Kỹ thuật Ray tracing trong sinh ảnh và ứng dụng

1 Kỹ thuật Ray tracing trong sinh ảnh và ứng dụng PHẦN MỞ ĐẦU Phần mở đầu Đồ họa máy tính là một lĩnh vực của khoa học máy tính nghiên cứu về cơ sở toán học, các thuật toán cũng như c

Trang 1

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

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Nguyễn Thị Hồng Minh

Thái Nguyên - 2010

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung luận văn này 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 do tôi tự thiết kế và xây dựng, trong đó

có sử dụng một số thư viện chuẩn và các thuật toán 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 09 tháng 10 năm 2010

Người cam đoan

Nguyễn Anh Dũng

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nỗ lực thực hiện, luận văn nghiên cứu “Kỹ thuật Ray tracing trong sinh ảnh và ứng dụng” đã cơ bản hoàn thành Ngoài sự cố gắng hết mình của bản thân, em đã nhận được nhiều sự khích lệ từ phía nhà trường, thầy

Trang 5

MỤC LỤC

Trang

Phần mở đầu 1

Chương 1 Khái quát về đồ họa máy tính ba chiều và kỹ thuật kết xuất đồ họa 4

1.1 Khái quát về đồ họa máy tính ba chiều 4

1.1.1 Đồ họa máy tính 4

1.1.2 Các kỹ thuật đồ họa 5

1.1.3 Đồ họa máy tính ba chiều (3D - Dimensions) 5

1.2 Các kỹ thuật kết xuất đồ họa ba chiều 11

1.2.1 Kết xuất đồ họa ba chiều 11

1.2.2 Kỹ thuật kết xuất Ray tracing 18

Chương 2 Kỹ thuật Ray tracing 22

2.1 Tính toán đường đi của ánh sáng 22

2.1.1 Tia sáng và Tam giác 22

2.1.2 Tia sáng và Tứ giác 24

2.1.3 Tia sáng và các mặt bậc hai 25

2.1.4 Tia sáng và Mặt ẩn 27

2.1.5 Tia sáng và Mặt NURBS 27

2.1.6 Tia sáng và Mặt con 28

2.1.7 Tia sáng và Khối hộp 29

2.2 Xử lý đổ bóng với Ray tracing 30

2.3 Một số vấn đề khác về Ray tracing 32

2.4.1 Ray tracing phân tán 36

2.4.2 Ray tracing theo đường 37

2.4.3 Đổ bóng với nguồn sáng hẹp 37

2.4.4 Đổ bóng với nguồn sáng rộng 38

2.4.5 Phản xạ bề mặt bóng 39

2.4.6 Phản xạ khuếch tán 40

Trang 6

2.4.7 Độ sâu trường ảnh 41

2.4.8 Làm mờ chuyển động 41

Chương 3 Chương trình ứng dụng 43

3.1 Bài toán 43

3.2 Phân tích các yêu cầu đối với chương trình cài đặt thử nghiệm kỹ thuật sinh ảnh trong không gian 3D theo hướng Ray-tracing 43

3.3 Chương trình sinh ảnh RTRendering theo kỹ thuật Ray-tracing 44

Kết luận 48

Tài liệu tham khảo 50

Trang 7

1

Kỹ thuật Ray tracing trong sinh ảnh và ứng dụng

PHẦN MỞ ĐẦU

Phần mở đầu

Đồ họa máy tính là một lĩnh vực của khoa học máy tính nghiên cứu về

cơ sở toán học, các thuật toán cũng như các kỹ thuật để cho phép tạo, hiển thị

và điều khiển hình ảnh trên màn hình máy tính Đồ họa máy tính có liên quan

ít nhiều đến một số lĩnh vực như đại số, hình học giải tích, hình học họa hình, quang học, và kỹ thuật máy tính, đặc biệt là chế tạo phần cứng

Theo nghĩa rộng hơn, đồ họa máy tính là phương pháp và công nghệ dùng trong việc chuyển đổi qua lại giữa dữ liệu và hình ảnh trên màn hình bằng máy tính Đồ họa máy tính hay kỹ thuật đồ họa máy tính còn được hiểu dưới dạng phương pháp và kỹ thuật tạo hình ảnh từ các mô hình toán học mô

tả các đối tượng hay dữ liệu lấy được từ các đối tượng trong thực tế

Khái niệm Đồ hoạ máy tính 3D được William Fetter đưa ra năm 1960

Đồ họa 3D cho phép mô phỏng không gian 3 chiều trong máy tính Về mặt toán học, đây là một công việc cực kỳ phức tạp, tuy nhiên hầu hết những công việc phức tạp này được thực hiện bởi phần cứng chuyên dụng với tốc độ rất cao

Trong đồ họa máy tính 3D, Rendering - kết xuất đồ họa - là một quá trình sinh tạo một hình ảnh từ một mô hình bằng cách sử dụng một chương trình ứng dụng phần mềm Nhiều thuật toán kết xuất đồ họa đã được nghiên cứu và phần mềm dùng trong quá trình kết xuất có thể áp dụng một số những

kỹ thuật kết xuất để đạt được hình ảnh cuối cùng Các kỹ thuật kết xuất đồ họa phổ biến được sử dụng là Tạo ảnh điểm (rasterization), Chiếu tia (Ray casting) và Dò tia (Ray-tracing)

Ray-tracing là một kỹ thuật để sinh ảnh bằng cách tìm đường đi của ánh sáng qua các điểm ảnh trong một mặt phẳng ảnh và mô phỏng các hiệu

Trang 8

ứng khi ánh sáng chạm vào bề mặt các đối tượng ảo Kỹ thuật này dò theo đường đi của các tia sáng, bắt đầu từ Camera, tới bề mặt đầu tiên và sau đó phụ thuộc vào tính trong suốt hay phản xạ của bề mặt, xác định hướng đi tiếp theo của tia sáng Ray-tracing lần đầu tiên cho phép tính đến môi trường xung quanh trong sự chiếu sáng vật thể, cho phép tạo ra các khung hình có độ chân thực rất cao so với phương pháp kết xuất quét dòng thông thường Ray-tracing đặc biệt phù hợp với các ứng dụng có các ảnh được kết xuất chậm như ảnh tĩnh, phim hay các hiệu ứng truyền hình đặc biệt Ray-tracing có khả năng

mô phỏng nhiều hiệu ứng quang học như phản xạ, khúc xạ, tán xạ, và quang sai màu

Xuất phát trong hoàn cảnh đó, luận văn lựa chọn đề tài Kỹ thuật tracing trong sinh ảnh và ứng dụng là vấn đề không chỉ có tính khoa học mà còn mang đậm tính thực tiễn

Ray-Trong phạm vi nghiên cứu, luận văn được chia thành các phần: Phần

mở đầu, phần kết luận và ba chương chính, cụ thể:

Chương 1 Khái quát về đồ họa máy tính ba chiều và kỹ thuật kết xuất đồ họa

Chương này giới thiệu khái quát về đồ họa máy tính ba chiều gồm các khái niệm, định nghĩa cơ bản trong đồ họa máy tính ba chiều;trình bày khái quát các kỹ thuật kết xuất đồ họa ba chiều từ cơ bản đến phức tạp xếp theo thứ tự phát triển của các kỹ thuật, trong đó giới thiệu sơ lược về kỹ thuật kết xuất Ray tracing

Chương II Kỹ thuật Ray tracing

Chương này tìm hiểu chi tiết về kỹ thuật kết xuất Ray tracing, bao gồm các nội dung về tính toán đường đi của ánh sáng trong các trường hợp mô phỏng vật thể với nhiều hình dáng bề mặt khác nhau; các nội dung về việc

Trang 9

3

ứng dụng kỹ thuật Ray tracing xử lý các hiệu ứng khi mô phỏng các hình ảnh

ba chiều như đổ bóng, phản xạ, khúc xạ ánh sáng…

Chương III.Chương trình ứng dụng

Chương này nêu ra bài toán ứng dụng kỹ thuật Ray tracing đối với việc sinh một ảnh trong không gian ba chiều, phân tích các yêu cầu đối với chương trình cài đặt thử nghiệm giải quyết bài toán đặt ra và giới thiệu các chức năng, tính năng kỹ thuật của chương trình sinh ảnh sử dụng kỹ thuật Ray tracing

Trang 10

Chương 1

KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA MÁY TÍNH BA CHIỀU

VÀ KỸ THUẬT KẾT XUẤT ĐỒ HỌA

Chương 1 Khái quát về đồ họa máy tính ba chiều và kỹ thuật kết xuất đồ họa

1.1 Khái quát về đồ họa máy tính ba chiều

1.1.1 Đồ họa máy tính

Đồ họa máy tính là một lĩnh vực của khoa học máy tính nghiên cứu về

cơ sở toán học, các thuật toán cũng như các kĩ thuật để cho phép tạo, hiển thị

và điều khiển hình ảnh trên màn hình máy tính Đồ họa máy tính có liên quan

ít nhiều đến một số lĩnh vực như đại số, hình học giải tích, hình học họa hình, quang học, và kĩ thuật máy tính, đặc biệt là chế tạo phần cứng (các loại màn hình, các thiết bị xuất, nhập, các vỉ mạch đồ họa ) [1], [3]

Theo nghĩa rộng hơn, đồ họa máy tính là phương pháp và công nghệ dùng trong việc chuyển đổi qua lại giữa dữ liệu và hình ảnh trên màn hình bằng máy tính Đồ họa máy tính hay kĩ thuật đồ họa máy tính còn được hiểu dưới dạng phương pháp và kĩ thuật tạo hình ảnh từ các mô hình toán học mô

tả các đối tượng hay dữ liệu lấy được từ các đối tượng trong thực tế [6], [8], [11] Thuật ngữ "đồ họa máy tính" (computer graphics) được đề xuất bởi một chuyên gia người Mĩ tên là William Fetter vào năm 1960 Khi đó ông đang nghiên cứu xây dựng mô hình buồng lái máy bay cho hãng Boeing William Fetter đã dựa trên các hình ảnh 3 chiều của mô hình người phi công trong buồng lái để xây dựng nên mô hình buồng lái tối ưu cho máy bay Boeing Đây là phương pháp nghiên cứu rất mới vào thời kì đó Phương pháp này cho phép các nhà thiết kế quan sát một cách trực quan vị trí của người lái trong

Trang 11

data error !!! can't not

read

Trang 12

read

Trang 13

read

Trang 14

read

Trang 15

read

Trang 17

read

Trang 18

read

Trang 19

read

Trang 20

read

Trang 21

read

Trang 22

read

Trang 23

read

Trang 24

read

Trang 26

read

Trang 27

read

Định dạng
Số trang	27
Dung lượng	365,42 KB