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 ứng bóng là một công việc không thể thiếu tron

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

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

Thái Nguyên 2019

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

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo hướng dẫn TS Vũ Đức

Thái, luận văn với Đề tài “ Nghiên cứu hiệu ứng bóng đổ từ hai nguồn sáng

trong biểu diễn vật thể 3D”

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 Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, 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

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây thực tại ảo là một lĩnh vực được quan tâm phát triển, nó đang ngày càng chứng tỏ vai trò của mình trong sự phát triển của công nghệ thông tin nói riêng và các lĩnh vực của đời sống, xã hội nói chung Hiện nay thực tại ảo đang được ứng dụng phổ biến trong nhiễu lĩnh vực khác nhau như là Quân sự, giáo dục, kỹ thuật - xây dựng, giải trí, vv…

Trong các ứng dụng đồ họa ba chiều thời gian thực nói chung và trong các ứng dụng trưng bày ảo nói riêng là tạo ra những hình ảnh chân thật Ánh sáng

là yếu tố quan trọng và có ảnh hưởng nhiều đến việc biểu diễn bề mặt đối tượng, đây là yếu tố mà mọi ứng dụng ba chiều đều không thể bỏ qua Việc tính toán ảnh hưởng của ánh sáng lên biểu diễn bề mặt đối tượng được thể hiện thông qua hai hiệu ứng chính đó là hiệu ứng bóng bề mặt (Shading) và hiệu ứng bóng

đổ (Shadow)

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 ứng bóng là một công việc không thể thiếu trong các hệ thống thực tại ảo và trưng bày 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 và hiểu 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 sự biến đổi của đối tượng dưới sự tác động của ánh sáng và điều kiện môi trường trong lĩnh vực thực tại ảo và đồ họa ba chiều

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

hợp bản đồ chiếu sáng cho các ứng dụng trưng bày ảo Và nghiên cứu tập trung vào vấn đề xác định và mô phỏng bóng của một vật thể được chiếu từ hai nguồn sáng, nguồn sáng có thể di chuyển, thay đổi theo các phương khác nhau, cường

độ khác nhau; vật thể có kết cấu chiếm chỗ không gian khác nhau…

3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

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

Mô phỏng được sự ảnh hưởng của các nguồn sáng vào biểu diễn bề mặt của 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 ảnh thực tiễn làm cơ sở đối chứng cho kết quả cài đặt

Vận dụng thuật toán cài đặt chương trình mô phỏng thể hiệu ứng tạo bóng 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 hợp giữa 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 về hiệu 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 hai nguồn sáng

Nghiên cứu, đánh giá và lựa chọn phương pháp, giải pháp công nghệ cài đặt 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 phỏng hiện 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

là máy tính có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo Người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn và bị thu hút bởi sự mô phỏng này Tương tác và khả năng thu hút của VR góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm, cảm giác trở thành một phần của hành động trên màn hình mà người sử dụng đang trải nghiệm Nhưng VR còn đẩy cảm giác này "thật" hơn nữa nhờ tác động lên tất cả các kênh cảm giác của con người

Hình 1.1: Một hệ thống VR tại Viện Fraunhofer (CHLB Đức)

1.1.2 Ứng dụng của Thực tại ảo

Tại các nước phát triển, chúng ta có thể nhận thấy VR được ứng dụng trong 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 (Virtual Tour), bất động sản Trong lĩnh vực quân sự, VR cũng được ứng dụng rất nhiều 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 ứng dụng trong sản xuất, VR ứng dụng trong ngành rôbốt, VR ứng dụng trong hiển thị thông tin (thăm dò dầu mỏ, hiển thị thông tin khối, ứng dụng cho ngành du lịch, ứng dụng cho thị trường bất động sản ) VR có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn Có thể nói tóm lại một điều: Mọi lĩnh vực "có thật" trong cuộc sống đều 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 giả lập hoàn toàn bằng 3D, nhằm đem lại những trải nghiệm thực tế nhất cho người xem như họ đang ở trong chính không gian đó Ngoài thị giác, môi trường Thực

tế ảo được tích hợp thêm giác quan khác như thính giác (âm thanh), cảm nhận

về không gian, di chuyển, cầm nắm vật thể Một số các sản phẩm 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

Hình 1.3: Trải nghiệm du lịch tới mọi nơi trên thế giới

 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 mua hàng

– 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, tương tác 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 trong không gian đó, người dùng có thể mở và đóng từng cửa, khởi động và thay đổi cấp, 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

kế sản phẩm đa phương tiện multimedia… 3DS Max là đang dẫn đầu các phần mềm 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 khiển sau 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 (thiết lập 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 đồ họa có mục đích định ra một giao diện lập trình ứng dụng (tiếng Anh: API) đồ họa 3 chiều OpenGL cho phép phát triển các ứng dụng đồ họa sử dụng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau nhưC/C++, Java, Delphi,v.v…, tuy nhiên OpenGL cũng có thể được dùng trong các ứng dụng đồ họa 2 chiều Giao diện lập trình này chứa khoảng 250 hàm để vẽ các cảnh phức tạp từ những hàm đơn giản Nó được dùng rộng rãi trong các trò chơi điện tử Ngoài ra nó còn dùng trong các

ứng dụng CAD, thực tế ảo, mô phỏng khoa học, mô phỏng thông tin, phát triển trò chơi Không gian trong OpenGL được miêu tả qua hình học xạ ảnh Một điểm trong không gian này có tất cả bốn tọa độ Cách thể hiện các điểm trong không gian bằng 4 tọa độ cho phép xử lý các điểm vô tận một cách tổng quát

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 đắm trong không gian ảo Để xây dựng hệ VR thì việc xây dựng mô hình 3D là khâu quan trọng đầu tiên Cho đến nay, nhìn chung có 2 xu hướng để thực hiện mô phỏng hình 3D:

 Cách thứ nhất: thể hiện các mô hình 3D nhờ các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C#, Cách này không đòi hỏi sự chạy đua về công nghệ cũng như cấu hình mạnh của phần cứng, hơn nữa nó có thể thực hiện các mô phỏng phức tạp đòi hỏi sự chính xác cao.Tuy nhiên nó không được nhiều người sử dụng 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 ra những cảnh rộng lớn Mặc dù ít được ưa thích nhưng đôi khi nó lại là lựa chọn duy nhất cho những ai muốn mô phỏng chính xác các hiện tượng thiên nhiên đúng với bản chất của nó Tuy nhiên nó chỉ phù hợp với những mô phỏng có quy 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 thực hiện, nó phù hợp với các mô phỏng có tính chất mô hình không yêu cầu độ chính xác cao Một nhược điểm là nó yêu cầu cấu hình hệ thống mạnh để cài đặt và chạy chương trình, nhất là khi kết xuất Tuy nhiên, hiện nay cách này đang 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 phỏng động

 Mô phỏng tĩnh: Là dạng mô phỏng chỉ thể hiện được mô hình tĩnh, trong kết quả mô phỏng không có sự chuyển động, không có sự biến đổi Đây

là dạng mô phỏng thường chỉ áp dụng cho các vật tĩnh Đây là dạng mô phỏng đơn giản nhất

 Mô phỏng động: mô phỏng động được tách thành 2 loại, đó là mô phỏng động theo thời gian thực và mô phỏng động không theo thời gian thực:

- 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 nhất định (quá thời gian đó thì kết quả không còn có ý nghĩa) Đây là dạng mô phỏng phức tạp nhất, khó khăn nhất Nhưng đó lại là một đặc tính của Virtual Reality

- Mô phỏng động không theo thời gian thực: Đây là dạng mô phỏng không quan tâm tới thời gian đáp ứng của yêu cầu Nó phù hợp cho xây dựng các 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: Phương pháp 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 ra những 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 không gian 3D, hay các phương pháp Texture

 Phương pháp mô phỏng thật là dùng các kỹ thuật tạo đối tượng và hiệu ứng dựa trên cơ sở khoa học là các thuật toán biểu diễn tính chất vật lý của đối 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 tuỳ vào mức độ quan trọng của đối tượng trong hệ mà ta có thể chọn phương pháp phù 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 quyết nhiều vấn đề của đời sống thực tế Trong bảo tàng, trưng bày ảo được ứng dụng để tạo ra các phòng trưng bày ảo, qua đó khách tham quan có thể đến bảo tàng, xem và hiểu biết thông tin về các hiện vật, v.v của bảo tàng mà không 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 thiệu quảng bá sản phẩm của mình đến người tiêu dùng một cách đầy đủ và chính xác Trong lĩnh vực văn hóa nghệ thuật, trưng bày ảo chính là một công cụ hữu hiệu để các nghệ sỹ giới thiệu và quảng bá sản phẩm tinh thần của mình đến với độc giả Trong hầu hết các lĩnh vực của thực tế chúng ta đều có thể tìm 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 sự phát triền mạnh mẽ của các công nghệ Thực tại ảo, Thực tại ảo trộn, Thực tại tăng cường, đã tạo một khả năng phát triển mạnh mẽ cho việc phát triển và ứng 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 bảo tàng 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 có rất nhiều vấn đề được đặt ra cần nghiên cứu và giả quyết ví dụ như: vấn đề về xây 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 các ứng dụng trưng bày ảo đó là ảnh hưởng của môi trường đến biểu diễn bề mặt đối tượng đặc biệt là ảnh hưởng của ánh sáng thông qua các nguồn sáng đến biểu diễn bề mặt đối tượng Ảnh hưởng của nguồn sáng lên biển diễn bề mặt đối tượng như đã biết gồm hai phần chính do là ảnh hưởng đến việc hiển thị đối tượng và ảnh hưởng thứ hai là làm thay đổi bề mặt đối tượng Ảnh hưởng của nguồn sáng lên hiển thị đối tượng thông qua chiếu sáng là việc không thể thiếu được vì phải có chiếu sáng thì mời có đồ họa ba chiều và trưng bày ảo đồng thời trưng bày ảo có một số đặc điểm riêng biệt của nó vì vậy nghiên cứu 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 ảnh hưởng của nguồn sáng và các điều kiện môi trường đến bề mặt đối tượng không 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 giúp cho việc trưng bày đối tượng thực làm để cho chúng ít bị thay đổi, phá hủy theo 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 mềm trưng bày ảo cho một số hiện vật tại Bảo tàng Văn hóa các dân tộc Việt Nam tại TP Thái Nguyên với các lý thuyết phân tích về tác động của môi trường lên hiện vật

 Một số ứng dụng trong đồ họa 3D

Đồ hoạ 3D đang được nghiên cứu ứng dụng trong mọi lĩnh vực một cách mạnh mẽ hiện nay là: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch, 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 dụng mới nổi lên trong thời gian gần đây của đồ hoạ 3D như: đồ hoạ 3D ứng dụng trong 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 Có thể nói: Mọi lĩnh vực “có thật” trong cuộc sống đều có thể ứng dụng “thực tế ảo” để nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn

Một lĩnh vực đầy hứa hẹn là việc sử dụng trưng bày ảo 3D trong giáo dục - giải trí, cụm từ này đang được sử dụng rộng rãi, nó thể hiện cho một nền giáo dục hiện đại không theo khuôn phép truyền thống, điều đó có nghĩa là vừa

có thể học và vừa có thể giải trí trong khi học sinh đang tham gia một kịch bản nhập vai nào đó hoặc có thể tham gia một trò chơi trên thực tế tương tác nhập vai có thể nắm bắt được sự chú ý của người sử dụng hệ thống, cùng một lúc có thể cung cấp nhiều thông tin không giống như phương pháp trước đây khi 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 máy tính nó không dừng lại ở việc người dùng chỉ sử dụng máy tính với những mục đích cho công việc, mà nó còn mở ra vô vàn những thứ hấp dẫn khác với người sử dụng hệ thống mà người dùng như đang hóa thân thành nhân vật đượckhám 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 to lớn,

kể cả vật chất lẫn tinh thần

Từ những kiến thức về thực tại ảo và nhu cầu thực tế, luận văn thực hiện nghiên cứu xây dựng chương trình mô phỏng sự tạo bóng của một vật thể dưới tác động chiếu sáng từ hai nguồn sáng, hình ảnh mô phỏng là không gian trưng bày trong bảo tàng Văn hóa các dân tộc Việt Nam tại thành phố Thái Nguyên Chương 2 sẽ trình bày các kiến thức về lý thuyết, thuật toán sử dụng trong 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 trưng bày nói chung và trưng bày bảo tàng nói riêng Có ánh sáng con người mới có thể 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 theo một trật tự nhất định sẽ làm tăng hiệu quả trưng bày của từng hiện vật cũng như tạo

ra một bối cảnh thống nhất với những vị trí nhấn, nhả thông qua đó tạo ra ấn tượng tích cực với người xem vì vậy làm tăng hiệu quả của công tác trưng 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 trong không 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 các hướng khác nhau, trong đó có một phần đến được mắt, tác động lên hệ thần kinh thị giác, vì vậy chúng ta quan sát được đối tượng Theo định luật truyền thẳng ánh sáng khi đến một bề mặt không trong suốt thì bị cản lại, và không thể 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 luật phản 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 không gian 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 là những loại ánh sáng mà con người không có khả năng quan sát được.Khả năng 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 các quy luật hình học, và các quy luật quang học Các phần nội dung dưới đây sẽ trình bày một số quy luật quan trọng, nhưng trước tiên để hiểu được các quy luật này chúng ta hãy xem xét một số đơn vị sử dụng trong việc đo lường ánh sáng [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 lường ánh sáng cũng là một phép đo lường bức xạ Dưới đây là một số đơn vị đo lường được sử dụng phổ biến trong các nguyên tắc xây dựng hình ảnh

 Góc khối:

Góc khối là một khái niệm được sử dụng trong Toán học và Vật lý để nói tới các góc trong không gian ba chiều tương ứng giữa một vật thể với một điểm cho trước, nó tương tự với khái niệm góc sử dụng trong mặt phẳng hai chiều Góc khối được sử dụng để ước lượng độ lớn của vật thể tính từ một điểm quan sát cho trước, ví dụ một vật thể nhỏ nhưng được đặt gần điểm quan 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 ánh sáng 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: 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

Power)

Công xuất bức xạ được ký hiệu là Φ, được định nghĩa là lượng năng

lượng bức xạ trên mỗi đơn vị thời gian, đơn vị đo lường của nó là watt [W]

Φ = ∫ 𝑊(𝜆)𝑑𝜆; Φ𝑛ℎì𝑛 𝑡ℎấ𝑦 = ∫𝑡𝑖𝑚𝑑𝑜 𝑊(𝜆)𝑑𝜆

Trong đó 𝑊(𝜆) là hàm năng lượng của nguồn phát tương ứng với bước sóng 𝜆 Trong thực tế độ nhạy cảm của mắt với mỗi bước sóng khác nhau là khác nhau do đó khi đánh giá hiệu suất bức xạ trên cảm thụ của mắt 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 mắt người là: Φ =

∫𝑡𝑖𝑚𝑑𝑜 𝑊(𝜆)𝑉(𝜆)𝑑𝜆 đơn vị đó khi đó là lumen Với 𝑉(𝜆) 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 :

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:

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 thành phần sóng điện và sóng từ trường, và vì thế nó tỷ lệ thuận với bình phương biên độ sóng ánh sáng nói chung

Cường độ bức xạ là một phép đo phóng xạ, nó đặc trưng cho lượng ánh sáng 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 dụng để

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 sáng hơn sẽ nhận được nhiều năng lượng hơn bề mặt ở xa, hay nói cách khác Cường 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:

d dA

d x

L x



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 xạ được 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:



d d

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 độ ánh sáng là : I  4 

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 có thể hiểu là năng lượng bức xạ trên mỗi đơn vị diện tích Ví dụ cách đáp ứng của của một tấm phim trong máy ảnh là một sự hình dung trực tiếp cho mức phơi 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 thuộc tính bề mặt của những đối tượng trong cảnh đó Các thuộc tính bề mặt có thể được 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 với độ rọi bức xạ L i đến bề mặt theo hướng i, cho bởi công thức dưới đây:

L

x L x

E

x L x

f

i i

i i i

r

cos ).

, (

) , ( )

, (

) , ( ) ,

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

(bidirectional transmission distribution function được ký hệu là BTDF) Sự kết hợp của BRDF và BTDF được gọi là hàm phân phối tán xạ hai chiều (bidirectional scattering distribution function ký biệu là BSDF)

Mặc dù BRDF được sử dụng rất phổ biến trong đồ họa máy tính, tuy

nhiên phải hiểu rằng không thể mô hình hóa toàn bộ các hiệu ứng của ánh sáng

tương tác với bề mặt thông qua các hàm (BRDF và BTDF), mà để làm 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 năng lượng cao trong khoảng thời gian từ 10-12 đến 10-9 giây), khi chuyển từ mức năng 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)

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

sáng truyền đi trong không gian trống rỗng, và nếu đến thì đó là điểm trên bề mặt, các hiệu ứng xảy ra tại điểm đến không bị phân tán trong đối tượng, phân biệt môi trường và vật trong suốt

 Hệ số phản xạ và hệ số truyền qua

Mặc dù BRDF là sự mô tả hữu ích và đầy đủ cho thuộc tính của bề mặt, tuy vậy có vài ngoại lệ xảy ra, ví dụ khi tính BRDF của gương hoàn

hảo, thì f r sẽ tiến đến vô cùng khi tia 0 là phản xạ của tia i, và là 0 trong trường hợp còn lại

Một đặc trưng định lượng khác cho thuộc tính phản xạ của bề mặt đó là

hệ số phản xạ ký hiệu  Được định nghĩa là tỉ số giữa thông lượng phản xạ

0

 và thông lượng đến 1:

i d

Từ định nghĩa này có thể thấy giá trị của  nằm trong khoảng [0, 1] Đáng tiếc

là không thể dễ dàng chuyển đổi trực tiếp được từ hệ số phản xạ sang BRDF và

ngược lại, mà việc chuyển đổi này chỉ thực hiện được trong một số trường hợp

đặc biệt ví dụ với bề mặt khuếch tán (Lambertian) khi f r là hằng số thì có =π

f r

Tương tự như hệ số phản xạ hệ số truyền qua (r) cũng được định nghĩa

là tỷ lệ giữa thông lượng ánh sáng truyền qua và thông lượng ánh sáng nhận được tại bề mặt Phần ánh sáng còn lại được hấp thụ tại bề mặt tỷ lệ giữa lượng ánh sáng hấp thụ tại bề mặt, và lượng ánh sáng đến bề mặt được là hệ hệ số hấp

thụ (absorptance ký hiệu là α) Tổng của hệ số phản xạ, hệ số truyền qua và hệ

số hấp thụ luôn luôn là 1:

2.4 Nguồn sáng và phân loại nguồn sáng

Nguồn sáng là mọi thứ bức xạ ra ánh sáng, muốn quan sát được các sự vật trong thế giới phải có nguồn sáng Trong thế giới tự nhiên có nhiều nguồn sáng khác nhau như mặt trời, đốm lửa, bóng điện, đèn, nến hoặc nguồn sáng không trực tiếp như gương, các vật kim loại bóng khi bị chiếu sáng v.v Vậy

ta có thể phân loại nguồn sáng theo nhiều tiêu chí khác nhau ví dụ như: Phân loại theo tiêu chí khả năng phát sáng ta có thể chia làm hai loại như sau:

 Nguồn phát sáng: là các nguồn sáng tự phát ra tia sáng ví dụ như mặt

trời, bóng đèn, ngọn nến v.v… Trong đồ họa 3D thời gian thực chúng ta chỉ xét

đến loại nguồn sáng này mà thôi

là ánh sáng phản xạ của các nguồn phát khác Ví dụ gương hoặc mặt nước, các vật kim loại có độ bóng cao v.v… Trong nguồn sáng loại này cũng có thể phân thành các dạng khác nhau như nguồn sáng phản xạ lập tức, hay nguồn huỳnh quang, nguồn lân quang v.v…

Khi phân loại nguồn sáng dựa trên tiêu chí kích thước, không gian, và phạm chiếu 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 thống render):

 Nguồn sáng điểm (point light): là nguồn phát sáng từ một điểm duy

nhất trong không gian, hướng phát sáng của nguồn sáng là toàn bộ hình cầu hướng bao quanh điểm đó, cường độ sáng tại mọi hướng là như nhau Vì nguồn sáng xuất phát từ một điểm, và tới mọi hướng khác nhau trên toàn bộ hình cầu hướng, theo đặc tính góc khối có thể khẳng định rằng: một điểm bất kỳ trên bề mặt sẽ nhận được một mức năng lượng tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ nó tới điểm phát

 Nguồn sáng song song (direction light): đây là một 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 ví dụ điển hình cho loại nguồn sáng này, người ta cũng tạo ra nhiều loại nguồn nhân tạo nhằm chiếu ánh sáng đi xa ví dụ đèn pha, đèn pin v.v

khối nhất định (spot light)

Các loại nguồn sáng (point light, spot light và direction light) được sử

dụng rất phổ biến trong mô hình render sử dụng thiết bị tăng tốc đồ họa Còn

có một số loại nguồn sáng không phổ dụng khác như nguồn sáng phát từ một đối tượng, nguồn sáng song song có hạn chế ví dụ một nguồn song song chỉ chiếu trong một khu vực hình trụ vv… Tuy vậy do yêu cầu tốc độ và đặc tính

phức tạp của các dạng nguồn sáng này nên trong đồ họa 3D người ta hầu như

chỉ sử dụng ba loại nguồn sáng trên mà thôi [8], [9]

2.5 Phương trình chiếu sáng

Các phần nội dung trên đã trình bày, mô tả các thuộc tính của bề mặt, các hàm thể hện mối quan hệ giữa ánh sáng tới, ánh sáng phản xạ, và khúc xạ tại bề mặt, từ đó chúng ta có thể thể hiện sự chiếu sáng của một cảnh thông qua một phương trình đặc trưng cho tất cả các sự phản xạ trong cảnh, phương trình này được gọi là phương trình tô bóng (nhiều lúc được gọi là phương trình

render) Phương trình tô bóng được Kajiya đưa ra lần đầu tiên vào năm 1986:

0 0

0

n

i i i i

i i

r

L x

Cường độ bức xạ L 0 tại một điểm x theo một hướng 0được tính bằng

cường độ bức xạ L ephát ra (trong trường hợp bề mặt là một nguồn phát, nếu

không L e là 0) cộng với cường độ bức xạ phản xạ khi bề mặt được chiếu sáng bởi các nguồn sáng

Phương trình bóng (1.9) đặc trưng cho các phản xạ mang tính toàn cục

(chiếu sáng toàn cục), do đó về mặt lý thuyết nó cũng có thể sử dụng để tính toán cho cả việc chiếu sáng từ các nguồn gián tiếp trong cảnh Tuy nhiên khi xét đến sự chiếu sáng từ các nguồn gián tiếp độ phức tạp tính toán của hệ thống

sẽ là vô cùng lớn, không có khả năng đáp ứng thời gian thực, do đó đa số các thiết bị tăng tốc đồ họa ngày nay chỉ hỗ trợ cho 3 loại nguồn sáng đơn giản

Nếu chỉ với ba loại nguồn sáng này chúng ta có thể viết lại công thức (1.9) dưới

dạng đơn giản hơn như sau:

Trong đó I j là cường độ của nguồn sáng thứ j, và g I jlà cường độ bức xạ tại

điểm x cho bởi nguồn sáng thứ j Với nguồn sáng điểm (point light), và (spot light) ta có g=w/r 2 , với nguồn sáng song song g là hằng số: g=w/m 2 , với w là công xuất phát sáng của nguồn sáng tính bằng (W), r là khoảng cách từ điểm trên bề mặt tới điểm phát sáng, m 2 là diện tích hình chiếu cắt vuông góc với hướng chiếu sáng, thông thường g được cho là hằng số Lưu ý với công thức

(1.10) và 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 bất kỳ điểm nào Tuy vậy cũng có thể xử lý để

thể hiện được hiệu ứng bóng đổ nếu chúng ta chuyển g thành g * (x,i)= g(x,i)*v(x,i), trong đó v(x,i) bằng 0 nếu tại điểm x không quan sát được nguồn sáng i, và bằng 1 trong trường hợp ngược lại [6], [7].

MỘT SỐ KỸ THUẬT HIỂN THỊ MÔ HÌNH 3D

Vì số dữ liệu hình học rất lớn cùng dữ liệu mô phỏng chất liệu kiến trúc,do vậy bắt buộc tiếp cận các kỹ thuật tăng tốc đồ họa 3D với các máy tính hiệu năng cao Do đó không tránh khỏi phải sử dụng kỹ thuật tăng tốc đồ họa cao cấp như kỹ thuật chọn lọc, phân mức chi tiết, thay thế ảnh Thuật toán chọn lọc là 1 kỹ thuật rất phổ biến cho việc thị sát cảnh Đó là hiệu ứng đặc biệt trong địa hình có diện tích lớn và được bịt bằng các kiến trúc xây dựng kép kín Đây không phải là kỹ thuật được đưa vào ứng dụng.Thay vào đó quyết định sử dụng hình ảnh đặt cơ sở cho cách tiếp cận để tái hiện không gian trưng bày trong viện bảo tàng.Kỹ thuật đó có tên gọi là kỹ thuật thay thế ảnh 3D bằng ảnh 2D, cả hai loại dữ liệu, hình học và vật liệu tẩm phủ lên bề mặt kiến trúc được thay thế bởi các ảnh kỹ thuật cao để giảm bớt thời gian tái tạo cảnh trên máy tính

2.6 Thuật toán Occlusion – Culling

Việc mô hình hóa và mô phỏng các đối tượng được trưng bày là rất khó,

do độ phức tạp, chi tiết chân thực của vật thể trong viện bảo tàng.Bên cạnh đó,

chúng ta khó có thể chụp ảnh được hết các vị trí trưng bày của bảo tàng, đồng thời cũng khó có thể vẽ được hết những gì mà ta không thể nhìn thấy được.Để

có thể hỗ trợ đắc lực và tạo ra những đối tượng, góc cạnh phù hợp, chúng ta có

thể sử dụngthuật toán Occlusion Culling (OC) [4,5]

Với thuật toán OC có thể hiển thị các đặc trưng chi tiết có một độ phức tạp chiều sâu cao.Độ phức tạp chiều sâu đề cập đến số lần một pixel trên màn hình trong khi dựng cảnh Hình 2.3 dưới thể hiện 3 góc nhìn của cùng một cảnh Khung giây làm nó rõ ràng mà có nhiều phóng đại Ảnh bên phải là sự phức tạp chiều sâu của ảnh: sáng hơn một pixel, nhiều lần nó được phóng đại

Hình 2.3: Dựng hình đặc, khung dây, và sự phức tạp độ sâu

Để giảm sự phức tạp chiều sâu, có thể thực hiện Occlusion Culling Khi đối tượng A hoàn toàn đằng sau đối tượng B, A được gọi là được bít kín bởi B,

và không cần được vẽ Thực chất, việc sử dụng OC là quá trình chọn lọc (Culling), tức là loại bỏ mọi thứ từ một khung cảnh mà không đóng góp đến hình vẽ cuối cùng, bao gồm các thứ mà đằng sau nguời quan sát, màn ảnh riêng, hoặc trong những hệ thống tiên tiến hơn, ẩn đằng sau những đối tượng khác (đã

bị che khuất) Khái quát hóa chọn lọc bằng việc loại bỏ những công việc không cần thiết bằng cách so sánh các ranh giới không gian củađối tượng với khung nhìn hình chóp cụt biểu diễn không gian 3 chiều xác định

Trong phần tiếp sau, sẽ trình bày shadow volumes như một cách có thể thực hiện được để thực hiện OC