Kỹ thuật PHOTON MAPPING trong sinh ảnh và ứng dụng

Phần mã nguồn của chương trình sử dụng một số thư viện chuẩn và các thuật toán và bản demo được các tác giả xuất bản công khai và miễn phí trên mạng Internet.. Với lượng thông tin trực q

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự sưu tầm, tra cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài

Nội dung luận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất kỳ hình thức nào và cũng không được sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu nào

Phần mã nguồn của chương trình sử dụng một số thư viện chuẩn và các thuật toán và bản demo được các tác giả xuất bản công khai và miễn phí trên mạng Internet

Nếu sai tôi xin tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2010

Người cam đoan

Vũ Phú Cường

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình luận văn tốt nghiệp em đã gặp rất nhiều vấn đề phức tạp, khó xử lý do đề tài mà em nghiên cứu là khá mới Nhưng được sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô và các bạn luận văn của em đã hoàn thành đúng thời hạn

và đạt được kết quả tốt

Lời đầu tiên em xin được trân thành cảm ơn sự giúp đỡ quí báu, sự hướng dẫn nhiệt tình và sự chỉ bảo tận tụy của cô

TS Nguyễn Thị Hồng Minh – Trường ĐH QG Hà Nội

Các thầy cô giáo công tác tại Khoa công nghệ thông tin – ĐHTN, cùng tập thể các bạn học viên lớp cao học Khóa 7 đã luôn giúp đỡ và nhiệt tình chia

sẻ với em những kinh nghiệm học tập, nghiên cứu trong suốt khoá học

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2010

Học viên

Vũ Phú Cường

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC CÁC HÌNH 5

PHẦN MỞ ĐẦU 6

Chương 1 8

KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ SINH ẢNH 8

1.1 Khái quát về thực tại ảo 8

1.1.1 Thực tại ảo là gì? 8

1.1.2 Lịch sử ra đời và phát triển của thực tại ảo 9

1.1.3 Các thành phần chính trong thực tại ảo: 10

1.1.3 Ứng dụng của thực tại ảo 12

1.2 Sinh ảnh trong thực tại ảo 17

1.2.1 Sinh ảnh trong thực tại ảo 17

1.2.2 Photon mapping trong sinh ảnh 19

Chương 2 21

MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG SINH ẢNH BỞI PHOTON MAPPING 21

2.1 Thuật toán Photon mapping 21

2.1.1 Photon Tracing 23

2.1.2 Tối ưu hóa bản đồ photon 26

2.3.3 Cây KD cân bằng (The balanced KD Tree) 27

2.2 Cấu trúc dữ liệu 30

2.2.1 Photon bóng 30

2.2.2 Toàn cảnh và tụ quang các photon 31

2.2.3 Cấu trúc dữ liệu không gian 31

2.3 Tính toán bức xạ từ các bản đồ Photon 32

2.3.1 Ước tính bức xạ tại một bề mặt 32

2.3.2 Lọc (Filtering) 37

2.4 Sinh ảnh (Rendering) 39

2.4.1 Cơ sở khoa học 39

2.4.2 Phương trình sinh ảnh (Equation Rendering) 39

2.4.3 Chiếu sáng trực tiếp 42

2.4.4 Phản chiếu và độ bóng phản xạ 44

2.4.5 Tính tụ quang (Caustics) 45

2.4.6 Phản xạ đa khuếch tán (Multiple diffuse reflections) 46

2.5.5 Lấy mẫu và thanh lọc 47

2.4.8 Tối ưu hóa 48

Chương 3 49

CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 49

3.1 Bài toán 49

3.2 Công cụ thiết kế và chức năng một số hàm trong chương trình 49

3.2.1 Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình mã nguồn mở Processing 49

3.2.2 Chức năng một số hàm trong chương trình 50

3.3 Thực nghiệm chương trình và đánh giá kết quả 51

3.3.1 Thực nghiệm chương trình 51

3.3.2 Kết quả thực hiện 52

KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

5

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Mô phỏng các cơ cánh tay 7

Hình 1.2 Mô phỏng cấu trúc bộ não 8

Hình 1.3 Mô phỏng kiến trúc công trình 10

Hình 2.1 Bản đồ chiếu sáng 17

Hình 2.2: Xây dựng bản đồ photon tụ quang (a) và bản đồ photon toàn cảnh (b) 21

Hình 2.3: Phân chia không gian sử dụng cây KD 23

Hình 2.4: Đơn giản hóa 2D cây KD cho phân chia không gian trong hình 2.5 23

Hình 2.5: Tính bức xạ phản xạ (Jensen, 2001) 29

Hình 2.6: Sử dụng hình cầu (trái) và hình đĩa (bên phải) xác định vị trí các photon 30

Hình 2.7: Truy tìm một tia qua một điểm ảnh 35

Hình 2.8: Đánh giá chính xác sự chiếu sáng trực tiếp 38

Hình 2.9: Sinh ảnh phản chiếu và bóng phản xạ 39

Hình 2.10: Sinh ảnh tụ quang 41

Hình 2.11: Tính toán gián tiếp khuếch tán ánh sáng với tầm quan trọng lấy mẫu 42

Hình 3.1: Số lượng photon phát ra là 1000 48

Hình 3.2: Photon phát ra là 1500, nguồn sáng bên trên (a), bên phải (b) 48

Hình 3.3: Sử dụng ánh sáng trực tiếp (a), sinh ảnh bằng Photon mapping (b) 49

Hình 3.4: Sinh ảnh với 4 nguồn sáng 49

Hình 3.5: Sinh ảnh với môi trường tham gia 50

Hình 3.6: Vòng kim loại tụ quang 50

PHẦN MỞ ĐẦU

Sự ra đời của đồ họa máy tính thực sự là cuộc cách mạng trong giao tiếp giữa người dùng và máy tính Với lượng thông tin trực quan, đa dạng và phong phú được chuyển tải qua hình ảnh, các ứng dụng đồ họa máy tính đã lôi cuốn nhiều người nhờ tính thân thiện, dễ dùng, kích thích khả năng sáng tạo

và tăng đáng kể hiệu suất làm việc

Đồ họa máy tính ngày nay được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học, kĩ thuật, nghệ thuật, kinh doanh, quản lí, các ứng dụng đồ họa rất đa dạng, phong phú và phát triển liên tục không ngừng Ngày nay, hầu như không có chương trình ứng dụng nào mà không sử dụng kĩ thuật đồ họa để làm tăng tính hấp dẫn của mình

Trong đồ họa máy tính, Photon mapping là thuật toán chiếu sáng trên toàn cảnh phát triển bởi Henrik Wann Jensen Nó được sử dụng vào thực

tế mô phỏng sự tương tác của ánh sáng với các đối tượng khác nhau Đặc biệt,

nó có khả năng mô phỏng khúc xạ ánh sáng qua một chất trong suốt như thủy tinh hoặc nước, phản xạ khuếch tán giữa các đối tượng được chiếu sáng,

sự tán xạ ngầm của ánh sáng trong vật liệu mờ, và một số các tác dụng gây ra bởi hạt vật chất như khói hoặc hơi nước Nó cũng có thể được mở rộng

để mô phỏng chính xác hơn của ánh sáng như sinh ảnh quang phổ

Trong tự nhiên, một tia sáng được tạo ra bởi nguồn sáng chiếu đến một

bề mặt làm ngắt quãng quá trình của nó Có thể tưởng tượng tia sáng này như một dòng photon Trong chân không hoàn hảo, tia sáng này sẽ đi thẳng Trong hiện thực sẽ là hỗn hợp của các hiệu ứng khúc xạ, phản xạ, tán xạ Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật Photon mapping, trợ giúp cho việc nâng cao chất lượng ảnh hoặc sinh ra các hình ảnh trung gian hoặc tương lai trong một hệ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

7

thống biến đổi Phục vụ cho các hoạt cảnh hoặc các ứng dụng chuyển động

tương tác trong xử lý ảnh và thực tại ảo, ước lượng được các điểm bề mặt hiệu

dụng, lưu trữ được các thông tin có thể sử dụng lại của ánh sáng, giảm tải số

lượng tính toán Và tất cả các tia sáng tạo ra sau các quá trình ấy sẽ được mô

tả lại để tạo nên các hình ảnh sống động như thật

Bố cục của luận văn bao gồm: Phần mở đầu, ba chương chính, phần kết luận, tài liệu tham khảo Cụ thể như sau

Chương 1 Giới thiệu khái quát về thực tại ảo và sinh ảnh, các ứng dụng

của thực tại ảo Phương pháp sinh ảnh trong thực tại ảo và tổng quan về

phương pháp photon mapping trong sinh ảnh

Chương 2 Trình bày thuật toán photon trong sinh ảnh, các cấu trúc

dữ liệu cần thiết cho các bản đồ photon, trong chương này có trình bày cụ thể

về tính toán bức xạ từ các bản đồ photon, quá trình xây dựng phương trình

sinh ảnh và việc tối ưu hóa bản đồ photon

Chương 3 Mô tả bài toán sinh ảnh, giới thiệu công cụ hỗ trợ của chương trình sinh ảnh, ý chức năng của các hàm trong chương trình Thực

nghiệm chương trình đưa ra kết quả và đánh giá kết quả thu được

Chương 1

KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ SINH ẢNH

Công nghệ thông tin đã và đang xuất hiện trong mọi lĩnh vực của xã hội Tuy nhiên phần lớn các mô hình được xây dựng trên máy tính là hai chiều và con người không thể tương tác với các đối tượng trong mô hình đó như là ở trong thế giới thực, những chương trình nghiên cứu khắc phục nhược điểm này đã dẫn đến việc xuất hiện một lĩnh vực mới của Công nghệ thông tin đó là thực tại ảo

1.1 Khái quát về thực tại ảo

1.1.1 Thực tại ảo là gì?

Thực tại ảo là mô phỏng của môi trường không gian ba chiều trên máy

tính, trong môi trường mô phỏng đó con người có thể quan sát và thực hiện những thao tác mà mình mong muốn Với tất cả những gì có trong môi trường

mô phỏng thông qua thiết bị đầu vào, kết quả trả lại là những thay đổi của môi trường đó mà con người có thể quan sát hay cảm nhận được thông qua các thiết bị đầu ra

Theo như định nghĩa trên có thể nhận ra các thành phần của thực tại ảo là: môi trường không gian ba chiều, mô hình tạo trên máy tính, sự tương tác, các thiết bị vào, ra Thực tại ảo là một thế giới thực song lại ảo, vì một phần của thế giới thực sẽ được tái tạo trên máy tính, thông qua các thiết bị đầu vào con người có thể chìm đắm trong môi trường không gian ba chiều và cho phép con người có khả năng quan sát, tương tác với môi trường ảo đó Những tương tác đó đều được chương trình xử lý và thông qua thiết bị đầu ra sẽ đem

data error !!! can't not

read

data error !!! can't not

read

data error !!! can't not

read

data error !!! can't not

read

data error !!! can't not

read

data error !!! can't not

read

data error !!! can't not

read

data error !!! can't not

read

data error !!! can't not

read

data error !!! can't not

read

data error !!! can't not

read

data error !!! can't not

read

data error !!! can't not

read

data error !!! can't not

read

data error !!! can't not

read

data error !!! can't not

read

read

data error !!! can't not

read