGHIỆM

3.1 BÀI TOÁN

ẤT CHƯƠNG TRÌNH "—

PHAN KET LUAN

TÀI LIỆU THAM KHAO

PHAN M6 DAU

Trong những năm gần đây, thực tại ảo là một lĩnh vực được quan tâm phát triển, nó đang ngày cảng chứng tỏ vai trò của rainh trong sự phát triển của công nghệ thông tín nói riêng và các lĩnh vực của dời sống, xã hội nói chung Hiện nay thực tại áo dang dược ứng dụng phố biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau, có thẻ kể đến như: Quân sự, giào dục, kỹ thuật - xây dụng, giải trí vv

Một trong những yêu câu quan trọng của các ứng dụng thực tại fo lả phâi thé

tiện theo thời gian thục các hiệu ứng báng - ánh sáng Mỗi hiệu ứng bóng - anh sáng,

lại oó những mô hình, phương pháp thể hiện khác nhau Ty vậy, chưa có một mồ hình

cũng như phương pháp nào phù hợp cho mọi đối tượng, mọi hiệu ứng, Do đó, việc tìm hiểu và nghiên cứu các hiệu ứng bóng - anh sang và bán chất của chủng là một việc cần thiết, có ý nghĩa trong xây dụng vả phát triển các ứng đụng thực tại áo nói riêng và

ting dung mô phỏng nói chung

Xuất phái từ hoàn cảnh đó, luận văn lựa chon dé lai “Nghién ciew

ng bông và ảnh sửng rang xây dựng các ứng dụng thực tại ão” nhằm hệ thẳng hòa

các mỗ lrình, phương pháp thể hiện hiệu ứng bóng — anh sang trong img dung thực tại

ảo nói riêng và trong cáo ứmg dụng mô phỏng thời gian thực nói chung

Câu trùc của luận văn bao gồm "bẩn mở đầu”, "Phần kết luận” và ba chương, nội dung, cụ thể

Chương 1: Sơ lược về thực tại ảo và hiệu ửng bong - ánh sang Phan này trình bẩy những vẫn để cơ bản về thực tại ảo, ứng dụng thực lại áo, đồng thời cũng để cập

đến một số lý thuyết cơ bên về ảnh sáng, nguồn sáng, và các mỗ hình của chúng từ đó

làm eo sở cho các nội đưng được trình bảy trong “Chương 2”

Chương 2: Một số hiệu ứng bóng - ánh sáng trong ủng dụng thực tại ảo Day là chương nội đừng chính của luận văn Nó tập trung trímh bày hai hiệu ứng chỉnh của ảnh sáng khi đến và tương tác với bê mặt đối tượng đó là “biệu ứng bóng bề mặt, và “hiệu ứng bóng để" Với mỗi loại hiệu ửng dều có những phương pháp, mô hình thẻ hiện khác nhau, mả phản nội dung nảy của luận vẫn cũng,

đề cập đến

Chương 3: Chương trình thử nghiệm Đây là chương học viên giới thiệu về một chương trình thứ nghiệm “#uấn huyện bản súng” dược xây dựng nhằm thê hiện cho các kết quá dã dược trình bảy, tổng hợp trong luận vẫn.

Chương 1:

SO LUGC VE THUC TAI AO VA HIEU UNG

BONG - ANH SANG

1.1 THUC TAI AO VA UNG DUNG

1.1.1 Khái niệm

Thuc tai ao (Virtual Reality-VR) la mot thuat ngit moi xuat hién phat trién manh

trong vòng vải năm trở lại đây, đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như y tế, giảo dục, kiến trúc, quân sự, du lịch, giải tri, Hiện nay, có nhiều định nghĩa vẻ Thực tại ảo, một trong các định nghĩa

được chấp nhận rông rãi là của C.Burdea va P.Coiffet thi co thé hiéu VR tuong đổi chinh xc nhu sau: VR-Thuc tai ao la một hệ thông giao diện cấp cao giữa Người sử dung va May tính Hệ thông nảy mô phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian

thực có tương tác với người sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác Đó là 5 giác

quan gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác vả vị giác [1], [2]

Hình 1.1 Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 32

Hay nói một cách cụ thể Ứ# là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hoá

không gian ba chiều với sự hỗ trợ của các thiết bị đa phương tiên hiện đại để xây dựng

một thể giới mỏ phỏng bằng máy tính - Môi trường ảo (#al Environment) đề đưa

người ta vào một thể giới nhân tạo với không gian như thật Trong thể giới ảo nảy,

người sử dạng không còn dược xem như người quan sát bên ngoái, mà dã thực sự trở

thánh một phần của hệ thông Thế giới nhân tạo này không tĩnh tại mả lại phan img, thay dổi theo ý muốn của người sứ dụng qua những cử chí, hành động, vv Tức lả người sử đụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên man hình rựay theo ý muôn của họ

str dung có thể tự đo chuyến động trong không gian

ta chiêu, tương tác với các vật thể ảo, quan sát và khão cứu thế giỏi ảa ở những góc độ

khác nhau vẻ mặt không gian Ngược lại, môi trường ảo lại cỏ những phản ứng tương từng với mỗi hành động của người sử dụng, tác động vào các giác quan như thị giác, thỉnh giác, xúc giáo của người sứ dụng trong thời gian thực làm người sứ dụng cỏ cản

giác như đang tỏn tại trong một thể giới thực [Ì |, [2|

Một cách lý tưởng, ngườ

1.1.2 Lịch sử phát triển

Mặc dù Thục tại ảo được mô tả như một công nghệ mới mang tinh cach mang,

nhưng ý tưởng về việc nhúng người sit dung vao một môi trường nhân tạo đã ra đời

thể giới khác với ý tưởng là hệ thống mô phông bay (Flight Simulation) Si dung các

hệ thống này người quan sát có cảm giác ảnh đang sóng động ngay trước mắt mình Tuy nhiên, do không có sự hỗ trợ về tải chính do đó 17eiig đã không thể hoàn thành

ude mo cia minh Xong anh cũng đã tạo ra được một thiết bị mỗ phỏng, nó được

goi 1a "Sensorrama Simulator", thiét bi nay duge công bổ vào khoảng đầu

những năm 1960.

F run

= —_

Hình 1.3 Thiết bị mô phỏng Sensorrama-]960

Thiet bi nay str dung hình ảnh 3D, thu duge tir camera 35mm ket hop thành: một camera chính Nó bao gồm có một hệ thống âm thanh kết hợp với những cảnh quay 3 chiêu thực sư Người nhìn có thể cưỡi một chiếc xe máy, có thể cảm thay giỏ khi chuyên đồng, thậm chí họ có thể cảm thây những đoạn đường có ö gả Mặc di đây

là một cái máy tương đổi đơn giân, và thô sơ xong nó đã mở ra nhiều ý tưởng nghiên

cửu mới chưa từng cỏ trên thế giới

Nam 1966 Ivan Sutherland mot sinh viên tốt nghiệp Trường L/ab tiếp tục

nghiên cửu vẫn đề Heilig đã bô đỡ Sutherland cho rằng cảnh quay tương tự không đáp ứng được yêu câu thực tế Anh ta bắt đâu một ý tưởng của một bộ tăng tốc đỏ hoạ, một phần quan trọng trong mô phỏng thực tại hiện đại và đã chẻ tạo được hệ thông thiết bị hién thi doi dau (Head Mounted Display-HMD) có thể kết nội toi may tinh Nam 1970,

Sutherland tiép tuc phat trién phan etmg cla HMD tai truong dai hoc Utah, lam cho nó

hoan thién hon cé man hinh la man hinh mau

Hình 1.3 Thiết bị mé phéng HMD-1970 cita Ivan Sutherland

Cũng trong khoảng théi gian nay Myron Kreuger đã phát triển một thiết bì có tên IDEOPL.4CE Thiết bị này sử dụng một mản hình lớn đối điện với người dùng

Trên mản hình hiển thị cái bóng người dùng Hẻ thông cũng có khả năng hiển thị nhieu người sử dụng trên củng một màn hình

li

Hình 1.4 Thiết bị FIDEOPILLACE-1970 của Myron Kreuger

Những ÿ tưởng nảy được hai nhà khoa học AMỹ 6 NASA la Fisher va McGreevy kết hợp lại trong mét dir an co tén 1a “Tram lam vide do” (Visual Workstation) vao năm 1984 Cũng từ đó A/4S4 phát triển thiết bị Hiển thị đội đầu có tỉnh thương mại đầu tiên, được gọi là màn hinh méi tung true quan (Visual Environment Display), thiết kế dựa trên mâu hình mặt nạ lặn với các mản hình quang học mã ảnh được cung

cập bởi hai thiết bị truyền hình cam tay Son

Watchman Su phat triển của thiết bị nảy

đã thành công ngoài dự đoán, bởi M44 đã sản xuất được một thiết bị ##MD cỏ giả chấp nhận được trên thị trường và như vậy ngành công nghiệp Thục tại ao đã ra đời

Hình 1.5 Thiết bị HMD-1984 ciia NASA

Nhưng đặc biệt công nghệ 7t từ những năm 90 trở lại đây được phát triển

mạnh mẽ và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi

trong mọi lĩnh vực như: nghiên cửu và công nghiệp, giáo dục và đảo tạo cũng như

thương mại, giải trí, tiêm năng kh tế, cũng như tính lưỡng dung trong dan dụng va

quân sự của nó [1], [2]-

1.1.3 Lĩnh vực ứng dụng

Cũng như nhiều ngành công nghệ khác, 1# chỉ thực sự được phát triển ứng dụng rộng rãi trong những năm gân đây nhờ vào sự phát triển của tin học (phần mềm

và phân cứng) Ngày nay I# đã trở thành một ngành công nghiệp và thị trường LZ

tăng trưởng hàng năm khoảng 21% và dự tỉnh đạt khoảng 3,4 tỷ $ năm 2005 (theo

Machover, 2004) Theo thông kê của Gariner (tổ chức nghiên cửu thị trường toàn cau), VR đứng đầu danh sách 10 công nghệ chiến lược năm 2009 Thị truong VR tai

Aỹ trong các lĩnh vực giáo dục phẫu thuật y khoa và một số lĩnh vực khác được ước dat 290 trigu USD vao nam 2010 (theo Newrovr.org)

Ứng dụng của thực tại ão cỏ thể thấy được rất nhiéu trong thé gidi hang ngay

của chúng ta Xét vẻ khía cạnh ứng dụng một số lĩnh vực ứng dụng chính đang có khuynh hưởng phát triển mạnh mẽ nhất chúng ta có thể kẻ đến một số lĩnh vực sau:

# Xây dựng và thiết kế kiến trúc

Một trong những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu nhật của VR la thiet ke kien tric Khả năng mô hình hoá thẻ giới thực của công nghệ I# dường như đáp ứng một cách

tự nhiên mục tiêu của ngảnh thiết kẻ kiên trúc đưa ra mô hình trực quan nhất Ví dụ,

công trình thiết kế câu mong muốn trong tương lai:

11

Hinh 1.6 M6 phéng trong thiet ké kien tric cau 3D

Việc xây dựng các mô hình không gian kiến trúc với day đủ mô tả trực quan vẻ

các hình khỏi kiên trúc của một căn nhà, cách bỏ trí nội thất bên trong, thâm chí hoa

văn cửa số hay mảu sơn của tường, củng với khả năng cho phép khách hang tự do

tham quan, khảo sát căn nhả của họ trong tương lai theo nhiêu góc độ vả vị trí, từ

phỏng này sang phòng khác thực sự đem lại hiệu quả trực quan mang tính cách mạng,

trong lĩnh vực mang nhiêu đặc điểm nghệ thuật này

Hình 1.7 Mô phỏng thiết kế kiến trúc nhà ở 3/2

"Gido duc va Đào tạo

Phát triển trên nên công nghé va ky thuat cao, VR tich hop nhimg đặc tính làm

cho bản thân nó có những tiêm năng vượt trội Cho người sử dụng cảm nhận sự hiện

diện của mình trong môi trường do máy tỉnh tao ra băng khả năng tương tác, tu trị

(4ufonomy) của người đùng trong môi trường ảo, cũng như bằng những phản hỏi tức

Hình 1.8 Ung dụng công nghệ #8 trong huấn luyện tập nhảy đủ

Tất cả những đặc tỉnh này khiển công nghệ Ứ# trở nên rất phủ hợp cho các ứng, dụng có tính chất giáo dục hay dao tao Tinh chất trực quan của bai giảng được nâng,

cao một bước lảm tăng sự hứng thủ trong học tập cũng như khả năng ghi nhớ các khái

niệm quan trọng trong bài giảng Từ đó, học viên nắm bắt được nhanh chóng và có ý: thức hơn với những tỉnh huồng đã được học

#¥ hoc

Y học là một trong những lĩnh vực ứng dụng nhiều tiêm năng trong công nghệ

ER Cho đến nay, trên thể giới ứng dụng của J# vào y học là khá phong phú, xong lĩnh vực nôi bật và thiết thực nhất là việc áp dụng thanh công nghệ L8 là giả lập giải phau (Surgical Simulation)

Trên cơ sở các kỹ thuật đỏ hoạ máy tính và Thực tại ảo, hệ thống đảo tạo y học

nảy bao gồm hai bộ phận cơ bản: Khối tương tác ba chiều là mô hình sinh thẻ ảo cho phép người sử dụng thực hiện các thao tác giải phẫu thông qua các dụng cụ giải phẫu

ảo; Khôi giao điện người dùng hai chiều cung cấp những thông tin phản hôi trực quan

từ mô hình trong quả trình giải phẫu cũng như những thỏng tin hướng dẫn trong phiên đảo tạo.

Hình 1.9 Ứng dụng công nghé VR trong đào tạo phẫu thuật ảo

Phương pháp đảo tạo có tính tương tác cao nảy mang nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống như thực hành trên m6 hinh plastic hay trên

bệnh nhân thực

Thử nhất, khác với phương pháp dùng mô hình plastic, sinh thể giải phẫu ảo có khả năng cung cấp những thông tin phản hồi sinh học một cách tự nhiên như một sinh thể sông thực, chẳng hạn như sự thay đổi về nhịp tìm, huyết áp, Điều nảy tạo cho

học viên cỏ cảm giác đang trải qua một ca mỏ trong một tình huồng thực

Thứ hai, khác với thực hành trên bệnh nhân thật, những sai lâm của học viên

trong quá trình thực tập không phải trả giá bằng những thương tôn thực trên co thé

người bệnh Điều này cũng làm giảm áp lực lên học viên khi thực hiện phẫu thuật ảo

Từ đó, giúp họ tư tin và chủ động hơn trong học tập Phương pháp này còn cho phép

các bác sĩ không ngừng nâng cao trình độ tay nghẻ, kỹ năng đặt ra những giả định vẻ

tinh huỗng bệnh nhân, cập nhật những dữ liệu bệnh lý mới đề thực hiện kỹ thuật mới trong điều trị Bác sĩ cũng có thể tự lập kể hoạch mỏ thử trên bệnh nhân ao trước khi

mồ trên bệnh nhân thật do đỏ làm tăng mức độ an toàn và hiệu quả điều trị, giảm thiểu

sai lâm rủi ro đáng tiếc xây ra

8# Thương mại - Du lịch

Trong thương mại đặc biệt la trong ngành quảng cảo công nghệ L## đang có một

vị trí quan trọng Nó giúp khách hàng tiếp cân gần hơn tới hàng hóa đẻ có thẻ đánh giá chất lượng mà không cân có hang trực tiếp, Trong du lịch các công ty có thể cho khách xem trước khách sạn, nha hang va ngắm nhìn một phân quang cảnh địa phương,

nơi khách sắp đến du lịch Tiêu biểu là Công ty Giải pháp CMTT & Truyền thông DAGINET là Công ty tại việt nam cung cap ra thị trường Việt Nam Giải pháp L7+ - Virtual Reality 360 trén trang web http:/Avww.vr360.vn

ta đã có thể xây dựng các bộ phim 3 Khi xem các phim nảy các bạn sẽ có cảm giác

như thể bạn là một nhân vật của bô phim chứ không phải bạn đang xem phim Có thể

kế đến các phim như “Ma trận", “Chú Chuột Dau Bếp”, “Đi Tìm Nê Mô" vv đặc biệt

là bộ phim gân đây có tên “4va/ar”, đây là bộ phim có doanh thu cao nhất thời đại,

tước tỉnh đoanh thu của bộ phim nảy khoảng gần 3 tỷ USD

Hình 1.11 Các logo phim dùng 3Ð ảo

Trong lĩnh vực Game có rất nhiều công ty đang sản xuất ra các trỏ chơi có sử

dụng công nghé VR Cac tr6 choi sé cho ban cé cam giác như đang thực sự tham gia

vao mét vai dién ma bạn đảm nhiém trong tr choi S6 lugng ngudi bi cuén hut theo

các trò chơi như vậy đặc biệt là giới trẻ tăng theo cấp số nhân, đánh dau tiém năng

thương mại to lớn của công nghệ L# trong lĩnh vực nảy

Hình 1.12 Hệ thông trong lĩnh vực giải trí 3

Hình 1.12 là hình ảnh của một trò chơi đua xe, một ứng dụng giải tri kha phd

biến của I7 Với hệ thông như vậy người sử dụng có thẻ dùng nỏ đề tập lái xe may

hoặc thử cảm giác mạnh khi tham gia các chương trình đua xe Tương tự như khi đi xe

thất hệ thông sẽ nghiêng khi chúng ta vào cua, sẽ xóc khi đi trên những đoạn đường gỗ ghé, âm thanh, hình ảnh của hệ thông cũng được thẻ hiện khá trung thực bằng công

nghệ đỏ họa 3D theo thời gian thực [1], [2], [3]

1.1.4 Xây dựng hệ thống thực tại ảo

Ta biết rằng hệ thông thực tại ảo là một hệ thông tương tác thời gian thực, bao

gồm hai phần chỉnh đỏ là: hệ thông phản cứng đảm nhiêm công việc tương tác giữa

người sử dụng và hệ thống (hệ thông nảy tác động lên các giác quan của người sử dụng, đồng thời cũng có thể

p cũng nhận tác động từ người sử dụng), phản thứ hai

đỏ lả hệ thống phần mềm, chịu trách nhiệm điểu khiển sự tương tác giữa người sử

dụng và hệ thống theo những kịch bản nhất định Như vậy việc xây dựng một hệ thông,

thực tại ảo phải bao gồm hai phân chính đó là: Xây dựng hệ thông phẩn cứng, và xây

phần mềm tương tác dựa trên hệ thông phân cửng đã có

dựng hệ thé

Việc thiết kết, xây dựng một hệ thông phần cứng mới hoàn toàn là một việc bất khả thị, do đó người ta thường thiết kết, xây dựng các hệ thông phần cửng thực tại ảo

n thị trường, chỉ những phần cứng có yêu cau

đặc biệt thì mới cần, có sự đầu tư, thiết kế riêng Các phản cứng phổ dụng trong lĩnh vực Thực tại ảo có thê kẻ đền:

dựa trên các thiết bị đã được cung cáp tr

Các thiết bị liên quan đến việc hiển thị như: màn hinh 3D, may chiêu 3D, các

thiết bị đội đầu HMD wy

16

Các thiết bị liên quan dén tuong tac gitia ngudi sứ dụng và hệ thông như: chuột

không gian (Space A4owse), bóng không gian (Space all, găng tay dữ liệu (2afa

Glove), ao dit ligu, hé théng định vị, hệ thông theo dõi vv

Xét về khia cạnh phân mềm, ứng đựng thục tại ảo cũng là một phần mềm do đó quá trình xây dung vả phát tiến nó cũng phải tuân theo quy trình xây đựng và phat triển phân mềm, có nghĩa là quá trinh đó phải bao pồm các pha từ khão sát (xác định bài toán), phân tích (lâm rõ yêu câu), thết kế hệ thống, xây dụng kiếm thử và triển khai

chương trình Tuy nhiên ứng dụng thực tại áo cũng có những đặc thủ riêng của nó,

‘Théng thường các đổi tượng trong hệ thống thực tại ảo là sự mö phóng lại hình đạng - lành vị của các đối tượng trong đời sống thực trên một - một số khía cạnh nhất định

(đặc biết là khia cạnh hình học vả vật lý học) De dỏ, trong mỗi khâu của quá trình này

phải bố sung thêm một số công việc nhất định

Với xác định bài toán, ngoài việc xác đính rõ yêu câu để bái cững phải làm rõ

một số vẫn để như kịch bản chưng của hệ thông, kịch bắn hoạt động, kịch bản phân

vai, kịch ban giao tiệp cho từng nhân vật, đôi tượng trong hệ thống,

Với ca phân tích chủng ta cũng phải bẻ sung thêm một số công việc như, phân

tích, xác định các nhân vật của hệ thông, phác thảo hình dạng các nhân vật trong hệ

thống, cũng như các hành đông của tùng đối tượng, nhân vat trong hệ thông Việc nảy

có thế thực hiện bằng tay trên giấy hoặc trên máy tỉnh bối các họa sỹ 272

Ca thiết kế phải bố sung thêm các quá trình đó là thiết kế mô hình cho từng nhân vật, thiết kế chuyên động cho từng nhân vật cụ thể Có thế thực hiện được công, việc này theo bai cách tiếp cận, thứ nhất là sử dụng cáo thiết bị quét 3D và các thiết bị

tạo hoạt hinh dựa trên các mô hinh thật, thử bai có thể sử dụng các phản mẻm chuyên dụng để xây đựng và tạo hoạt hình cho từng nhân vật, việc nảy được thực hiện bởi các

32, các phần mềm chuyên đụng sử dụng trong, thiết kế, xây dựng mô hình có

niu 3DSMax, Maya, Zbrush vv U1, (21, [3], [4], L5]

1.2 BONG - ANIT SANG

'Thực tại ảo là một lĩnh vực tương đối mới, nhưng lĩnh vực cơ sở quan trọng bậc nhất của nó phải kế dến đó là lĩnh vực tổng hợp và dựng hình (rong không gian 3D) Chung ta biết rằng dựng hình là một quá trình biển dỏi, nó sử dụng các quy tắc của hình học, vật lý nhằm tao ra những hình ảnh con người có thể hiểu được Đề thực hiện được công việc phức tạp này người lập trình phải hiểu và xâu chuỗi lại một loạt những kiên thức trong các lĩnh vực khác nhau từ toán học, vật lý, nghệ thuật cho đến tâm lý, sinh học và khoa học máy tỉnh Kết hợp những nguyên tắc gân như không liên quan,

sắp xếp chủng dé tao ra những chương trình tổng hợp hinh anh lả một công việc kho khăn vả vỗ củng phức tạp

Phần lớn các công việc của lĩnh vực đựng hình đựa trên các kết quả nghiên cứu

từ các lĩnh vực khác Việc liệt kê tất cả những đóng góp này vượt quá phạm vi của

luận văn, do đó trong phân đưới đây chúng tôi chỉ để cập đến mật số kết quả lý thiết về ánh sáng và các mô hình chiều sáng Đây là những lý thuyết chủ yêu, nó là cơ sở để

mé hình hỏa, thẻ hiện các hiệu ứng bóng - ánh sảng nói chung vả hiệu ứng bong - ảnh

sáng trong thục tại áo nói riêng

1.2.1 Khái niệm

Ánh sáng: là một loại bức xạ, nó có thế được hiểu, giải thích thea hai tính chất vật lý, thứ nhất là tính chất sóng điện từ trường (quang học sáng) thứ bai là tính chất

hat (quang hoe hat)

Bóng: trên thực tế bóng và ảnh sáng là hai vẫn đề liên quan mật thiết với nhau

“có ánh sảng thì mới có bóng và bông là sự thê hiện của ảnh sảng” Ảnh sàng truyền

di trong không gian khi đến một bể mặt nỏ tương tác với bề mặt, sự tương tac nay

được thể hiện thông qua hai hiệu ứng chính là “bóng bê mặt” và “báng để” có thể gợi

chung chứng là bông Hiệu ứng “bóng bê mặt" xây ra khi ánh sảng đến bê mặt và phẩm

xa lại môi trường một lượng ảnh sáng nhất dinh theo ede hướng khác nhau, trong đó có một phân đến được mắt, tác động lên hệ thân kinh thị giác, vi vậy chúng †a quan sát

được đổi tượng Theo định luật truyền thing anh sáng khi đến một bê mặt khang trong

suốt thì bị căn lại và không thẻ tiếp tục được truyền đi theo hướng đến, vì vậy mọi

diém phia sau sẽ không có sự chiều sáng từ nguồn sảng hiện tượng như vậy được gọi

là hiệu ứng “báng để”

Trong quang học sóng, ảnh sáng là một loại sóng diện từ trường đọ đỏ nỏ cũng tuân theo các định luật của sóng như định luật truyền thắng, định luật phân xạ, khúc

xạ, vv Trene trường hợp này năng lượng của ánh sáng được thế hiện hiện bằng các

đao động điện từ trường Hướng dao động điện trường và từ trưởng vuông góc với

nhau tạo ra cách ánh sáng truyền đi trong không gian Loại ánh sáng có thành phản sóng điện trường (từ trường) giao động trên một mặt phẳng cổ định được gọi là ánh

sảng “phốn cực tuyến tỉnh”, hoặc dơn giản là “phân cực” Dựa vào đặc tính phân cực

của anh sang khi di qua một số loại vật liệu nhất dịnh mà người ta đã xây dựng lên các

lệ thống hiển thị hình ảnh 32, vỉ du như hệ thông máy chiếu 3D, ti vi 3D, kính 3ï2 vv Sự xuất hiện của các thiết bị này là một rong những động lục quan trọng nhi tạo niên sự phát triển của lĩnh vực ER hiện may

18

Trong quang học hạt, nãng lượng ánh sáng dược thề hiện dưới hình thức của các hạt photon dịch chuyên trong không gian với vận tốc anh sang Mdi photon mang, một mức năng lượng nhất định, mức năng lượng nảy phụ thuộc vào tân số hay dộ dai

Đước sóng cí

ảnh sảng

Khả năng quan sát của con người với mỗi loại ánh sáng là khác nhau, bằng thực

nghiệm người ta đã chứng minh con người có khả rằng nhìn được ánh sáng với bước

sóng nằm trong khoảng (30mm - 780mm), ảnh sảng có bước sóng lớn hơn được gọi là

hồng ngoại và nhó hơn là bứ ngoại đây là những loại ánh sảng má con người không có khả năng quan sát được Khá năng nhìn của con người với mỗi loại anh sảng trong khoảng nhìn dược là không giống nhau nh 1.13 là dỗ thụ thể hiện khả năng quan sắt của con người với từng xuức sóng cụ thể của ảnh sảng,

Khả năng quan sắt của con người

Bude song anh sang (mn)

Linh 1.13, Kha ndng quan sat ciia con ngubi tong ing vdi ting muc séng

Trong đỗ họa 3 tỉnh chất sóng - hạt của ảnh sáng được trừu tượng hỏa thông, qua các quy luật, việc xây dựng các quy luật nảy phần lớa dựa vào các quy luật hình

học và các quy luật quang học Các phẫn nội dung dưới dây sẽ trình bảy một số quy

luật quan trọng, nhưng trước tiên để hiểu được các quy luật nảy chimg ta hay xem xét

một số đơn vị sử đựng rong việc đo lường ảnh sảng |], [71 I8] LH1I

1.2.2 Các đơn vị sử dụng trung đo lường ánh sang

Ảnh sảng là mệt loại bứo xa điện từ trường do đó một phép đo lường ảnh sáng, cũng là một phép đo lường búc xạ Dưới đây là một số đơn vị đo lường được sử đụng

phổ biển trong các nguyên tắc xây dựng hình ánh Đầu tiên chúng ta hãy xét đến một đơn vị không sử dụng trực tiếp trong đo lường ánh sảng đó là gác khỏi

“Góc khối

Góc khối là một khái niệm được sử đụng trong Toán học và Vật lý để nói tới

ác góc trong không gian ba chiều tương img giữa một vật thế với mệt điểm cho trước, nó tương tự với khái niệm góc sử dụng trong mặt phẳng hai chiêu Góc khối

được sử dụng để róc lượng độ lớn của vật thế tính từ một điểm quan sát cho trước,

vi dụ một vật thể nhỏ nhưng được đặt gần điểm quan sát vẫn có thể có góc khỏi lớn hơn một vật thể có kích thước lớn nhưng được đặt xa điểm quan sát Góc khối

thường dược ký hiệu là œ, đơn vị chuâm cửa nó là séeradizn (ký hiệu “sr")

Đồ lớn của góc khối được xác định bằng lỹ lệ giữa điên lich § cửa hình

khối còn có hai đơn vị không chính thức khư

(Œ lệ của điện tích bình chiếu với diện tích toàn mặt câu chiếu): đeg=(180/8)2.(sr)

và điện tích tỉ lệ = 1⁄4œ.(sr)

là độ vuông (&g3), và điện Hích tỉ lệ

rd8

rsin® db

Hình 1.14 Góc khối trong hệ tọa độ cầu

Với hệ tọa độ càu xét một hình càu bán kính z, góc khỏi cho một đơn vị điện tích mat dS' rat nhỏ của hình cầu có góc thiên đỉnh Ø và góc phương vi Ó (Hình

1.14) Ta cố:

Nhu vay:

Khi tính tích phân đe theo biển Ø và ø, ta thu được góc khối của một hình nón cỏ góc a:

o= figfind 0= x[im@lØ0= x— œœ“= x1 os (4)

Mặc dủ không phải là một đơn vị sử dụng trực tiếp để đo lường ánh sáng nhưng góc khỏi lại được sử dụng như một thành phản trong nhiều đơn vị đo lường,

vả các quy tắc của ánh sáng [6], [7] [8]

# Nang lwong biec xa (Radiant Energy)

Năng lượng bức xạ: hiểu đơn giản là lượng năng lượng (công) được vận

chuyển thông qua ảnh sảng Nó thường được ky hiéu la Q, do bang joule [J = Ws

= Nm = kgm’s*] Nang luong bức xa phụ thuộc vao số luong photon và tần số

(mức năng lượng) của các photon

21

# Thong lugng biec xe (Radiant Flux) hay Cong suat bice xg (Radiant Power)

Céng suat bức xa được ký hiệu là Ø, được định nghĩa là lượng nàng lượng bức xạ trên mãi đơn vị thời gian, đơn vị đo lường của nó là wa# W7

= D6 roi bức xạ (Irradianece) và độ tăn sắng(Radiant Exifance)

Độ rọi bức xạ và độ tốa sáng, đều lá là hai hình thức của mật độ thông lượng,

BO roi bức xạ ký hiệu Z dược tính bởi công thức

nó dai dién cho théng hrong bite xa d@ dén mét bề mặt tại một đơn vị điện tích bê

mặt đ4 Còn độ tỏa sáng được định nghĩa là thông lượng lượng bức xạ trên một

đơn vị điện tích ra khói bẻ mặt Trong dé hoa may tinh đỏ tóa sáng thưởng được

gọi là rađiocity, ký biệu thường được sử dụng để đại diện lá J(), người ta tính độ tóa sảng bởi công thức sau:

BGŒ)= |rœ.0.)eostáe (1.6)

a

Ca a6 roi bie xa va độ lỏa sing déu sir dung wél don vi do Wong 40 1h

@#m 2) Trong quang học sóng wat đô thông lượng được định nghĩa là sẵn phẩm của

điện từ trường, đo đó nó tý lệ thuận với bên độ của từng thành phản sóng điện và sóng

từ trường, vì thế nó tỹ lệ thuận với binh phương biên độ sóng ánh sáng nói chung

= Cuéng dé bite xa (Radiance)

Cường dộ bức xạ là một phép do phóng xạ, nó dặc trưng chơ lượng ảnh sảng,

đi qua hoặc phái ra từ mới khu vục cụ thể trong môi đơn vị góc khối theo mội

thưởng nhất đmh, trên một đơn vị điện tích bê mặt Chúng được sử dụng dé mé 14

ủa một bê mặt khuếch tán Đơn

cñ bức xe từ một rguỗn khuếch tán hoặc phản

vị đo của Cường độ bức xạ là wa#s trên mỗi đơn vị diện tích øẺ, trong mỗi đơn vị

góc khỏi sr:/fm 2s!) Theo tính chất của góc khối có thể suy ra rằng, trên cùng,

một đơn vị điện tích một bẻ mặt ở gân nguỗn sáng hơn sẽ nhận được nhiều nắng,

lượng hơn bề mặt ở xa, hay nói cách khác Cường độ bức xạ của cùng một đơn vị

diện tich ty 1é nghich voi khoang cach Cường độ bức xạ thường được ký luệu là ¿,

và được tỉnh theo công thức sau:

sảng và vecfor pháp tuyến của bề mật tại diễm x, đớ là thông lượng bức xạ phát ra trên dơn vị diện tích đ4, trong, don vi góc khối dev

Méi quan hé giita d6 roi bite xa (Irradiance) wa cuimg dé bite xa (Radiance)

duoc thé hiện qua công thức sau:

EQ@Q= Lea leosf 1e (L8)

Trong đó (3 ) đại điện cho bán câu câa hướng đến xung quanh vector pháp tuyển

ä 1 là cường độ bức xạ đến bề mặt tại đêm x

Radiance 14 mét đại hượng đặc biệt quan trọng trang đồ họa máy tính, vì nó

là một hing số theo đường thẳng trong không gian Đại lượng do lường này được

sử dụng trong hầu hết hệ thống rendering bao gồm cả hệ thống sử dụng kỹ thuật ray-tracers và hệ thông dỗ họa tương tác (sử dụng bộ tăng tốc đồ họa),

Cường độ sing (Intensity)

Xét một nguồn sáng điểm, giả định rằng tật cả các năng lượng bức xạ được phát ra từ một điểm đuy nhất trong không sian ba chiều, đây là một mô hình nguẫn sáng phỏ biến trong để họa máy tính Dáng tiés Radiance khang phii là một đại lượng thích hợp để xác định độ sảng của một nguồn ánh sáng, vi tổn tại một sự ký

dị tại chỉnh vị trí tâm của nguồn sảng điểm (tại đây hưởng nguồn sảng vả góc Ø là

không xác định)

Cường độ ánh sáng ƒ phải là một đại lượng mà không có kỳ đi này, vì vậy có

thế được sử dụng cho đặc trưng của ảnh sáng điểm Dựa vào (1.5) người ta đưa ra đỉnh nghĩa cường độ ánh sáng là thông lượng ánh sáng trên mỗi đơn vị góc khối

cho bởi công thức

Từ đó dễ thấy trên toàn bộ hình cảu hướng (có góc khối là 4m sr),

phải ra mức răng lượng nhứ nhan lại mọi phía số có cường độ ánh sing la: I= ?,

not nguon sang

oo

Mức phoi sdng(Radiant Exposure)

Múc phơi sáng lả một đơn vị, được định nghĩa là độ rọi bức xạ theo thời

gian đơn vị do lường của mức phơi sáng là |ffsmi”] Mức phơi sảng cũng có thể hiểu là năng lượng bức xa trên mỗi dơn vị diện tích Vỉ dụ cách dáp ứng của của

thông qua một hảm số, trong đồ họa máy tỉnh người ta sử dụng hàm phân phối phan xa

hai chiéu (bidirectional reflection distribution function duoc ky héu là BRDF) đề mô

hình hóa các đặc tinh be mat

Hình 1.15 Sự phân xạ từ một nguồn sáng đến

điểm quan sát tại một điểm trên bề mặt

Hàm phân phối phản xa hai chiéu (BRDF) 1a mé hinh phổ biên nhất của phản

xạ cục bộ, nó được định nghĩa là tỷ số giữa cường độ bức xạ D„ ra khỏi bẻ mặt tại một điểm x trên bề mặt theo huéng @ voi dé roi bie xa L, đến bẻ mặt theo hướng Ø, cho

bởi công thức dưới đây:

"`

Đơn vị đo lường của BRDF la [sr] Giá trị của BRDF xác định mức phân xa

của ảnh sảng tại bẻ mặt Tương tự như vậy cũng có một hàm sử đụng đề đặc trưng cho

mức sảng truyền qua bề mặt, đỏ là hàm phan phoi truyen qua (bidirectional

transmission distribution function duge ky héu la BTDF), Su két hop cia BRDF và

BIDF duoc goi la ham phan phéi tan xa hai chiéu (bidirectional scattering

distribution function ky biệu la BSDF).

= Anh sang phản xạ từ bể znặt có cùng tin số với ánh sáng đến bê mặt Không tính đến hiệu ứng huỳnh quang, đây là hiệu img xay ra khi bể mặt được ung nóng hoặc được chiều sáng bởi một nguồn phat, cdc electron trên bê mặt sẽ

ng

lượng S*, các elecfron ö mức năng lượng cao luôn luôn có xu huớng chuyển về mức năng lượng ban đầu (thông thưởng nỏ chỉ ở mức năng lượng cao trong khoảng,

nhận được năng lượng và chuyển lừ mức răng lượng ban đầu Sụ lên mức

thời gian từ 10”? đến 107 giây), khi chuyển từ mức năng lượng S* về Sp electron

sẽ giải phóng một lượng năng lượng đưi đạng một ø8øfon, thông thường, phofon dược giải phóng sẽ có mưức năng lượng thấp hơn mức năng lượng mmà elecfron nhận dược, sự phát quang như vậy dược gọi là hiện tượng huỳnh quang (fluorescence)

m Ánh sáng phân xa lap tire sau khi được chiếu sáng, Năng lượng không

được lưu trữ, và tái phát đưới dạng lần quang (phospborsscence) Hiện tượng lân

quang cũng tương tự như hiện tượng huỳnh quang nhưng điểm khác biệt là các

electron ở mức năng lượng cao trong một thời gian lâu hơn, thường vào khoáng vải

mili gidy, trong một số trường hợp đặc biệt thời gian tồn tại của các efeciron ở mức năng lượng cao có thể lên tới hàng phút thậm chi hang gid

"= Không cỏ phương tiên truyền thông tham gia Điều này có nghĩa ảnh sáng, truyền đi trong không gian trắng rỗng, và riêu đến tủ đó là điểm trên bể mặt, các điệu ứng xây ra lại điểm đến không bị phân tán rong đối tượng Đây là giả đi hạn chế nhất, vì nó có nghĩa là hiệu ứng khí quyền cũng như một số vật liện như đa người, thấu kính, không được thể hiện đầy đủ

Để thấy 8/2 là một ham 6 tham số trong đỏ 2 tham số bể mặt x hai tham số

xác định hướng (ð,.Øö } mỗi tham sể xảe định hưởng được xác định bởi hai góc (@

góc phương vị, Ø góc đính thiên), Nếu giá định rằng bể mặt không có kết câu nói cách khác kết câu của một bẻ mắt là dỗng nhất thì SRDE là hằng số trên toán bộ bề mặt của dối tương ta có thể giảm số chiều của hàm BRDF xudug 1a 4 tir dé lam cho việc lẫy mau, phan tich BRDF dễ dàng hơn

Số chiêu ctia BRDF cé thể được giảm tiếp bằng giả định rằng vật liệu la đằng thưởng tức hàm B2 là một hằng sẻ với mọi phép quay quanh vecior pháp tuyện của

bẻ mặt Chọn ở = đ ,Ø,), và ở = Ø đ) từ giả thiết ta có,

LGA BAS I> Vt S DLO MI 6 (diy

trong dé 4¢ la mét sé bat kỳ có được điều này lá do giá thiết //8)/2 là một hằng số với mọi phép quay quanh vecfor pháp tuyến của bể mặt Như vậy (7.71) là một hằm với hai tham số Tất cả các vật liệu không có tỉnh chat ma gid tri của BRDF la

một hằng số với mọi phép quay quanh vee#or pháp tuyển của bể mặi đều được gợi là

vật liệu dị hướng,

a Hé sé phan xa va hệ số truyền qua

Mac du BRDF la su mô tả hữu ích và đây đủ cho thuộc tính của bễ mặt, tuy vay

cỏ vải ngoại lệ xây ra, ví dụ khi tỉnh ##2# của gương hoản hảo, thì ƒ sẽ tiến dén vô củng khi tia ø là phản xạ của tia 3, vả lá Ö trong trường hợp còn lại

Một đặc trưng dịnh lượng khác cho thuộc tính phân xạ của bẻ mặt dó là hệ số phân xạ ký hiệu ø Được định nghĩa là tỉ số giữa thông lượng phân xạ và

Tương tự như hệ số phản xạ hệ số truyền qua (z) cũng được định nghĩa là tỷ lệ giữa thông lượng ánh sáng truyền qua vả thông lượng ảnh sảng nhận được tại bẻ mặt Phần ánh sáng còn lại được hấp thụ tại bề mặt tỷ lệ giữa lượng ánh sáng hấp thụ tại bê mặt và lượng ánh sáng đến bẻ mặt được lá hệ hệ số hấp thy (absorptance ky hiéu la &)

[Z@@ ->ø IeosØ đø <1 (1.14)

alt)

Luật thir hai BRDF phai tuan theo la quy tắc thuận nghịch của Helmholtz

(Helmholtz reciprocity) Quy tac nay chỉ ra rằng trên một đường thẳng ánh sáng có thể củng đến và đi má không làm thay déi gia tri eta BRDF-

Phan tich một tia sáng tới tử hướng 7 tại một điểm, trên mặt phẳng tiếp xúc

giữa 2 bề mặt có độ trơn hoàn hảo, với các chiết xuất của hai bẻ mặt lả mị, và n; như

trong Hinh 1.16

Khi mặt phẳng lả trơn hoan toan thi tia sáng tới sẽ được chia thánh hai tia mới,

một tia là tia phan xa (7), tia con lại là tia khúc xạ (7 ) Quan hệ giữa tia phan xa va tia

tới cho bởi đẳng thức: Ø = 2 (quy đắc phản xạ) Trong khi đó quan hê giữa tia khúc

xa va tia toi la: n, sin@ = 1, sin@ (ludt Snell)

bà bì

Câu hỏi dặt ra là năng lượng của tia tới dược chia ra sao cho hai thành phản, thánh phan phân xạ và thành phan khúc xạ, hay nói cách khác là hệ số phân xạ và hệ

kl

toán ;, và r phụ thuộc vào sự phân cực của tia ánh sáng tới Giả sử ánh sáng là phân

số khúc xự là bao nhiều Ký hiệu lab phan xa va r 14 te inh

xa, VIỆC

cực vá hướng của điện trường vuông góc với mặt phẳng tạo bởi vecfor pháp tuyến của mặt phẳng tại điểm dến và hưởng ánh sảng tới đó, khi đó hệ số phản xạ, và hệ số khúc

xa tương ứng là ø, vả ?” Tương tự trong trường hợp hướng của điện hưởng song

song với mặt phẳng tạo bởi vector pháp tuyến của mặt phẳng tai diém dén và hưởng,

ảnh sáng tới thị hệ số phán xạ, và hệ số khúc xạ tương ứng là g , va rl, Mresnel di

dưa ra các công thức dễ xác dịnh các hệ số này như sau:

cực, có nghĩa hướng điện (Hi) trường là ngẫu nhiên hệ số phân xạ của ảnh sảng sẽ

được tính là trung bình của hệ số phản xạ trong hai trường hợp seng song và

Hinh 1.17 la biéu dé iên hệ số phân xạ của ảnh sáng không phân cực cho

bẻ mặt tiếp xúc giữa không khí có chiết xuất (n~l), và môi trường kính có

chiết xuất (n=1.5)

Hinh 1.17 Phan xa tai bé mat gitta kinh va không khí

Những công thức phía trên mô tả hệ số phán xạ, truyền qua tại một bẻ mặt phẳng trơn tuyệt đối Tuy nhiên trong thục tế tắt cá các bể mặt đều là xắp xí, do đó ảnh

sáng phản xạ và khúc xạ theo mọi hưởng trong bản cầu đến tại điểm đang xét Trong

(1.21) có thể äp dụng Hệ số phân xạ của toàn bộ bể mặt phụ thuộc

1.2.4 Nguồn sáng và phân loại nguôn sáng

Nguồn sảng lá mọi thứ bức xạ ra ảnh sáng, muốn quan sát được các sự vật trong,

thế giới phải có nguồn sáng, Trong thổ giới tự nhiên cỏ nhiều ngoồn sảng khác nhau như: Mặt trời, đốm lửa, bóng điện, đền, nến hoặc nguồn sáng không trực liếp như gương, các vật kim loại bóng khi bị chiếu sáng vv Vậy la có thể phân loại nguồn

sáng theo nhiều tiêu chí khác nhau vi đu như: Phân loại theo tiêu chỉ khả năng phát sáng ta oó thế chia lam hai loại như sau:

= Nguồn phát sáng: là các nguồn sáng tự phát ra tia sáng vi dụ như mặt tròi, bỏng đến, ngọn nên vv Trong dỏ họa 3/2 thời gian thực chủng †a chỉ xét đến loại

nguồn sảng nảy mà thôi

= Nguồn sang phân chiếu: là nguồn sảng mà ánh sáng xuất phát từ đó là ảnh

sảng phân xạ của các nguồn phái khác Ví dụ gương hoặc mặt nước, các vật kừm

29

loại cỏ độ bóng cao vvv [rong nguồn sảng loại nảy cũng có thể phân thành các dạng khác nhau như nguồn sảng phản xa lập tức, hay nguồn luỳnh quang, nguồn lân quang wv

Khi phân loại nguồn sáng đựa trên tiêu chí kích thuốc, không gian, và phạm

chiều sáng, chúng ta có thể phân nguồn sáng thành các loại như sau (đây chính là cách phân loại nguồn sáng của hầu hết các hệ thông reader):

= Nguồn sang điểm (pozw lighÐ: là nguồn phát sáng từ một điểm đuy nhất trong không gian, hướng phát sóng của nguồn sảng là toàn bộ binh cầu hưởng bao quanh diễm đỏ, cường độ sáng tại mợi hướng là như nhau Tử công thức (7.9) ta

tỉnh được cường độ sáng của loại nguồn sảng nay la 77 Pan Vi nguồn sáng xuất

phát từ một điểm, và tới mọi hướng khác nhau trên toàn bộ hình cầu hưởng, theo đặc tỉnh góc khổi (rình bảy trong phẩn 1.2.2) có thể khẳng dịnh rằng; một diém bắt kỳ trên bể mặt sẽ nhận dược một mức nắng lượng tỷ lễ nghịch với bình phương khoảng cách từ nó tới điểm phát

= Nguồn sáng song song (direction light) day 1a mét loại nguồn sáng đặc biệt, các tia sáng được chiếu đi song song với nhau do đó tại mọi điểm sẽ nhận

được một lượng năng lượng như nhau Mặt trời có thể là một vi dụ điển hình cho loại nguồn sáng nay, người †a cũng tạo ra nhiều loại nguồn nhân tạo nhằm chiếu

ánh sảng đi xa vi dy dén pha, dén pin wv

= Nguồn sang diém nhưng bị giới hạn phạm vị phát theo một hướng, một

góc khối nhất định (spo fight)

Đó là ba loại nguồn sáng sử đụng rất phố biên trong mé hinh render six dung thiết bị tăng tốc đổ họa Còn có một số loại nguồn sáng không phổ đụng khác như nguén sang phát từ một đổi tượng, nguồn sảng song song có hạn chế ví dụ một nguồn

trung cho 1a các sự phân xa trong cảnh, phương trình nảy được gọi la phương trình

16 bóng (hiểu lúc dược gọi là phương trình zenđe) Phương hình tô bóng được

Kajiva dua ra lan dau tién vao mim 1986

với cường độ bức xs phân xu khi bể mặt được chiếu sáng bồi cáo nguồn sáng,

De sử dung hàm BRDF nên có một sẽ vấn để trong phương trình tô bỏng trên,

như đã trỉnh bày trong mục (1.2.3.), đó là nó không eó khả năng thể hiện được các hiệu

ng như huỳnh quang, lần quang, truyền qua một mỏi trường truyển không phải là

chân không vv

Phương trình bóng (7.22) đặc trưng cho các phán xạ mang tỉnh toán cục (chiếu

sang toan cục), do dõ về một lý thuyết nó cũng có thé sứ dụng dễ tính toàn cho cả việc

khi x

nguồn gián tiếp độ phúc tạp tính toan của hệ thống sẽ là vô cùng kớm, không có khả

sảng từ cáo nguồn giản tiếp Irong cảnh Tuy nỶ

sự chiếu sáng lừ

răng đáp ứng thời gian thực, đo đó đa số các thiết bị tầng tốc đồ họa ngày nay chỉ hỗ

trợ cho 3 loại nguằn sáng đơn giản (trình bày treng mục 1.2.4) Nếu chỉ với ba loại

nguồn sáng này chúng ta có thể viết lại công thức (/.22) dưới đạng đem giản

hơn như sau:

12 )=1,08 1+ 3) G2 — 8 \ 01G, Loos0i,2) | (1.23)

a

Trong dé J, là cường dộ của nguồn sảng thử j, và ø j, là cường dộ bức xạ tai diém x chơ bôi nguồn sáng thứ ý Với nguồn sáng diễm (point light), va (spot light) ta có

67, với nguồn sáng song song g là hằng số: g—wám”, với w là công suất phát sảng,

của nguồn sảng tính bằng @#), r là khoảng cách lừ điểm trên bể mặt tới điểm phải

sáng, mử là điện tích hình chiếu cắt vuông góc với hướng chiến sáng, thông thường ø

được cho là hằng số Lưu ý với công thức (7.22) va g được cho như trên có nghĩa chúng ta đã giả định rằng mọi điểm trên bề mặt đều được chiếu sáng, hay nói cách khác là chúng đều nhìn thấy nguồn sáng mà không bị che khuất bởi bắt kỳ điểm nao 'Tuy vậy cũng có thể xứ lý để thể hiện được hiệu ứng bóng 46 néu ching ta chuyển g thành g 4,0 gít,Ø*v,0, trong đỏ víx,jÿJ bằng 0 nếu tại diểm x không quan sat dược nguồn sảng ¿ và bằng ] trong trường hợp ngược lại |6|, |7

31

Chương 2:

MOT SO HIEU UNG BONG - ANH SANG

TRONG UNG DUNG THUC TAI AO

2.1 HIEU UNG BONG BE MAT

Tiiệu ứng bóng bẻ mặt xây ra khi ảnh sảng đến bè mặt, vả phản xạ khuếch tán

theo các hướng khác nhau trở lại môi trường, trong đó có một phần đến được mắt (điểm quan sat) Như vây việc tỉnh, thẻ hiện hiệu ứng bóng bẻ mặt chỉnh lả việc tính cưởng độ bức xạ từ điểm trên bề mặt đối tượng khi nỏ được chiêu sáng bởi các nguồn sáng khác nhau đền điểm quan sắt

Ta biết rằng mô hinh BRĐE lả mô hình phân phổi phản xạ hai chiều phỏ bien

nhất hiện nay, mặc dủ nó phản ánh được gân như đây đú hiệu ứng phản xạ của anh sáng tại bề mặt (liệu ứng bóng bề mặt) Tuy nhiên ứng dụng BRDF trực tiếp cho mọi

loại đổi tượng là công việc không kha thi, vi các tham số của hãm nay là lớn vả không,

dé dàng lấy mẫu, và dù cho việc lây mâu là để dàng đi chăng nữa thì việc lưu trữ, và

xử lý cho từng điểm cũng vẫn là công viếc vô củng phức tạp Do đỏ, người ta phân

hiệu ứng ánh sảng tại bề mặt thành các lớp hiệu ứng cụ thê khác nhau theo tiêu chí sao cho gia tri B8RDF tương ứng sử dụng ít tham số, các tham số phải đơn giản trong việc hiệu chỉnh, hoặc có thẻ chọn bằng cách ước lương tự đông, Dưới day lả các lớp mô

hình phân xạ phỏ biến, đặc trưng cho các lớp hiệu ứng bóng bẻ mặt cơ bản

Hình 2.1 Các hướng đến, đi của tia sáng, hưởng nhinh va

các hướng liên quan tại một điểm trên bê mặt

Hình 2,1 dịnh nghĩa các vecfor cơ băn mà chúng ta sẽ sử dụng trong toàn bộ mục này Trong đỏ ä là veøfor pháp tuyển của mặt phẳng tại điểm đang xéi, ÿ là

vector hướng quan sát, Ï là hưởng cluếu sáng, #=(ÿ+ )/ÿ+ | trung bình cúa hướng, nhin va hưởng chiếu sáng, F =2 *đo/Ÿ,ñ) “ñ — ` là hưởng phân xạ của ảnh sảng (ham dot là tích võ hướng của 2 vector), 7 là tiếp tuyến tại điểm đang xét, tiếp tuyển lả vuông gốc với pháp tuyến do đó ¿ có thể xác dịmh là các vee(or vuông góc với pháp tuyến tại điểm quan sắt

2.1.1 Anh sang nén (Ambient)

Bing cach xem xét một nguồn sảng giản tiếp, giá định rằng vật thể của chủng ta đước chiếu sáng bằng, nguồn sáng gián tiếp không xuất phát từ một nguồn sáng riêng,

biệt nào, mã xuất phát từ mọi hướng, đây dược gợi là ảnh sang nén (background), anh

sảng dược phân chiếu từ tường, sản, tran wv Ta giả sử ảnh sóng lá đồng bỏ và cùng

như nhau ở 1uọi nơi trong mọi chỗ, không có những chủmn sáng, không có hướng đặc biệt nào được ưu tiên Giá sử ánh sáng chiến ở mọi hướng tới bề mặt là như nhau như

vậy mọi điểm trên bê mặt sẽ nhận được một lượng anh sáng như nhau

Giả sử nếu một ít trong số năng lượng đó bị háp thụ bởi bê mặt trong khi số còn

lại sẽ được tái phát sàng (phản xạ lại môi trường), tỷ lệ giữa lượng ảnh sảng được phản

chiếu từ bê mặt và toàn bộ ảnh sảng dén gọi là hệ số phán chiếu (bệ số phan xạ) Mỗi

bé mặt mẫu trắng, sẽ phản chiều trở lại gần như toàn bộ năng lượng mà nó nhận được,

xám sẽ có

khí đó phân ánh sảng mẫu đỗ sẽ được phân chiếu từ vật thê nhiều hơn rong khi đó

phần ảnh sing con Jai Jai bi bap thụ nhiều hơn, do đó ta sẽ quan gắt được vật thể có mẫn đỏ Nếu ta sử đụng một biếu đổ thế hiện mẫu đẻ biểu diễn, tạo bởi timg mẫu thành phần (đỏ, xanh lục, xanh lam), ta sẽ phải chỉ ra 3 giá trị hệ số tương ứng cho 3 thành phân màu Nhưng để đơn giản hãy thử xem xét việc biếu điễn mẫu sắc là mức xám Vậy xét một bễ mặt với hệ số phản xạ đồng nhất &„ lượng ánh môi trưởng là đồng, cêu khi dó cường độ của một điểm trên bê mặt dược tỉnh theo công thức sau

33

Đây là một mô hình chiếu sáng don giãn nhất, no không phản anh dùng các quy luật vật lý, nhưng lại rất cò ý nghĩa trong việc xấp xi sự chiếu sáng của toàn cảnh Thông, thường người ta không sử dụng độc lập mô hình anh sang nén, ma kết hợp nó với các

mô hình ánh khác để tạo nên cáo mô hình bóng bề mặt phủ hợp với các lớp đối lượng, khác nhau trơng thực tế

2.1.2 Sự phản xạ sáng khuếch tán (Diffuse)

Trong tự nhiên, dặc biệt lả trong những cảnh kiến trúc, có nhiều loại vật liệu mả lượng sang phn xa la gần như nhau từ tất cá hướng nhìn Điều này có nghĩa là khi ta chiếu ảnh sáng đến một điểm trên bề mặt thì ánh sáng sẽ được phân xạ như nhau trên toàn bộ bán cầu hướng của điểm đó Loai phan xạ này được gọi là phân xu đ4j/fse hoặc

in xa Lambertian Voi loại bễ mặi như vậy giá trì BRDF của bề mặt là một hằng,

Theo công thức (7.14) có thể kết luận rằng hệ số phản xạ &¿<:7⁄z (uật bảo toàn năng lượng) Tuy vậy, trong hàu hết các hệ thống render, đặc biệt là các hệ thông dựa trên thiết bị tăng tốc dễ họa thì Ay lại dược cho nằm trong khang 0,1] Điểu nảy có nghĩa

cường độ sáng mắc nhiên phải nhân một hệ số là số x

Theo công thức (1.23), (2.2) có thể đưa ra công thức tính toán cường độ bức xạ

phân xạ cho một điểm trên bê mặt Diffuse ninr sa

Trong đó /(x,v) là cường đệ bức xạ 72j#/se tại một điểm x trên bẻ mặt theo một hưởng quan sat 7, &¿ là hệ số phản xạ /2/ÿ4se, 7, là cường độ ảnh sảng của nguồn sang

thứ ý, các thành phẩn còn lại đã được pải thích rong gông thức (1.23)

Thông thường, người ta sử dụng kết hợp hai mô hình Ambient va Diffuse dé tao

ra mô hình chiểu sáng bé mat cho các loại để tượng có đê trơn, bóng tại bể mặt không, cao, ví dụ vải, gô, tường, vv Công thức tính cường độ sáng cho mô hình kết hợp này

dé dáng suy ra được bằng cách kết hợp bai công thúc (2.1) vả (2.3), có thể viết cụ thể

như sau:

JÁx,#)= Lụ(%,9)+ kT ate) đ,(x,1).cos0i,/) 4.49

a