Nghiên cứu hiệu ứng bóng đổ từ hai nguồn sáng trong biểu diễn vật thể 3d

Bóng đổ là một phần của thế giới thực, đi đôi với ánh sáng là bóng,chúng luôn xuất hiện cùng nhau không thể tách rời vì vậy tính toán hiệu ứngbóng là một công việc không thể thiếu trong

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN THỊ HỒNG HẠNH

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG BÓNG ĐỔ TỪ HAI NGUỒN SÁNG

TRONG BIỂU DIỄN VẬT THỂ 3D

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên 2019

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN THỊ HỒNG HẠNH

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG BÓNG ĐỔ TỪ HAI NGUỒN SÁNG

TRONG BIỂU DIỄN VẬT THỂ 3D

Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 8480101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học: TS VŨ ĐỨC THÁI

2

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Thị Hồng Hạnh

Sinh ngày: 09/08/1984

Học viên lớp cao học CHK16A - Trường Đại học Công nghệ Thông tin

& Truyền thông - Đại học Thái Nguyên

Xin cam đoan: Đề tài “ Nghiên cứu hiệu ứng bóng đổ từ hai nguồn sáng trong biểu diễn vật thể 3D”do TS Vũ Đức Thái hướng dẫn là công

trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc,xuất xứ rõ ràng

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn TS Vũ Đức Thái đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi

hoàn thành luận văn này

Ban Giám hiệu, khoa Công nghệ thông tin, phòng Đào tạoTrường Đạihọc Công nghệ Thông tin và Truyền thông đã giúp đỡ tôi trong quá trình họctập cũng như thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã độngviên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện

và hoàn thành luận văn này

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 07 năm 2019

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Hồng Hạnh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ MÔ HÌNH 3D 4

1.1 Tổng quan về Thực tại ảo 4

1.1.1 Thực tại ảo 4

1.1.2 Các sản phẩm của Thực tại ảo 5

1.2 Môi trường và ngôn ngữ lập trình 8

1.2.1 Công cụ, phần mềm sử dụng 8

1.2.2 Bài toán mô phỏng thực tại ảo 10

1.2.3 Ứng dụng thực tại ảo trong trưng bày ảo 12

1.3 Kết luận 14

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ KỸ THUẬT HIỂN THỊ MÔ HÌNH 3D 16

2.1 Ánh sáng 16

2.2 Một số đơn vị đo lường ánh sáng 18

2.3 Hàm phân phối phản xạ hai chiều (BRDF) 22

2.4 Nguồn sáng và phân loại nguồn sáng 25

2.5 Phương trình chiếu sáng 27

2.6 Thuật toán Occlusion – Culling 28

2.7 Thuật toán Bump Mapping 33

2.8 Kỹ thuật biểu diễn bóng đổ 45

2.9 Phát triển bài toán ứng dụng 51

Chương 3 MÔ PHỎNG HIỆU ỨNG BÓNG ĐỔ TỪ HAI NGUỒN SÁNG TRONG BIỂU DIỄN VẬT THỂ 3D 53

3.1 Bài toán mô phỏng hiện vật tại bảo tàng 53

3.1.1 Yêu cầu với thực nghiệm 54

3.1.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu mô phỏng 55

3.2 Phân tích, lựa chọn công cụ 55

3.3 Một số kết quả thực nghiệm tối ưu mô hình 56

3.4 Kết luận 61

KẾT LUẬN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

Bóng đổ là một phần của thế giới thực, đi đôi với ánh sáng là bóng,chúng luôn xuất hiện cùng nhau không thể tách rời vì vậy tính toán hiệu ứngbóng là một công việc không thể thiếu trong các hệ thống thực tại ảo và trưngbày ảo.

Vì vậy em lựa chọn luận văn với đề tài “Nghiên cứu hiệu ứng bóng đổ

từ hai nguồn sáng trong biểu diễn vật thể 3D” và cụ thể mô tả lại một số

hiện vật trong bảo tàng, qua đó khách tham quan có thể đến bảo tàng, xem vàhiểu biết thông tin về các hiện vật, v.v…

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là kỹ thuật chiếu sáng, các kỹ thuật biểu diễn sựbiến đổi của đối tượng dưới sự tác động của ánh sáng và điều kiện môi trườngtrong lĩnh vực thực tại ảo và đồ họa ba chiều

Phạm vi nghiên cứu các kỹ thuật mô phỏng, hiển thị dữ liệu 3D trongthực tại ảo Nghiên cứu các kỹ thuật tính toán bản đồ chiếu sáng và ứngdụng kết

hợp bản đồ chiếu sáng cho các ứng dụng trưng bày ảo Và nghiên cứu tậptrung vào vấn đề xác định và mô phỏng bóng của một vật thể được chiếu từhai nguồn sáng, nguồn sáng có thể di chuyển, thay đổi theo các phương khácnhau, cường độ khác nhau; vật thể có kết cấu chiếm chỗ không gian khácnhau…

3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu lý thuyết, thu thập, phân tích các tài liệu có liên quan của đềtài

Mô phỏng được sự ảnh hưởng của các nguồn sáng vào biểu diễn bề mặtcủa đối tượng ba chiều Mục tiêu cụ thể là nghiên cứu các kỹ thuật chiếu sáng

và hiệu ứng bóng bề mặt của vật thể trưng bày trong không gian ba chiều.Lựa chọn các vật thể và không gian thích hợp để phân tích các hình ảnhthực tiễn làm cơ sở đối chứng cho kết quả cài đặt

Vận dụng thuật toán cài đặt chương trình mô phỏng thể hiệu ứng tạobóng của một số vật thể dưới tác động của hai nguồn sáng

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của đề tài luận văn được sử dụng là kết hợpgiữa nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể:

a Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

Thu thập tài liệu, đọc hiểu các kiến thức cơ bản về Đồ họa máy tính,Thực tại ảo; Nghiên cứu một số kỹ thuật mô phỏng, hiển thị dữ liệu 3D vềhiệu ứng bóng đổ từ hai nguồn sáng

b Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu ảnh 3D về hiệu ứng bóng đổ từ hainguồn sáng

Nghiên cứu, đánh giá và lựa chọn phương pháp, giải pháp công nghệ càiđặt thử nghiệm với một số mẫu dữ liệu

5 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Phát triển thuật toán mô phỏng 3D vào các ứng dụng cụ thể (mô phỏnghiện tượng tự nhiên, trưng bày, hoạt hình)

Hỗ trợ cho Bảo tàng văn hóa các dân tộc Việt Nam trưng bày hiện vật

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG VÀ BÀI TOÁN

và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo Người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổitrên màn hình ngay theo ý muốn và bị thu hút bởi sự mô phỏng này Tươngtác và khả năng thu hút của VR góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm, cảmgiác trở thành một phần của hành động trên màn hình mà người sử dụng đangtrải nghiệm Nhưng VR còn đẩy cảm giác này "thật" hơn nữa nhờ tác độnglên tất cả các kênh cảm giác của con người

1.1.2 Ứng dụng của Thực tại ảo.

Tại các nước phát triển, chúng ta có thể nhận thấy VR được ứng dụngtrong mọi lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch,

và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu- Giáo dục- Thương mại-dịch vụ

Y học, du lịch là lĩnh vực ứng dụng truyền thống của VR Bên cạnh đó

VR cũng được ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí, du lịch ảo (VirtualTour), bất động sản Trong lĩnh vực quân sự, VR cũng được ứng dụng rấtnhiều ở các nước phát triển Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, cũng

có một số ứng dụng mới nổi lên trong thời gian gần đây của VR như: VR ứngdụng trong sản xuất, VR ứng dụng trong ngành rôbốt, VR ứng dụng trong hiểnthị thông tin (thăm dò dầu mỏ, hiển thị thông tin khối, ứng dụng cho ngành dulịch, ứng dụng cho thị trường bất động sản ) VR có tiềm năng ứng dụng vôcùng lớn Có thể nói tóm lại một điều: Mọi lĩnh vực "có thật" trong cuộc sốngđều có thể ứng dụng "thực tế ảo" để nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn

1.1.2 Các sản phẩm của Thực tại ảo

Thực tế ảo (Virtual reality) đưa người xem đến một môi trường được giảlập hoàn toàn bằng 3D, nhằm đem lại những trải nghiệm thực tế nhất chongười xem như họ đang ở trong chính không gian đó Ngoài thị giác, môitrường Thực tế ảo được tích hợp thêm giác quan khác như thính giác (âmthanh), cảm nhận về không gian, di chuyển, cầm nắm vật thể Một số các sảnphẩm của thực tại

ảo là:

 Trải nghiệm nhà mẫu ảo

– Dễ dàng thu hút khách hàng ở xa, xóa bỏ rào cản địa lý

– Giúp khách hàng có cái nhìn tổng quan và chi tiết về dự án

– Khách hàng có thể di chuyển, đi lại trong không gian nhà mẫu

– Hình ảnh đẹp, khám phá dưới nhiều góc nhìn

Hình 1.2: Khám phá không gian dựán Bất Động Sản tại bất kỳ đâu.

 Trải nghiệm du lịch khám phá

– Trải nghiệm ấn tượng đem đến sức hút lớn cho khách hàng

– Giúp khách hàng dễ dàng đưa ra lựa chọn phù hợp và nhanh chóng.– Hình ảnh đẹp, choáng ngợp

 Trải nghiệm nội thất

Tương tác với mọi đồ vật trong không gian ảo với trải nghiệm như thật.– Trải nghiệm hấp dẫn giúp thu hút khách hàng

– Giúp khách hàng có cảm nhận chân thực và dễ đưa ra quyết định muahàng

– Dễ dàng xem từng chi tiết, cầm nắm các vật dụng

– Hình ảnh đẹp và chân thực

 Trải nghiệm không gian cửa hàng trưng bày mẫu xe

Cửa hàng trưng bày mẫu xe sẽ được chụp và số hóa thành không gian

ảo và tích hợp lên kính Thực tế ảo Giúp khách hàng có thể di chuyển, tươngtác với không gian này dù ở bất cứ đâu

– Thể hiện góc nhìn toàn cảnh, không bị hạn chế góc nhìn

– Đi lại trải nghiệm từng góc cạnh của không gian cửa hàng

– Cung cấp thông tin chi tiết về từng mẫu xe

Hình 1.4: Cửa hàng trưng bày ôtô

 Trải nghiệm lái xe thực tế ảo

Ứng dụng công nghệ VR cho phép khách hàng có thể đi lại và tương tác

để khám phá đầy đủ chi tiết và thiết kế tuyệt đẹp của một chiếc xe Cũng trongkhông gian đó, người dùng có thể mở và đóng từng cửa, khởi động và thay đổicấp, màu của xe như chính mình đang lái trên một chiếc siêu xe thật sự

– Gây ấn tượng với khách hàng trong sự kiện ra mắt mẫu xe mới

– Gia tăng trải nghiệm của người dùng đối với sản phẩm

– Thúc đẩy người dùng tương tác với thương hiệu của doanh nghiệp và

có khả năng tiếp tục với quá trình bán hàng

Hình 1.5: Khám phá không gian xe

1.2 Môi trường và ngôn ngữ lập trình

1.2.1 Công cụ, phần mềm sử dụng

kế sản phẩm đa phương tiện multimedia… 3DS Max là đang dẫn đầu các phầnmềm trong lĩnh vực thiết kế trực quan, phát triển game, thiết kế các hiệu ứng

ảo và đào tạo

Khóa học hướng dẫn các bạn từ làm chủ giao diện, thao tác điều khiểnsau đó tiến tới làm việc với qui trình chuẩn của một sản phẩm 3D tĩnh là:Modelling (dựng hình) – Mapping&Shading (Gán vật liệu) – Lighting (thiếtlập ánh sáng) – Rendering (kết xuất ảnh)

Hình 1.6:Giao diện phần mềm 3DS max

 Thư viện xử lý đồ họa OpenGL.

OpenGL( Open Graphics Library ) là một tiêu chuẩn kỹ thuật đ ồ h ọ a cómục đích định ra một gi a o d i ệ n l ập t r ìn h ứ n g d ụn g ( t i ế n g A nh : API) đ ồ h ọ a 3

ngữ lập trình khác nhau nhưC/C++, Java, Delphi,v.v…, tuy nhiên OpenGLcũng có thể được dùng trong các ứng dụng đ ồ họ a 2 c h i ề u Giao diện lập trìnhnày chứa khoảng 250 h àm đ ể vẽ các cảnh phức tạp từ những hàm đơn giản

Nó được dùng rộng rãi trong các t rò c h ơ i đ i ệ n t ử Ngoài ra nó còn dùng trongcác

ứng dụng C AD , t h ự c t ế ả o , mô phỏng khoa học, mô phỏng thông tin, p h á t

t riểnt rò c h ơ i Không gian trong OpenGL được miêu tả qua h ìn h h ọ c x ạ ả n h

Một điểm trong không gian này có tất cả bốn tọ a đ ộ Cách thể hiện các điểmtrong không gian bằng 4 tọa độ cho phép xử lý các điểm v ô t ận một cách tổngquát

1.2.2 Bài toán mô phỏng thực tại ảo

VR là một hệ mô phỏng có tương tác hai chiều và xử lý thời gian thực,đặc biệt với kỹ thuật Stereo 3D cho phép người quan sát được chìm đắmtrong không gian ảo Để xây dựng hệ VR thì việc xây dựng mô hình 3D làkhâu quan trọng đầu tiên Cho đến nay, nhìn chung có 2 xu hướng để thựchiện mô phỏng hình 3D:

Cách thứ nhất: thể hiện các mô hình 3D nhờ các ngôn ngữ lập trìnhtruyền thống như C#, Cách này không đòi hỏi sự chạy đua về công nghệ cũngnhư cấu hình mạnh của phần cứng, hơn nữa nó có thể thực hiện các mô phỏngphức tạp đòi hỏi sự chính xác cao.Tuy nhiên nó không được nhiều người sửdụng vì đó không phải là công việc đơn giản, nó đòi hỏi trình độ lập trình cao,các thuật toán phức tạp, mất nhiều thời gian và nhất là rất khó trong việc tạo ranhững cảnh rộng lớn Mặc dù ít được ưa thích nhưng đôi khi nó lại là lựa chọnduy nhất cho những ai muốn mô phỏng chính xác các hiện tượng thiên nhiênđúng với bản chất của nó Tuy nhiên nó chỉ phù hợp với những mô phỏng cóquy mô nhỏ, phù hợp với việc học tập

Cách thứ hai: sử dụng các công cụ mô phỏng đã được xây dựng sẵn.Cách này không đòi hỏi trình độ lập trình cao, không tốn nhiều thời gian thựchiện, nó phù hợp với các mô phỏng có tính chất mô hình không yêu cầu độchính xác cao Một nhược điểm là nó yêu cầu cấu hình hệ thống mạnh để càiđặt và chạy chương trình, nhất là khi kết xuất Tuy nhiên, hiện nay cách nàyđang rất phổ biến, rất được ưa chuộng, nhất là trong các công việc làm Game

3D, Web3D, Phim 3D.v.v Một số bộ công cụ mô phỏng thông dụng là:

3DsMax, Maya, Autocad, Painter3D, VirtualML, Softimage, Renderman,Houdili, Lightware, Flash.v.v

Trạng thái đối tượng mô phỏng có 2 dạng chính: mô phỏng tĩnh và mô

- Mô phỏng động theo thời gian thực: là dạng mô phỏng đối tượng có

sự chuyển động hoặc có tính chất thay đổi theo thời gian, không gian, và khi

có tương tác thì hệ phải đáp ứng sự kiện đó trong một khoảng thời gian nhấtđịnh (quá thời gian đó thì kết quả không còn có ý nghĩa) Đây là dạng môphỏng phức tạp nhất, khó khăn nhất Nhưng đó lại là một đặc tính của VirtualReality

- Mô phỏng động không theo thời gian thực: Đây là dạng mô phỏngkhông quan tâm tới thời gian đáp ứng của yêu cầu Nó phù hợp cho xây dựngcác hệ mô phỏng không có sự tương tác nhiều, không cần đáp ứng thời gian

Để thực hiện mô phỏng sự vật ta lại có 2 phương pháp chính: Phươngpháp giả mô phỏng và phương pháp mô phỏng thật

Phương pháp giả mô phỏng là ta dùng các kỹ thuật xử lý ảnh để tạo ranhững đối tượng và những hiệu ứng giả đánh lừa mắt nhìn của con người Ví

dụ, như biến đổi ảnh không gian 2D thành hình ảnh của vật như trong khônggian 3D, hay các phương pháp Texture

Phương pháp mô phỏng thật là dùng các kỹ thuật tạo đối tượng và hiệu

tượng và các hàm biến đổi để thể hiện đối tượng một cách chính xác.

Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, vì thế tuỳvào mức độ quan trọng của đối tượng trong hệ mà ta có thể chọn phương phápphù hợp để xây dựng.

1.2.3 Ứng dụng thực tại ảo trong trưng bày ảo

Trưng bày ảo là một lĩnh vực đã và được ứng dụng trong giải quyếtnhiều vấn đề của đời sống thực tế Trong bảo tàng, trưng bày ảo được ứngdụng để tạo ra các phòng trưng bày ảo, qua đó khách tham quan có thể đếnbảo tàng, xem và hiểu biết thông tin về các hiện vật, v.v của bảo tàng màkhông cần đến tận nơi Trong thương mại đặc biệt là thương mại điện tử,trưng bày ảo là nơi cho phép các nhà sản xuất, nhà kinh doanh, v.v giới thiệuquảng bá sản phẩm của mình đến người tiêu dùng một cách đầy đủ và chínhxác Trong lĩnh vực văn hóa nghệ thuật, trưng bày ảo chính là một công cụhữu hiệu để các nghệ sỹ giới thiệu và quảng bá sản phẩm tinh thần của mìnhđến với độc giả Trong hầu hết các lĩnh vực của thực tế chúng ta đều có thểtìm thấy một vấn đề có thể ứng dụng, sử dụng trưng bày ảo như là một công

cụ trực tiếp hoặc gián tiếp để giả quyết vấn đề đó Thời gian gần đây với sựphát triền mạnh mẽ của các công nghệ Thực tại ảo, Thực tại ảo trộn, Thực tạităng cường, đã tạo một khả năng phát triển mạnh mẽ cho việc phát triển vàứng dụng của trưng bày ảo Với sự hỗ trợ của các công nghệ mới này, người

ta có thể đưa những hiện vật ảo ra ngoài không gian thực để người tham quan

có thể xem thậm chí là tương tác và sử dụng hiện vật ảo đó như thật Qua đó,giải quyết được nhiều vấn đề như: thiếu hiện vật, bảo quản hiện vật trong bảotàng hoặc các vấn đề về kinh tế (chi phí làm sản phẩm mẫu) trong thương mại

Để xây dựng các ứng dụng thực tế sử dụng công nghệ trưng bày ảo córất nhiều vấn đề được đặt ra cần nghiên cứu và giả quyết ví dụ như: vấn đề vềxây dựng và tối ưu hóa mô hình để có thể sử dụng được, vấn đề về quản lý

thông tin bao gồm cả các thông tin về vị trí trưng bày của từng hiện vật, vấn

đề về tính toán va trạm gữa hiện vật ảo với môi trường thật, v.v

Một trong những vấn đề quan trọng cần nghiên cứu để xây dựng cácứng dụng trưng bày ảo đó là ảnh hưởng của môi trường đến biểu diễn bề mặtđối tượng đặc biệt là ảnh hưởng của ánh sáng thông qua các nguồn sáng đếnbiểu diễn bề mặt đối tượng Ảnh hưởng của nguồn sáng lên biển diễn bề mặtđối tượng như đã biết gồm hai phần chính do là ảnh hưởng đến việc hiển thịđối tượng và ảnh hưởng thứ hai là làm thay đổi bề mặt đối tượng Ảnh hưởngcủa nguồn sáng lên hiển thị đối tượng thông qua chiếu sáng là việc không thểthiếu được vì phải có chiếu sáng thì mời có đồ họa ba chiều và trưng bày ảođồng thời trưng bày ảo có một số đặc điểm riêng biệt của nó vì vậy nghiêncứu về chiếu sáng và chiếu sáng trong trưng bày ảo là một vấn đề cần thiết.Trên thực tế các đối tượng thay đổi theo thời gian do đó nghiên cứu ảnhhưởng của nguồn sáng và các điều kiện môi trường đến bề mặt đối tượngkhông chỉ có tác đụng làm tăng chất lượng hình ảnh của ứng dụng trưng bày

ảo mà các kết quả nghiên cứu này còn có thể sử dụng làm công cụ để trợ giúpcho việc trưng bày đối tượng thực làm để cho chúng ít bị thay đổi, phá hủytheo thời gian dưới sự tác động của ánh sáng và môi trường

Ứng dụng các kết quả đã nghiên cứu vào xây dựng một phần mềmtrưng bày ảo cho một số hiện vật tại Bảo tàng Văn hóa các dân tộc Việt Namtại TP Thái Nguyên với các lý thuyết phân tích về tác động của môi trườnglên hiện vật

 Một số ứng dụng trong đồ họa 3D

Đồ hoạ 3D đang được nghiên cứu ứng dụng trong mọi lĩnh vực mộtcách mạnh mẽ hiện nay là: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, dulịch, địa ốc và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu - Giáo dục - Thương mại -dịch vụ Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, cũng có một số ứng dụngmới nổi lên trong thời gian gần đây của đồ hoạ 3D như: đồ hoạ 3D ứng dụngtrong sản suất, trong ngành rôbốt, trong hiển thị thông tin (thăm dò dầu mỏ,hiển thị thông tin khối, …) đồ hoạ 3D có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn Cóthể nói: Mọi lĩnh vực “có thật” trong cuộc sống đều có thể ứng dụng “thực tếảo” để nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn

Một lĩnh vực đầy hứa hẹn là việc sử dụng trưng bày ảo 3D trong giáodục - giải trí, cụm từ này đang được sử dụng rộng rãi, nó thể hiện cho một nềngiáo dục hiện đại không theo khuôn phép truyền thống, điều đó có nghĩa làvừa có thể học và vừa có thể giải trí trong khi học sinh đang tham gia một kịchbản nhập vai nào đó hoặc có thể tham gia một trò chơi trên thực tế tương tácnhập vai có thể nắm bắt được sự chú ý của người sử dụng hệ thống, cùng mộtlúc có thể cung cấp nhiều thông tin không giống như phương pháp trước đâykhi sử dụng hệ thống không phải là đa phương tiện Ngoài ra, trưng bày ảo 3D

là một cách thể hiện rất hiện đại của sự tương tác giữa người dùng và máytính nó không dừng lại ở việc người dùng chỉ sử dụng máy tính với nhữngmục đích cho công việc, mà nó còn mở ra vô vàn những thứ hấp dẫn khác vớingười sử dụng hệ thống mà người dùng như đang hóa thân thành nhân vậtđượckhám phá nhiều nơi mà mình chưa biết

cao và chi phí sẽ rất tốn kém Còn khi ứng dụng thực tại ảo vào, thì những vấn

đề đó trở lên hết sức đơn giản, và hiệu quả của nó mang lại thì thực sự là tolớn, kể cả vật chất lẫn tinh thần

Từ những kiến thức về thực tại ảo và nhu cầu thực tế, luận văn thựchiện nghiên cứu xây dựng chương trình mô phỏng sự tạo bóng của một vật thểdưới tác động chiếu sáng từ hai nguồn sáng, hình ảnh mô phỏng là không giantrưng bày trong bảo tàng Văn hóa các dân tộc Việt Nam tại thành phố TháiNguyên Chương 2 sẽ trình bày các kiến thức về lý thuyết, thuật toán sử dụngtrong cài đặt mô phỏng

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ KỸ THUẬT HIỂN THỊ MÔ HÌNH 3D

MỘT SỐ KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG

Chiếu sáng là một việc có vai trò quan trọng trong các bài toán trưngbày nói chung và trưng bày bảo tàng nói riêng Có ánh sáng con người mới cóthể quan sát các hiện vật và không gian trưng bày một cách rõ ràng được Sự

bố trí về vị trí, màu sắc, cường độ của từng nguồn sáng trong không gian theomột trật tự nhất định sẽ làm tăng hiệu quả trưng bày của từng hiện vật cũngnhư tạo ra một bối cảnh thống nhất với những vị trí nhấn, nhả thông qua đótạo ra ấn tượng tích cực với người xem vì vậy làm tăng hiệu quả của công táctrưng bày

2.1 Ánh sáng

Ánh sáng một loại bức xạ, nó có thể được hiểu, giải thích theo hai tính

chất vật lý, thứ nhất là tính chất sóng điện từ trường (quang học sóng), thứ hai

là tính chất hạt (quang học hạt) Đi đôi với ánh sáng là bóng có ánh sáng thì

mới có bóng, và bóng là sự thể hiện của ánh sáng Ánh sáng truyền đi trongkhông gian khi đến một bề mặt nó tương tác với bề mặt, sự tương tác này

được thể hiện thông qua hai hiệu ứng chính là “bóng bề mặt”, và “bóng đổ”

có thể gọi chung chúng là bóng Hiệu ứng “bóng bề mặt” xảy ra khi ánh sáng

đến bề mặt, và phản xạ lại môi trường một lượng ánh sáng nhất định theo cáchướng khác nhau, trong đó có một phần đến được mắt, tác động lên hệ thầnkinh thị giác, vì vậy chúng ta quan sát được đối tượng Theo định luật truyềnthẳng ánh sáng khi đến một bề mặt không trong suốt thì bị cản lại, và khôngthể tiếp tục được truyền đi theo hướng đến, vì vậy mọi điểm phía sau sẽ không

có sự chiếu sáng từ nguồn sáng hiện tượng như vậy được gọi là hiệu ứng

“bóng đổ”.

Trong quang học sóng, ánh sáng là một loại sóng điện từ trường do đó

nó cũng tuân theo các định luật của sóng như định luật truyền thẳng, định luậtphản xạ, khúc xạ, vvv Trong trường hợp này năng lượng của ánh sáng được

thể hiện hiện bằng các dao động điện từ trường Hướng dao động điện trường

và từ trường vuông góc với nhau tạo ra cách ánh sáng truyền đi trong khônggian Loại ánh sáng có thành phần sóng điện trường (từ trường) giao động trên

một mặt phẳng cố định được gọi là ánh sáng “phân cực tuyến tính”, hoặc đơn giản là “phân cực” Dựa vào đặc tính phân cực của ánh sáng khi đi qua một số

loại vật liệu nhất định mà người ta đã xây dựng lên các hệ thống hiển thị hình

ảnh 3D, ví dụ như hệ thống máy chiếu 3D, ti vi 3D, kính 3D vv Sự xuất hiện

của các thiết bị này là một trong những động lực quan trọng nhất tạo nên sự

phát triển của lĩnh vực VR hiện nay.

Trong quang học hạt, năng lượng ánh sáng được thể hiện dưới hình thức

của các hạt photon dịch chuyển trong không gian với vận tốc ánh sáng Mỗi

photon mang một mức năng lượng nhất định, mức năng lượng này phụ thuộc

vào tần số hay độ dài bước sóng của ánh sáng

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 năng nhìn được

ánh sáng với bước sóng nằm trong khoảng (380nm - 780nm), ánh sáng có

bước sóng lớn hơn được gọi là hồng ngoại, và nhỏ hơn là tử ngoại đây lànhững loại ánh sáng mà con người không có khả năng quan sát được.Khảnăng nhìn của con người với mỗi loại ánh sáng trong khoảng nhìn được là

không giống nhau Hình 2.1 là đồ thị thể hiện khả năng quan sát của con

người với từng mức sóng cụ thể của ánh sáng

Hình 2.1 Khả năng quan sát của con người tương ứng với từng mức sóng

Trong đồ họa 3D tính chất sóng - hạt của ánh sáng được trừu tượng hóa

thông qua các quy luật, việc xây dựng các quy luật này phần lớn dựa vào cácquy luật hình học, và các quy luật quang học Các phần nội dung dưới đây sẽtrình bày một số quy luật quan trọng, nhưng trước tiên để hiểu được các quyluật này chúng ta hãy xem xét một số đơn vị sử dụng trong việc đo lường ánhsáng [8], [9], [10], [13]

2.2 Một số đơn vị đo lường ánh sáng

Ánh sáng là một loại bức xạ điện từ trường do đó một phép đo lườngánh sáng cũng là một phép đo lường bức xạ Dưới đây là một số đơn vị đolường được sử dụng phổ biến trong các nguyên tắc xây dựng hình ảnh

 Góc khối:

điểm quan sát cho trước, ví dụ một vật thể nhỏ nhưng được đặt gần điểmquan sát

vẫn có thể có góc khối lớn hơn một vật thể có kích thước lớn nhưng được đặt

xa điểm quan sát Góc khối thường được ký hiệu là ω, đơn vị chuẩn của nó là

steradian (ký hiệu "sr").

Độ lớn của góc khối được xác định bằng tỷ lệ giữa diện tích S của hình

chiếu vật thể lên một hình cầu có tâm là điểm quan sát với bình phương bán

tích tỉ lệ (tỉ lệ của diện tích hình chiếu với diện tích toàn mặt cầu chiếu):

deg²=(180/π)2.(sr) và diện tích tỉ lệ = 1/4π.(sr).

Mặc dù không phải là một đơn vị sử dụng trực tiếp để đo lường ánhsáng nhưng góc khối lại được sử dụng như một thành phần trong nhiều đơn vị

đo lường, và các quy tắc của ánh sáng [6], [7], [8]

 Năng lượng bức xạ (Radiant Energy)

Năng lượng bức xạ: hiểu đơn giản là lượng năng lượng (công) được vận chuyển thông qua ánh sáng Nó thường được ký hiệu là Q, và đo bằng joule [J

= Ws = Nm= kgm 2 s -2 ].Năng lượng bức xạ phụ thuộc vào số lượng photon và

tần số (mức năng lượng) của các photon.

 Thông lượng bức xạ (Radiant Flux) hay Công xuất bức xạ

�

Trong đó �(��) là hàm năng lượng của nguồn phát tương ứng vớibước sóng �� Trong thực tế độ nhạy cảm của mắt với mỗi bước sóngkhác nhau là khác nhau do đó khi đánh giá hiệu suất bức xạ trên cảm thụ củamắt người ta kết hợp với hàm biểu diễn độ lợi của mắt theo bước sóng do đó

ta có công thức đo thông lượng trên đặc điểm cảm thụ của mắtngười là: Φ =

∫�� �� �(��)�(��)�� đơn vị đó khi đó là lumen Với �(��) là

hàm biểu diễn khả năng cảm thụ của mắt người tương ứng với bước sóng

 Độ rọi bức xạ (Irradiance) và độ tỏa sáng (Radiant Exitance)

Độ rọi bức xạ và độ tỏa sáng đều là là hai hình thức của mật độ thông

lượng Độ rọi bức xạ ký hiệu E được tính bởi công thức :

E = dΦ/dA (1.2)

Độ rọi đại diện cho thông lượng bức xạ dΦ đến một bề mặt tại một đơn

vị diện tích bề mặt dA Còn độ tỏa sáng được định nghĩa là thông lượng lượng

bức xạ trên một đơn vị diện tích ra khỏi bề mặt Trong đồ họa máy tính độ tỏa

sáng thường được gọi là radiocity, ký hiệu thường được sử dụng để đại diện là

B(x), người ta tính độ tỏa sáng bởi công thức sau:

cosd



(1.3)

Cả độ rọi bức xạ và độ tỏa sáng đều sử dụng một đơn vị đo lường đó là

(Wm -2 ) Trong quang học sóng mật độ thông lượng được định nghĩa là sản

phẩm của điện từ trường, do đó nó tỷ lệ thuận với biên độ của từng thànhphần sóng điện và sóng từ trường, và vì thế nó tỷ lệ thuận với bình phươngbiên độ sóng ánh sáng nói chung

 Cường độ bức xạ (Radiance)

Cường độ bức xạ là một phép đo phóng xạ, nó đặc trưng cho lượng ánhsáng đi qua hoặc phát ra từ một khu vực cụ thể trong một đơn vị góc khối theo

một hướng nhất định, trên một đơn vị diện tích bề mặt Chúng được sử dụngđể

mô tả cả bức xạ từ một nguồn khuếch tán hoặc phản xạ của một bề mặt

khuếch tán Đơn vị đo của cường độ bức xạ là watts trên mỗi đơn vị diện tích

m 2 , trong mỗi đơn vị góc khối sr:(Wm -2 sr -1 ) Theo tính chất của góc khối có

thể suy ra rằng, trên cùng một đơn vị diện tích một bề mặt ở gần nguồn sánghơn sẽ nhận được nhiều năng lượng hơn bề mặt ở xa, hay nói cách khácCường độ bức xạ của cùng một đơn vị diện tích tỷ lệ nghịch với khoảng cách.Cường độ bức xạ

thường được ký hiệu là L và được tính theo công thức sau:

L(x,  ,)  L(x,)  d

Trong đó: Trường hợp L(x,θ, ϕ) thì θ là góc thiên đỉnh ϕ là góc phương

vị trong hệ tọa độ cầu, với L(x, ) thì  là hướng ánh sáng, θ là góc giữa hướng ánh sáng và vector pháp tuyến của bề mặt tại điểm x, dΦ là thông lượng

bức xạ

phát ra trên đơn vị diện tích dA, trong đơn vị góc khối dω.

Radiance là một đại lượng đặc biệt quan trọng trong đồ họa máy tính, vì

nó là một hằng số theo đường thẳng trong không gian Đại lượng đo lường này

được sử dụng trong hầu hết hệ thống rendering bao gồm cả hệ thống sử dụng

kỹ thuật ray-tracers và hệ thống đồ họa tương tác (sử dụng bộ tăng tốc đồ

họa)

 Cường độ sáng (Intensity)

Xét một nguồn sáng điểm, giả định rằng tất cả các năng lượng bức xạđược phát ra từ một điểm duy nhất trong không gian ba chiều, đây là một mô

hình nguồn sáng phổ biến trong đồ họa máy tính Đáng tiếc Radiance không

phải là một đại lượng thích hợp để xác định độ sáng của một nguồn ánh sáng,

vì tồn tại một sự kỳ dị tại chính vị trí tâm của nguồn sáng điểm (tại đây hướng

nguồn sáng và góc θ là không xác định).

Cường độ ánh sáng I phải là một đại lượng mà không có kỳ dị này, vì vậy có thể được sử dụng cho đặc trưng của ánh sáng điểm Dựa vào (1.2)

người

ta đưa ra định 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 cầu hướng (có góc khối là 4πsr), một

nguồn sáng phát ra mức năng lượng như nhau tại mọi phía sẽ có cường độánh sáng là : I  

4

 Mức phơi sáng (Radiant Exposure)

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

gian, đơn vị đo lường của mức phơi sáng là [Wsm -2] Mức phơi sáng cũng cóthể hiểu là năng lượng bức xạ trên mỗi đơn vị diện tích Ví dụ cách đáp ứngcủa của một tấm phim trong máy ảnh là một sự hình dung trực tiếp cho mứcphơi sáng [6], [7], [8]

2.3 Hàm phân phối phản xạ hai chiều (BRDF)

Để tính sự chiếu sáng trong một cảnh, cần thiết phải xác định các thuộctính bề mặt của những đối tượng trong cảnh đó Các thuộc tính bề mặt có thểđược biểu diễn thông qua một hàm số, trong đồ họa máy tính người ta sử dụng

hàm phân phối phản xạ hai chiều (bidirectional reflection distribution

function được ký hệu là BRDF) để mô hình hóa các đặc tính bề mặt.

Hình 2.2 Sự phản xạ từ một nguồn sáng đến

điểm quan sát tại một điểm trên bề mặt

Hàm phân phối phản xạ hai chiều (BRDF) là mô hình phổ biến nhất của phản xạ cục bộ, nó được định nghĩa là tỷ số giữa cường độ bức xạ L 0 ra khỏi bề



mặt tại một điểm x trên bề mặt theo hướng 0

theo hướng  , cho bởi công thức dưới đây:

Đơn vị đo lường của BRDF là [sr -1 ] Giá trị của BRDF xác định mức

phản xạ của ánh sáng tại bề mặt Tương tự như vậy cũng có một hàm sử dụng

đề đặc trưng cho mức sáng truyền qua bề mặt, đó là hàm phân phối truyền qua

được việc này chúng ta phải đơn giản hóa, giới hạn nhiều tác động, điều kiện

để có

thể mô hình hóa được các hiệu ứng ánh sáng thông qua các hàm BRDF (BTDF) Các ràng buộc, giả thiết đơn giản hóa là:

 Ánh sáng phản xạ từ bề mặt có cùng tần số với ánh sáng đến bề mặt.

Không tính đến hiệu ứng huỳnh quang, đây là hiệu ứng xảy ra khi bề mặt

được nung nóng hoặc được chiếu sáng bởi một nguồn phát, các electron trên

bề mặt sẽ nhận được năng lượng và chuyển từ mức năng lượng ban đầu S0

lên mức năng lượng S*, các electron ở mức năng lượng cao luôn luôn có xu

hướng chuyển về mức năng lượng ban đầu (thông thường nó chỉ ở mức nănglượng cao trong khoảng thời gian từ 10-12 đến 10-9 giây), khi chuyển từ mứcnăng lượng S* về S0electron sẽ giải phóng một lượng năng lượng dưới dạng

một photon, thông thường photon được giải phóng sẽ có mức năng lượng thấp hơn mức năng lượng mà electron nhận được, sự phát quang như vậy được gọi

là hiện tượng huỳnh quang (fluorescence).

 Ánh sáng phản xạ lập tức sau khi được chiếu sáng Năng lượng hạt

photon không được lưu trữ, và tái phát dưới dạng lân quang

(phosphorescence) 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 khoảng vài mili giây, trong một số

trường hợp đặc biệt thời gian tồn tại của các electron ở mức năng lượng cao

có thể lên tới hàng phút thậm chí hàng giờ

 Không có phương tiện truyền thông tham gia Điều này có nghĩa ánh