Nghiên cứu kỹ thuật tạo bóng bề mặt của vật thể và Ứng dụng

tất nhiều vấn đề được đặt ra cần nghiên cứu và giả quyết ví đụ như: vấn đề về xây đựng và tối ưu hóa mô hình để có thể sử đụng được, vấn đề về quân lý thông tin bao gồm cả các thông tin

ĐẠI HỌC THAI NGUYÊN

TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN VA TRUYEN THONG

PHAM THỊ PHƯƠNG NGA

NGHIEN CUU KY THUAT TAO BONG BE MAT

CUA VAT THE VA UNG DUNG

‘Ngan: Khoa hoc may tinh

Mã số: 8 48 01 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

'NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Vũ Đức Thái

Thai Nguyên năm 2020

i

LOICAMBOAN

‘Tén t6i fa: Phạm Thị Phương Nga

Sinh ngày: 08/10/1979

Hoc viên lớp cao học CHK17A - Trường Đại học Công nghệ Thông

tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường THCS Quang Sơn - Đồng Hÿ - tỉnh

“Thái Nguyên

‘Xin cam doan: Dé tai “ Ajghiên cứu kỹ thuật tạo bóng bê mặt của vật thể

và ứng dựng”, do TS Vũ Đức Thái hướng dẫn là công trinh nghiên cứu

của riêng tôi Tất cả tài liệu tham khão đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

‘Tac giã xin cam đoan tắt cả những nội dung trong luận văn đúng như nội đung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật

Thái Nguyên, ngày 17 tháng 09 năm 2020

Tác giả luận văn

Phạm Thị Phương Nga

LOICAM ON

Tôi xin chân thành cảm ơn 7S Vữ Đức Thái, là thây giáo trực tiếp

hướng đẫn khoa học cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo, cán bộ trong trường Đại học Công nghệ Thôi

các anh chị đồng nghiệp trong cơ quan đã tạo những điều kiện thuận lợi cho

tôi học tập và nghiên cứu hoàn thành chương trình học tập và thực hiện luận

văn tốt nghiệp

g tin va Truyền thông — Dai học Thái Nguyên cũng

Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, các chi và các bạn học viên lớp Cao hoc Khoa học máy tinh CK -17A, trường Đại học Công nghệ Thông tin

và Truyền thông ~ Đại học Thái Nguy

tinh chia sẽ với tôi những kinh nghiệm học tập, công tắc trong suốt khoá học

gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, những người

quá trình thực hiện luận văn

đã luôn động viên, giúp đỡ và nhiệt

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Chương 1 TONG QUAN VE MO PHON

MO HINH BONG BE MAT

1.1 Tổng quan về thực tại ão

1.1.1.Thực tại ão là gỉ

'VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ

1.3 Vai trò của việc mô phỏng không gian 3D 10

1.4.2 Kỹ thuật hiển thị mô hình Bump Mapping 1

1.4.5 Kỹ thuật sử đụng môi trường énh xa bump mapping 20

Chương 2 MỘT SỐ KỸ THUAT HIEN THI BE MAT CUA VAT THE

2.3.Thuật toán chiếu sáng toàn cục 28

3.3.1.Thuật toán xác định hướng ánh sáng trong môi trường 49 3.3.2 Thuật toán tính toán tương tác giữa các vật thể khi xoay 50

PHU LUC

Hình 1.5 Không gian tiếp tuyến

Hình 1.6 Sự phản xạ của tia sáng trên bề mặt

Hình 2.1 Nguyên tắc đặt đèn trong trưng bay

"Hình 2.2 Minh hoa quá trình sinh và đồ tia cia ray tracing

Hinh 2.3 Các bước xử lý trong giải thuật Ray tracing

"Hình 2.4 So sánh giữa Scan line và ray tracing

Hình 2.5 Chiều sáng bằng photon mapping

"Hình 2.6 Các bước xử lý trong giải thuật Scan line

Tình 2.7 MAX cung cấp ba loại điều chỉnh điểm chốt

“Hình 2.8 Use Selection Center (tâm của tập chọn)

"Hình 2.9 Transform Coordinate Center (tim của hệ tọa độ phép biển đổi) Hinh 2.10 Trước khi Occlusion Culling

Hình 2.11 Dung lượng phát trién bong Culling

"Hình 3.6 Mô hình thuật toán xác định hướng ánh sáng trong môi trường

"Hình 3.7 Sơ đồ khối của phương pháp tích phân hợp

Hình 3.8 Biểu diễn hiện vật Trồng với hướng chiều sáng từ trên xuống Hình 3.9 Biêu diễn hiện vật Bình với hướng chiều sáng từ trên xuống

Hình 4.0 Biểu diễn hiện vật Công với hướng chiếu sáng từ trên xuống Hình 4.1 Biểu diễn hiện vật Giỏ với hướng chiếu sáng từ trên xuống

lo chọn để tài

"Trưng by ão là một lĩnh vực đã và được ứng đụng trong giãi quyết nhiều

vấn đề của đời sống thực tế Trong bảo tàng, trưng bày ão được ứng dụng để tạo

a các phòng trưng bày áo, qua đồ khách tham quan có thể đến bio ting, xem va 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 tổ, trừng bay do 1a noi cho phép các nhà săn xuất, nhà kinh doanh, v.v giới thiệu quảng ba sin phẩm của mình đến người tiêu đùng một cách đầy đủ và chính xác Trong lĩnh vực văn hóa nghệ thuật, trưng bảy ão chính là một công cụ hữu hiệu để các nghệ sỹ giới thiệu va quảng bá sản phẩm tỉnh thần của mình đến với độc giả Trong hầu hết các lĩnh

vực của thực tế chúng ta đều có thễ tìm thấy một vấn đề có thể ứng dụng, sử

đụng trưng bày do như là một công cụ trực tiếp hoặc gián tiếp để giấi quy

đề đó Thời gian gần đây với sự phát triển 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 đụng của trưng bày ảo Với sự hỗ trợ của các công nghệ mới này, người ta cô thê đưa những hiện vật ảo ra ngoài không gian thực

để người tham quan có thể xem thậm chí là tương tác va sit dung hiện vật ão đó

như thật Qua đó, giải quyết được nhiều vấn đề như: thiếu hiện vật, bảo quản tiện vật trong bão tàng hoặc các vấn đề vẻ kinh tế (chi phí làm sản phẩm mẫu)

trong thương mại

Để xây đựng các ứng dụng thực tế sử đụng công nghệ trưng bày ảo có

tất nhiều vấn đề được đặt ra cần nghiên cứu và giả quyết ví đụ như: vấn đề về

xây đựng và tối ưu hóa mô hình để có thể sử đụng được, vấn đề về quân lý thông tin bao gồm cả các thông tin về vị trí trưng bày của từng hiện vật, vấn

đề về tính toán va chạm gỉ ữa hiện vật ão với môi trường thật, v.v

quan trọng nhất trong các ứng đụng đỏ họa ba chiều thời gian thực

nôi chung và trong các ứng đụng trưng bảy ão nói riêng là tạo ra những hình ảnh chân thật Đề có được những hình ảnh như vậy điều quan trọng là tính toán được

của

các tác động của môi trường lên biểu điễn bề mặt đối tượng Các tác đội

môi trường lên bề mặt đối tượng có thê phân thành hai loại chính: một là các tác động không làm thay đổi bản chất bề mặt của đối tượng mà chỉ làm thay đổi

"hình ảnh từ người quan sắt, hai là các tác động làm thay đổi kết cấu, tính chất,

đặc điểm bề mặt thậm chí là đặc điểm hình học của đối tượng

'Với loại thứ nhất, thể hiện các tác động làm thay đổi hình ảnh quan sát

của đối tượng Việc tính toán các tác động này về bản chất, chính là quá trình kết xuất ảnh hai chiều từ đối tượng, góc quan sát và các điều kiện môi trường,

toàn bộ quá trình này được gọi là (Rendering) [7, 22] Trong Rendering ngoài yếu tổ nội tại của đối tượng, ánh sáng là yếu tổ quan trọng và có ảnh hưởng

nhiều đến việc biểu diễn bề mặt đối tượng, đây là yếu tổ mà mọi ứng dụng ba

chiều đều không thể bô qua Việc tính toán änh hưởng của ánh sáng lên biểu

diễn bề mặt đối tượng được thê hiện thông qua hai hiệu ứng chính đó là hiệu

"ứng bong bé mat (Shading) và hiệu ứng béng dé (Shadow)

"Nghiên cứu về bông bề mặt là các nghiên cứu cơ bản và quan trọng trong

đồ họa ba chiều thời gian thực Có nhiều kỹ thuật tô bóng đã được đề xuất và đang được sử dụng rộng rãi hiện nay có thể kể đến như kỹ thuật tô bồng Gouraud [7] được đề xuất năm 1971 đây chính là kỹ thuật nền tăng cho mọi

kỹ thuật tiếp theo; kỹ thuật tô bóng Phong [12] và Phong Blinn [2] là hai kỹ

thuật được cài đặt và sử đụng rông rãi nhất hiện nay

Ngoài các kỹ thuật trên hiện nay các kỹ thuật sử dụng bản đỏ phụ trợ như Nomnal Mapping, Parallax Mapping, Displacement Mapping [5, 16, 18] nhằm làm tăng độ chỉ tiết của bề mặt đối tượng nhưng không làm thay đổi số lượng da giác biễu điễn cũng đang được sử đụng rộng rãi

để tô bông là vấn dé kinh điễn và đã được nghiên cứu từ rất lâu tuy

nhiên đo phải đáp ứng yêu cầu thời gian thực nên việc tô bóng cho các đối

tượng như như lông, tóc, khôi, mây, các đối tượng lông, v.v hoặc việc thể hiện các hiệu ứng gương, khúc xạ, thấu kính, v.v là những vấn dé khô và tiếp

tục được nghiên cứu Các công trình nghiên cứu tiêu biểu có thể xem trong

các tài liệu tham khão [9, 10, 11, 14, 20]

tượng đặc biệt là ảnh hưởng của ánh sáng thông qua các nguồn sáng đến biểu diễn bề mặt đối tượng Ảnh hưởng của nguên sáng lên biển diễn bề mặt đối tượng như đã biết gồm hai phần chính đo là ảnh hưỡng đến việc hiển thị đối tượng và ảnh hưởng thứ hai là làm thay đổi bề mặt đối tượng Ảnh hưởng của nguên sáng lên hiển thị đối tượng thông qua chiếu sáng là việc không thể thiếu được vì phải cô chiếu sáng thì mời cô đỗ họa ba chiêu và trưng bày ảo đồng thời trưng bày ảo có một

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 bầy

ảo mà các kết quả nghiên cứu này còn có thể sử dung 1am công cụ đề trợ giúp

cho việc trưng bây đối tượng thực làm dé cho chúng ít bị thay đổi, phá hủy theo thời gian đưới sự tác động của ánh sing và môi trường

Nhận biết được sự quan trọng đó, với mục đích mô phông được sự ảnh

tượng ba chiều trên

bề mặt của

hưởng của các ngu

cơ s đồ phát triển hệ thống trưng bay ão các hiện vật ão ba chiều Mục tiêu

cụ thể là nghiên cứu các kỹ thuật chiều sáng và hiệu ứng bóng bề mặt của vật thé trưng bày trong không gian ba chiều

"Tôi đã lựa chọn đề tài:” Nghiên cứu kỹ thuật tạo bóng bÈ mặt của vật

thể và ứng dụng” Đề tài nghiên cứu các thuật toán để cài đặt mô phỏng cho

một số hiện vat trong Nha bảo tàng văn hóa các đân tộc Việt Nam tại thành

phố Thái Nguyên

'Ứng dụng kết quả đã nghiên cứu vào xây dựng một phần mềm trưng bày

ảo cho một số hiện vật tại Báo tàng Văn hóa các dân tộc Việt Nam tai TP Thai _Nguyên với các lý thuyết phân tích về tác động của môi trường lên hiện vật

2 Mục tiêu

- Nghiên cứu các thuật toán đã và đang được vận đụng tại Việt Nam

và thể giới để khái quát hóa lựa chọn công cụ phù hợp nhất cho việc cài đặt

- Lựa chọn các vat thé và không gian thích hợp đề phân tích các hình

ảnh thực tiễn làm cơ sở đối chứng cho kết quả cài đặt

- Đánh giá rút kinh nghiệm về thuật toán để có thể cãi tiến việc mô phông tốt hơn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của để tài

+ Đối tượng nghiên cứu:

— Đối tượng nghiên cứu là các kỹ thuật chiều sáng, các kỹ thuật biểu diễn sự biến đổi của đối tượng đưới sự tác động của ánh sáng và điều kiện môi trường trong lĩnh vực thực tại do và đỏ họa ba chiều

~ Phạm vi nghiên cứu:

— Tập trung nghiên cứu các kỹ thuật tính toán bản đồ chiếu sáng và đứng dụng kết hợp bản đô chiều sáng cho các ứng đụng trưng bày ảo Ảnh hưởng của ánh sáng lên sự biến đổi bề mặt một số loại chất liệu phổ biến

rong lĩnh vực trưng bay do

MO HINH BONG BE MAT

1.1 Tổng quan về thực tai a0

1.1.1.Thực tại ão là gì

“Thực tại do (Virtual reality VR) là một hệ thống mô phống trong đồ đỗ họa mấy tính được sử dụng để tạo za một thế giới "nhu thật, Hơn nữa, thể giới "nhân tạo" này không tình tại, mã lại phân ứng, thay đổi theo ÿ muốn (in hiệu vào) cũa

"người sở đụng (nhờ bãnh động, lời nói,.) Điều này xác định một đặc tính chính của

`VR, đồ là tương tắc thời gian thực Thời gian thực ở đây cố nghĩa là mấy tính cỗ

“khả năng nhận biết được tin hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập túc thể giới áo Người sở đọng nhn thấy sự vật thay đối trên mẫn hình ngay theo ý muda va bj th hit boi sự mô phông nấy Tương tác và khả năng thu hút cũa VR, gếp phần lớn vào cảm giác dim chim, cảm giác trở thành một phần của hành động trên màn hình ma người sở dung đang trấi nghiêm Nhưng VR cin diy cảm giác cày "thật" hơn nữa nhờ tác động lên tất cả các kênh cảm giác của con người Trong thực tế, người ding không những nhìn thấy đối tượng đỗ họa 3D nỗi, điều khiển (xeay, di chuyễn,.) được đối tượng trên màn hình (như trong game), mã côn sở và căm thấy chúng như có thật Ngoài khả năng nhấn (thị giác), nghe (thính giấc), sở (xe giác), các nhà nghiền cứu cũng đã nghiền cứu để tạo các căm giác khác nhự

ngủi (khứu giác), nếm (vị giác) Tuy nhiên hiện nay trong VR các cảm giác này

"mô hình hoá không gian ba chiều với sự hỗ trợ của các thiết bị đa phương tiện hiện đại đễ xây dựng một thể giới mô phãng bằng máy tính”, [3.4,6/7,8]

1.1.2 Lịch sử phát triên của thực tại äo

Thực tại do là một thuật ngữ mới xuất hiện khoăng đầu thập kỹ 90, nhưng ở

và châu Âu VRR đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng

img dung rng rli trong moi lĩnh vực (nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đảo

“Thực tại áo là công nghệ sử dung các

M

tạo công như thương mại, giải trí ) tiềm năng kinh tế cũng như tính lưỡng dụng.

(treng dân dụng, quân sp) của nỗ VR không phải là một phất minh mới, mã ng

‘nim 1962 Morton Heilig (Mj) 44 phét minh ra thiét bị mô phông SENSORAMA Tuy nhiên cũng như nhiều ngành công nghệ khác, VR chỉ thực sự được phát triển cứng dụng rộng rã trong những năm gần đây nhờ vào sự phát tiễn ca tin học (ghẫn mềm) và mấy tính (ghẫn công) Thuật ngỡ “vioal realiy thực tại do được đưa ra

‘bi Jaron Lanier (ngudi sing lip cing ty VPL Research, tsi Redwood ~ California,

"một trong những công ty đầu tiên cung cấp các sẵn phẩm cho môi trường do)

‘trong mấy tính Thể giới này có thể lã các mô bình được thiết kế với sự trợ giúp của

“mấy tính, là sự mô phống bay là cách nhịn nhận một cơ sở dữ liệu Hệ thống có thể

có tính động, các mô phỏng vật lý hay các hoạt cảnh

1.1.3 Ứng dụng của thực tại ão

Tại các nước phát triển, chúng ta có thé nhận thấy VR được ứng dụng trong

‘moi lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải tri, du lich, va dép ứng

“mọi nhủ cầu: Nghiên cửu- Giáo đục Thương mại dịch vụ

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

công được ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí, du lich do (Virtual Tous),

tất động sản Trong lĩnh vực quân sự, VR cũng được ứng dung rất nhiều ở các

tước phát triển Bên cạnh các ứng đọng truyền thống ở tên, cũng có một số ứng

dụng mới nỗi lên trong thời gian gần đây của VR như: VR ứng dụng trong sản xuất

`VR ng đụng trong ngành röbốt, VR ông dụng trog hiển thịthông tín (thăm đồ dẫu

mô, hiễn thị thông tin khối ứng đụng cho ngành du lịch, ứng dụng cho thị trường

tất động sản ) VR có tiềm năng ứng dung vô cùng lớn Có thể nối tôm lại một

điều: Mọi lĩnh vực "c thật " trong cuộc sống đều có thể ứng đụng "thực tế ảo" để

"nghiền cứu và phất triển hoàn thiện hơn [1]

1.2 Mô hình 3D trong thực tại ão

`Mô hình 3D hiện đang ngày càng phổ biến và sử dụng rộng rãi trong các ứng đụng mồ phông, thực tại ão Ta thấy, với các khoáng cách khác nhau trong khi quan sất chúng ta sẽ thấy các độ chỉ tiết khác nhau cũa mô hình Điều này có nghĩa các

"mô hình ở gin sẽ rit chi tiết trong khi các mô hình cảng ở xa sẽ càng mờ Để tối ưu

dạng mô hình với độ chỉ ết trong ứng, kỹ thuật này trong thực tại áo gọi là LOD (Level Of Detail) Kỹ thuật này di duge F Biljecki, H Ledoux va Siter trình bây để biễo diễn các mô bình 3D các tòa nhã năm 2016 [15], Như vậy, mỗi mổ hình: 3D phải thiết kế lại nhiễo lẫn với độ chỉ it khác nhau Điễu này dẫn tớ thời gian

và chỉ phí tạo ra mô hình ra tăng và đồng nghĩa với tổng chỉ phí cho một hệ thế trơng bây áo là lớn Đỗ giảm chỉ phí khi xây đựng mô hình cần áp dụng các chiến lược ty động tối ro mô bình đợa trên khoảng cách quan sắt ngay khi chương tình đang chạy Quá tình tối vo này gọi là LOD tự động Trong đó, độ chỉ tết của mô hình được tự động tính toán đợ trên khoảng cách của nỗ ổivịtrí quan sắt

Có ba phương pháp chỉnh để tạo ra mô hình 3D: Một là sở đọng các phần mềm thiết kế 3D tạo ra hư viện mô hình (do các nhà thiết tạo ra) Hai la si dong

các lệnh trong ngôn ngỡ lập trình để vẽ ra các mô hình Ba là sử đọng các thiết bị

may quét 3D tạo mô hình từ vật thể thực Phương pháp ding lệnh rất vất và tấn kém

và hấu như không còn được sở dung nữa Phương pháp sử dụng các thiết bị phần

cứng là máy quết để tạo mô hình 3D mang nhiều ưu điểm như thời gian tạo ra một

“mô bình ngắn, độ chính xác cao, tính én định, chỉ phí rễ v.v Tuy nhiên, mỗ hình

to ra từ mấy quết có một nhược điểm chính là số lượng lưới lớn Do đồ, trên thực

Ế đa phần các chương trình mô phông thực tại ảo thường sở đụng các mô hình nh

tờ phần mềm thiết kể 3D

Ki nay dong ứng dụng, chúng ta cần giải pháp tết kiệm các chỉ phí khi đơng mô hình Ý tưởng cöa giải pháp chúng ta chỉ thiết kế mô hình 3D của đối tương một lẫn duy nhất còn các cấp độ giảm lưới sẽ tự động tạo ra mồ hình mới

tương ứng

"Đu tiên, ta phải xây đựng các mô bình hiện vật 3D ở mức độ chỉ it nhất Sau đồ đợa vào khoảng cách tờ mắt người tham quan ảo đến vị tỉ của hiện vật 3D sẽtiễn hành rất gọn bề mặt lới của mô hình đó Quy luật là khoảng céch cing xa th lưới của mô hình đồ cảng giảm Chúng tôi chia độ ch tết của mổ hình thành bốn mốc từ LODI tối LOD4 Trong đó, lưới mức độ một (LODI) ở trong khoảng cách gẳn nhất với mức mô tả chỉ tết nhất, và lưới cắp độ bến (LOD4) ở khoảng cách xa nhất

Quá trình chuyển tờ LODI sang thấp hơn là quá trình rút gọn lưới của các

“mô hình trong cảnh ca bảo tìng mà chúng tôi mong muốn [2] Số lưới của mổ hình cấp độ LOD? bing khoảng 50% số lưới côa mô hình cắp độ LODI, trong ty ta quy định số lưới LOD3 bằng khoảng 23% số lưới LODI, và số lưới LOD4 bằng khoảng 12,5% số lưới LODI Véi vi gim lưới này thì các mổ hình sẽ bị biến dạng và đổi khi sẽ không còn là chính mô hành đồ mã biển thành một mô hình khác và điều này không chấp nhận được Do đồ, chồng ta cần một thuật toần rất gọn loới hợp lý sao

độ khác nhau thi việc mô bình bị biển dạng là thấp nhất Trong các phần tế theo của bài bảo chúng tôi tình bày kỹ thuật tối vu lồi à kết quả su quá trình cải đặt ng dung trong bài toàn trơng bây áo

C8 bai đạng bãi toầntối vo mô hình 3D thường được nhắc đến trong nh vực

“mô phông 3D với

tới các bài toán xử lý về ánh sáng, góc cạnh để khi render thu được hình ảnh chân

thực nhất có thể Trên thực tế quả tình tối to này dẫn tối một trường phá thiết kế siêu thực Ở đồ những nhà thiết kế có th thay thế nhân vật thực bằng nhân vật thiết

kế áo Thổ hai, là tối số lượng lưới (mặt và đỉnh trong mô hình) với bãi toán này đầu vào là một mê hình 3D (thường là mồ hình th được từ máy quê) và đầu r là

“mô hình đô với số lượng lưới giảm đi nhưng vẫn đâm bảo hình dạng và hình ảnh của đối tượng không thay đối nhiều giða trước và sau tối vơ Trong nội đọng luận

ăn tập trong vào giải quyết bài toán thứ hai Tức là nghiền cứu các kỹ thuật âm giảm lưới mô bình 3D nhơng vẫn đảm bão giỡ được bình dạng và hình ảnh cổa đối tượng sau khi render

“Để họa mấy tính 3D thường được nổi đến là mô hình (mod) 3D Ngoài các

đỗ họa được kết xuất, model được chứa trong các tập tin đỡ tiệu đỗ họa, Tuy nhiễn,

cổ sự khác biệt Model 3D là đại diện toán học của bắt kỹ đối trợng ba chi, Một

“mô bình không phải là một ỹ thuật đỗ họa cho đến khi nô được hiễn thị Một mồ hình có thể được hiễn thị trợc quan như là một hình ảnh bai chiều thông qua một

lịch, địa ốc và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu - Giáo đục - Thương mại - dich

vụ Bên cạnh các ting dụng truyền thống ở trên, cũng có một số ứng đụng mới lên trong thời gian gần đây của 45 hoa 3D nhv: dé hoa 3D ứng đụng trong sân suất,

‘ong ngành röbốt, trong hiễn thị thông tin (thăm đò dầu mỗ, hiển thị thông tin khối,

) để hoạ 3D có tềm năng ứng dung về công lớn Có thể nối: Mọi nh vục “cố

thất trong cuộc sống đều cổ thể ứng đọng "thực

hoàn thiện hơn

"Một nh vực đầy hứa hẹn à việc cử đụng trơng bày ảo 3D trong giáo đục

- giải trí, cụm tờ này đang được sở đọng rộng rã, n thể hiện cho một nÊn gido dục hiện đại không theo khuôn phép troyền thống, điền đỏ cổ nghĩa là vữa có thể học và

‘via 06 thé 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 trơng tác nhập vai có thể nấm bắt

được sợ chỗ Ý của người sở dụng hệ thống, cùng một lóc cô thế cong cấp nhiều thông ta không giống như phương pháp trước đây khi sử đụng hệ thống không phải

là đa phương tiện Ngoài ra, trơng bây ảo 3D là một cách thể hiện ất hiện đại của

sự trơng tác giða người đồng và mấy tính nỗ không đồng lại ở việc người ding chi

1o” để nghiên cứu và phát triển

sở đọng máy tính với những mục đích cho công việc, mã nỗ còn mổ ra vô vẫn

những thứ hấp dẫn khác với người sử dụng hệ thống mà người ding như đang hóa

thân thành nhân vật được khâm ph nhiều noi mà mình chưa biết

THầu hết các trơng bầy, tỉnh diễn từ ảnh tỉnh đến các video hoạt hình đều biễu điễn trong không gian 3D, do vậy việc nghiên cứu các kỹ thuật thể hiện hình

ảnh 3D ngày càng được phát triển rộng rãi Việc thể hiện 3D với các tác,

là cần thiết là mọc tiên để tải cần đạt được

+ Ứng dụng chiếu sáng toàn cục và chiếu sáng cục bộ trong trưng

bay do

- Trong cac ting dung trung bay ảo, chúng ta có thê chia thành hai phần

độc lập một là không gian trưng bây là nơi mà ta sẽ đặt các hiện vật ão vào

không phát huy được hết các ưu điểm của các hệ thống mô phỏng Công ngi

Mô phöng 3D là bước tiến tiếp theo, về thực tế công nghệ 3D đã hầu như

khắc phục đượ các yếu điểm của công nghệ mô phỏng 2D như : các điểm

khuất, góc khuất khi mô phỏng lại các vật thể, máy móc không gian Với Công nghệ 3D, các mô phỏng, góc nhìn, tương tác không còn bị hạn chế nữa

‘Moi thứ cô thể biểu diễn trong không gian 3 chiều và xử lý hầu như đưới mọi gốc độ vị trí

Từ các mô hình, không gian 3D ta có thể triển khai sản phẩm dưới

video 3D, hoặc trực tiếp trên môi trường 3D của nó Sự kết hợp giữa không

gian 3D và công nghệ thực tế ảo đã tao nên sự khác biệt đốt phá cho các dự án

mô phỏng thực tế ão 3D về mặt thực hành, tương tác, thao tác ma các hệ

ống 2D không làm được

1.4 Mô hình hóa mô hình 3D

Dé cài đặt lập trình cho mô phöng một vật thể nói chung và vat thé 3D,

chúng ta cần phân tích các hướng chiếu của ánh sáng, xây dựng hệ tọa độ đề làm cơ sở tính toán các kích thước, vị trí tương ứng của vật, bồng và môi trường xung quanh Điều này còn cần xác định một đặc tính khác đó là tương,

tác thời gian thực Thời gian thực 6 day có nghĩa là người sử dụng nhìn thấy

sự vật thay đối trên màn hình như trong tự nhiên ví đụ một chiếc lá rơi trong

không gian khác với một viên đá rơi Ở trình độ cao, người đùng không

những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D nổi, điều khiển (xoay, đi chuyên ) được đối tượng trên màn hình (như trong game), mà còn có thể sờ và cảm

thấy chúng như có thật Sử đụng các kỹ thuật mô hình hoá không gian ba

chiều với sự hỗ trợ của các thiết bị đa phương tiện hiện đại để xây dựng một thể giới mô phỏng bằng máy tính, ta cần có các mô đun tính toán ti mi chỉ tiết các thông số, sự biến thiên trong thời gian thực từ đó mới đưa kết quả tính

toán vào công cụ vẽ đễ tạo hình

1.4.1 Bệ trục tọa độ

“Tọa độ: Trong không gian 3D, phạm vi nhỏ nhất cổ thể (chiếm chỗ) là điểm MBi diém được xác định bằng một bộ duy nhất gỗm ba thông số, gọi là tọa độ Ví đáy, tọa độ 0, 0, 0 xác định tâm điểm của không gian 3D, công còn gọi là gốc tọa độ

"Mỗi điểm trong không gian máy tính có ba giá tr tọa độ, đại điện cho vị trí tại chiều cao, chiều rộng, chiều sâu của điểm đã Như vậy mỗi tọa độ đại điện cho một trục tiêng trong không gian máy tính

“Trục tọa độ: Trục là một đường thẳng tưởng tượng trong không gian may tính nhằm xác định một hướng Ba trục chuẩn trong MAX gọi là trục X, Y, và

Z (xem hình) Trong MAX bạn có thể xem như trục X là chiều rộng, trục Y là chiều đài, và trục Z là chiều cao Giao điểm của ba trục này trong MAX là gốc tọa độ (0, 0, 0) Nếu bạn vẽ một điểm cách xa môt đơn vị đọc theo phía

‘bén phải của trục X, diém đó sẽ là 1, 0, 0 (một đơn vị có thể là đơn vị bit ky

ào bạn muốn — như là một foot, mét inch, mét milimet, hoặc một centimet)

“Nếu bạn dich chuyên điểm đó thêm một đơn vị nữa về cùng một hướng, tọa

độ của nó sẽ là 2, 0, 0 và v v Nếu bạn đi về phía trái của gốc tọa độ, điểm

đầu tiên sẽ là ~1, 0, 0, điểm tiếp theo sẽ là (—2, 0, 0) v v Tương tự như vậy

cho các trục khác, khi bạn di chuy

trị đương, ngược lại là giá trị âm

"một hướng Ba trục chuẩn đồng trong MAX được gọi là X, Y, và Z

“Khi bạn xoay một đối tượng, ba yếu tổ ảnh hướng đến kết quả là:

- Hệ toa độ hiện hành (World, View, Local hay Screen )

13

- Vitei của điểm lam tâm xoay (còn gọi là điểm chét Pivot Point)

~ Trục nào được chọn để xoay đổi tượng quanh nó

Điều này cũng đúng khi sử dụng các lệnh thu phóng không đồng nhất, và {nh nến

Các phép biến đổi (Tranform) dựa vào các trục (Axis) va ving nhìn (Viewport) Day là một vấn đề cơ bản rất quan trọng trong MAX, hầu hết các phép biến đổi như di chuyén (move), xoay (rotate), va thu phóng (scale) déu sử dung hệ toa độ vùng nhìn (View Coordinate) nw hệ tọa độ mặc định cia ching Với hệ tọa

độ view này các trục được thể hiện tại các vùng nhìn phẳng (Top, Front, Left ) theo cách như sau: trọc X_ngang, truc Y_doc, va truc Z thì vuông góc với hai trục

XY, đây chính là hệ trục toa 46 Screen trong MAX Tai vùng nhìn phối cảnh (Perspective), hé toa đô lại thể hiện trục Xí chiều ngang, trục Y chiều sâu (chiễu đài), và trục Z là đọc (chiều cao), đây là hệ toạ độ thể giới World trong MAX

Tai các ving nhin phẳng bạn có thể di chuyên đối tượng theo hãi trục

X, hodc Y, nhưng trục Z thi không (điều này hay gây bối rối cho các bạn mới

làm quen với MAX, vì không hiểu sao với công cụ di chuyển, mà lại không

xê địch được đối tượng! một giải thích đơn giản ở đây, là với hệ tọa độ view

thì đối tượng tại các vùng nhìn phẳng không thé di chuyễn theo trục Z được, bởi vì bạn không thể lôi đối tượng ra khôi màn hình vỉ tính! Trục Z vuông góc với hai trục X, ¥ và hướng ra trước mặt bạn! trong khi tại vùng phối cảnh perfective thi khéng gặp trở ngại gì với cả ba trục )[22 23]

1.4.2 Kỹ thuật hiển thị mô hình Bump Mapping

'Bên cạnh các kỹ thuật hiễn thị truyền thống như chọn lọc cô loại bỏ và

thay thé ảnh 3D bằng ảnh 3D phẩn mềm mô phỏng còn sử đụng kỹ thuật hiễn thị mới đồ là bump mapping [1.2]

Bump mapping là một kỹ thuật đồ họa máy tính, trong đó một sự nhiễu loạn tới pháp tuyến bề mặt của đối tượng đang được biểu điễn được tìm kiếm trong một ánh xạ texture tại mỗi điểm ảnh và áp đụng trước khi việc tính toán

sự chiếu sáng được thực hiện (hãy xem, chẳng hạn như Phong shading) Kết

quả thì phong phú hơn, sự mô tả bề mặt được chỉ tiết hơn giống với chỉ tiết

vốn có trong tự nhiên hơn Ánh xạ pháp tuyến và ánh xạ thị sai là các cách phổ biển nhất được sử đụng để thực hiện bumnp, sử đụng các kỹ thuật mới mà

tạo ra bump mapping bằng cách sử dụng thang màu xám cũ kỹ Bump

mapping là một kỹ thuật đồ họa máy tính để tạo một bề mặt được biểu điễn nhìn thực tế hơn bằng cách mô hình hóa một texture bề mặt mắp mô cùng với các nguôn sáng trong môi trường Ánh xạ bề mặt mắp mô làm điều này bằng

cách thay đổi độ sáng của điểm ảnh trên bề mặt phản ứng lại với một ảnh

raster heightmap được xác định cụ thê cho mỗi mặt

iễn một cảnh 3D, ánh sáng và màu sắc của các điểm ảnh được

xác định bởi sự tương tác của một mô hình 3D cùng với ánh sáng trong cảnh 1.4] Sau khí nô được xác định là một đối tượng có thé nhìn thấy, lượng giác

học được sử đụng để tính toán pháp tuyến bề mặt hình học của đối tượng, được định nghĩa như một vector tại mỗi vị trí điểm ảnh trên đối tượng Ví đụ,

nh xa tim phi tạo gach cho hình ảnh 3D một bức tường đang rung chuyển

để làm viên gạch nhìn có vẽ nh 3D hơn) có thể được mô tả như một sự kết hợp của một

‘Béng có thể được biễu thị bằng ập tình, nhồng giải thật, hoặc bằng "cây đỗ bềng

“oi các bóng nhỗ cấu thành được chia nhỗ dẫn trong mẫu phân cấp, giống như sự

biến đổi không gian Cây đỗ bỏng này có thể hiện, nếu scenegraph cơ bản hỗ trợ

những khái niệm cao cấp như vậy, hoặc nó có thể ân, như sự trình bảy trừu tượng của

“một số đoạn mã được dịch trước

Bump-Mapping || Kết câu cơ bản "Vũng sân "Vũng tối

nin phin cimg nay đến nền tăng phần cứng kia, phụ thuộc vào nhỉ

g khả năng để họa và những hệ số khác Ví dụ, phần cổng nào hỄ trợ ảnh xạ va chạm cắp cao trong một quá trình đơn - hư nút cây trang thấi trong trường hợp là một nốt Phẫn công khác có thể không hỄ trợ ảnh xạ bỀ mặt mắp mô chút nào, nhưng vẫn cổ thể đạt được nhồng hiệu ứng ảnh xạ bề mặt mấp mô bằng một tác động đổi với kết cấu, một cho những vồng sing va một cho những vồng tối Như vậy cây để bóng

trong trường hợp đồ có thể có một nút cha với ba mút con, đại diện cho ba sự

chuyển đỗi qua lại (Ghỉ chủ : 6 đây, nhữ cải hộp là những trạng thấi và những

vòng trên đang vẽ những đối trọng) Các cây đỗ bồng sẽ thay đổi tờ phần mẫm

API đến phần mềm APL Nhơng tờ đô phân ra khái niệm Spatal View (khung cảnh cổ trong không gian) từ State View (khung cảnh trạng thái) tạo điều kiện đặt điều khiễn giao diễn với các APT đỗ họa cơ sở cô thể sở đụng (ai Intrinsic

Alehemmy hay tiêu chuẩn, hay OpenGL hay Direct X).

Đhập tuyến bề mặt hình học sau đó định nghĩa cách đối tượng có khả năng trơng tắc với ảnh sing đến từ một hướng nhất định bẫ cách sử dụng Phong

shading hod một thuật toán chiếu sắng trơng tơ Ảnh sing đi vuông sóc với một

bề mặt có khả năng tương tắc nhiều hơn so với ảnh sắng song song với bề mặt Sau khi tính toán hình học ban đầu, một testore được tô mẫu thường xuyên được

áp đọng cho mô hình để tạo đối tượng xuất hiện học té hon [3.4.5]

Sau kải kiến tạo, một tính toán được thực hiện cho mỗi điểm ảnh trén bé

mất của đối tượng Ở phẫn này sẽ đề cập chỉ tết vào qui trình chiều sáng trên đểm

ảnh được các thư viện đỗ họa hiện nay hỗ trợ Qui trình chiếu sáng trên điểm ảnh

chủ yếu phân ra làm 2 công đoạn riêng bit thực hiện tỉnh toần mâu chính (đifBuse color) va tinh toda mau phin chiée (specular color) Thuit toén tinh todn sự chiều

sing tương tự trong cảnh tại mỗi điểm ảnh trên bề mặt của đổi tượng

«Tinh toin miv diffuse (c6 bump bé mit bing noomal map): Trude khi di chỉ tiết vào thuật toán ta cin xem qua 1 số khi niém mới đồng trong phần này: Thông gian tếp tuyến của vit thé (angent space); Toa 46 texture tai mỗi định (ceres) hình thành một hệ trục tọa độ 3 chiễu với trục U (tiép tuyén, true W (php ) và trục V (binermal

Ux), He trục toa độ này gơi là không giantiếp tyển

hay không gian texture của vit thé tai các inh (verte)

«Tin ton Normal map: Normal map la mt testure nhumg cổ đặc tín khá đặc biệt, thay vi chia thing tin vi diém mav như texture thông thường, nonmal map lai chứa thông tin về không gian tếp tuyến (tangent spaee) hay không gian texture (testure space) cia vit the, hay nối cách khác nếu các điểm ảnh của tedtre biểu diễn màu sắc của vật thể ti 1 điểm thì nonmal mmap sẽ biễu diễn không gian tiếp

của vat thé tai điểm đó Mỗi điểm ảnh của normal map có định dạng là RGBA

trong đó 3 thành phẫn RGB có gi tr [0.1] được ảnh xạ từ3 trục U, V, TỪ có giá tị

tong khoảng [-, 1] Normal map cổ thể tạo ra bằng 2 cách, dingheight map

(texture dang graycale chúa thông tin độ sâu về bề mặt của vật thé trong đó màu

sáng hơn biễu thị độ cao lớn hơn) Cách thứ 2 phức tạp hơn do phải tạo thêm 1 vật thể khác cổ độ chỉ tiết cao hơn, sau đồ ta so sinh sy khác nhau giữa 2 vật thể đ tạo

ra normal map (quá trình này có thể được thục hiện

1g tool Melody cia NVidia).

‘© Bump bé mat sir dung normal map, Bump bé mat chủ yế

trên Pivel Shader cho từng điểm ảnh Thuật toán này sử dụng giá trị normal trong

‘normal map 48 xác định mức độ của ánh sáng tác động vào điểm ảnh đó bằng cách

nhân tích võ hướng gid tri normal trên với vector hướng ảnh sáng trong không gian tiếp tuyển Sau đồ giá tr này được nhân với mẫu sắc của vertex và mâu lấy mẫu từ texture để tính m mẫu difồse (màu của vertex duge tinh trong Vertex Shader) Treng đề:

~ Normal Vector php tuyén (normal vector) tai diém đồ, nonmmal vector cổ được đo lẤy mẫu từ normal map

~ Light vector Vector nréng aah sing trong không gian tếp tuyén (tangent space), vector này được tính trong Vertex Shader và được truyền vào Pixel Shader

để sử dụng vetex color Mầu của vertex sau khi thực hiện chiếu sáng trên vertex (pervertex lighting) trong Vertex Shader Tenture color Mav cia terture chính, cố

được đo lấy miv texture

~ Tinh toin mav specular (sr dung specular map), specular map li tentuce dang grayscale, specular map c6 tic đụng cho biết vùng nao cia vit thể phản chiều hie éah sing ving nio phin che ít nh sáng (trơng ứng với mv trong specolar map từ sáng tới tố)

~ Tinh độ phân chiếu cổa ánh sánh, Độ ghẫn chiếu (phản xạ) của ảnh sáng

trên vật thể thì phụ thuộc vị trí của mắt (hay camera) Khi mất nằm ngay trên đường

phân xạ cña ảnh sắng tì mắt sẽ nhìn thấy một vồng én sng choi do toàn bộ năng

lượng của ánh sáng được truyền thẳng vào mắt Muốn tính màu specular của điểm.

nh ta phải sắc định được mốc độ ảnh sáng phần chiếu tại điểm đó Công thức tính

‘vector phi chiée (phn xa) nh sau:

R= 2 dot N-L Treng đề:

L Light vector

R Reflection vector

N Normal

=

"Hình L& Sự phẫn xạ của tỉa sing trên bề mặt

`Mức độ phẫn chiếu của ảnh sắng phụ thuộc rất nhiều vào chất liệu bề mặt của vật thể các bề mặt nhẫn bông có độ phần chiếu lớn trong khi các bŠ mặt gi lại có độ phẩnchiếu thấp Để trắnh công việc phải phân rã vật thể ra thành nhiễu thành phần để đọng hình với các mức phần chiếu khác nhau người ta đồng specular

‘map nine mt lookup table 42 xắc định mc 45 phn chiév cia ảnh sánh trên tong điểm ảnh

Seflection vector = 2 * dotproduct (normal, light vector) * normal - light vector

“Thuật toán gŠm các bước

"Bước 1: Tim kiếm vị trí trên ảnh raster heightmap mã tương xứng với vị trí trên

bê mặt

"Bước 2: Tính toán pháp tuyến bề mặt của heightrnap

Bước 3: Thêm pháp tuyến bề mặt từ bước 2 tới pháp tuyến bề mặt hình học miễn là pháp tuyến trô tới một hướng mới

Bước 4: Tính toán sự tương tác của bề mặt mắp mô mới cùng với ánh sáng trong cảnh sử đụng, ví đụ Phong shading

1.4.3 Kỹ thuật xử

ảnh hoa vấn

Kết quả là một bề mặt xuất hiện có chiều sâu thực sự thuật toán cũng

đảm bảo rằng sự xuất hiện bề mặt thay đổi như ánh sáng trong cảnh đi

chuyển xung quanh Ánh xạ pháp tuyến là kỹ thuật ánh xạ bề rnặt mấp mô được sử đụng phô biến nhất, nhưng có một phương án thay thế khác, chẳng

hạn như ánh x thị sai

Đối với mục đích của việc đựng hình trong thời gian thực, ánh xạ bề mặt mắấp mô thường được hướng theo như một “sự chuyển tác”, trong việc đựng hình nhiều sự chuyển tác, và có thê được thực hiện như nhiều sự chuyển tác (thông thường là 3 hoặc 4) để giảm số lượng các phép tính lượng giác mà

được yêu cầu

Các lập trình viên đồ họa 3D đôi khi sử đụng một chất lượng thấp hơn,

kỹ thuật bump mapping nhanh hơn để mô phông bump mapping Một trong

những phương pháp sử đụng thay đổi chỉ số texel thay thế cho các pháp

bề mặt thay đổi, thường được sử dụng cho ánh xạ bề mặt mắp mô '2D' Kế từ

đồ các card GeForce 2 lớp kỹ thuật này được thực hiện trong phần cứng tăng

tốc đồ họa

"Toàn màn hình ánh xạ bề mặt mắp mô 2D giã, có thể được thực hiện

một cách đễ đàng cùng với một vòng lặp biểu điễn rất đơn giản và nhanh, là

một hiệu ứng thị giác phổ biến ánh xạ bề mặt mắp mô được giới thiệu lần

đầu tiên

Ảnh xạ bề mặt mấp mô có hai kỹ thuật chính là: Ánh xạ bề mặt chạm nỗi và môi trường ánh xạ bump mapping

1.4.4 Kỹ thuật Ánh xạ bê mặt chạm nôi

Kỹ thuật này sử dụng các ánh xạ texture để tạo ra các hiệu ứng bump

‘mapping ma khéng

u cầu một người biễu điễn tùy chỉnh Thuật toán nhiều

sự chuyển tác này là một sự mỡ rộng và sảng lọc của việc làm nỗi các

texture Qua trình xử lý này nhân đôi ảnh texture đầu tiên, giữ nó trên số lượng mong muốn của burnp, làm tối texture bên đưới, cắt ra hinh dang

thich hop tir texture phía trên, và trộn hai testure thành một Điều nay gọi là hai sự chuyển tác chỉ tiết bề mặt bởi vì nó yêu cầu hai texture [6,7]

No thi don giãn đễ thực hiện và yêu cầu phần cứng không tùy ý, và bởi vậy được giới hạn bối tốc độ cia CPU Tuy nhiên, nó chỉ anh hưỡng ánh sáng

khuếch tán, và ảo giác bị hông phụ thuộc vào góc của ánh sáng

1.4.5 Kỹ thuật sữ dụng môi trường ánh xạ bump mapping

Chip Matrox G400 hỗ trợ một texture đựa trên phương pháp chỉ tiết bề

mặt gọi là Environment Mapped Bump Mapping (EMBM) Nõ được phát

triển chủ yếu bởi BitBoys Oy và được cấp phép cho Matrox EMBM lần đầu

tiên được giới thiệu trong DirectX 6.0,

21

Radeon 7200 cũng bao gồm phân cứng hỗ trợ cho EMBM, đã được

thuật “Ark cia Radeon” Tuy nhién, EMBM

ching minh trong demo

không được hỗ trợ bởi các chịp đỗ họa khác chẳng hạn như GeForce 256

của NVIDIA thông qua GeForce 2, chỉ được hỗ trợ Dot-3 BM đơn giãn

hơn Nhờ thiếu sự hỗ trợ độ rộng công nghiệp, và its toll on the limited

graphics hardware of the time, EMBM only saw limited use during G400's

trợ tính năng, chẳng hạn như Dungeon Keeper 2 va Millennium Soldier: C6 thé phá huỷ được,

EMBM bit diu yéu cu phin cig cu thé bên trong chip cho cic tinh toán cụ thể của nó, chẳng hạn như Matrox G400 hoặc Radeon 7200 Nó cũng

có thể được biểu điễn bởi các shader điểm ảnh có khả năng lập trình được của

'Việc tính toán cũng dựa trên những hiệu chỉnh từ kinh nghiệm thực

tiễn biểu diễn vật thê 3D, như sự biến đổi của nhiều loại ánh sáng (nhiễu), góc chiếu sáng, góc nhìn, vi trí đặt vật nhằm mục đích phân tích rõ các giá trị hiệu

chỉnh để có bộ tham số tốt nhất cho cai dat

Chương 2

MOT SO KY THUAT HIEN THI BE MAT CUA VAT THE 3D

2.1 K¥ thuat chiéu sang

(Cac kỹ thuật chiếu sáng trong thực tế thường được phân chia thành hai

loại chính đó là chiều sáng toàn cục và chiều sáng cục Độ

- Chiếu sáng toàn cục hay còn gọi là chiếu sáng không gian có mục

tran, đền tròn công suất cao hoặc sử đụng ánh sáng tự nhiên tử mặt trời v.v

thiểu và tối đa trong không gian phải nằm trong các ngưỡng cho

phép qua đồ giúp cho người xem cũng như nhân viên luôn có căm giác thoải mái không bị căng thẳng và cũng đủ nhìn để tránh những tai nan x1

phát từ

nguyên nhân hạn chế quan sát đo tác động của ánh sáng Phù hợp cũng có

nghĩa tông màu của không gian chiều sáng cũng phải phù hợp với nội dung kịch bản trưng bày ví dụ khi trưng bây một không gian biển, tông mâu ánh sáng phải là tông màu lạnh hay khi trưng bầy các hiện vật trong không gian

văn hóa người ta có thê sử đụng các tông màu ấm để đem lại cảm giác gần gũi

thân thiện v.v

- Chiếu sáng cục bộ hay chiếu sáng đối tượng là loại chiếu sáng mà chúng ta chỉ cần quan tâm đến đối tượng và một số bối cảnh xung quanh đó chứ không quan tằm đến toàn bộ không gian Mục đích của chiều sáng cục bộ.

2

là làm rõ, nổi bật đối tượng trong không gian trưng bày chung Để thực hiện chiều sáng cục bộ thông thường người ta hay sử đụng các loại nguồn sáng có cường độ ánh sáng thấp hơn và thường hướng tập trung vào đối tượng cin chiều Trong chiếu sáng cụ bộ có nhiều nguyên tắc bồ trí đèn chiếu khác nhau

vi du trong trưng bà

"hình vẽ đưới

các đối tượng là tranh ảnh chúng ta có nguyên tắc như

Hinh 2.1 Nguyén tic dit đền trong trung bay

'Việc thiết kế các nguồn sáng trong chiều sáng cục bộ phải đảm bảo các nguyên tắc cơ bản như: ánh sáng cục bộ không ảnh hưởng nhiều, phá với bồi

cảnh chiếu sáng chung Hướng và cường độ ánh sáng phù hợp có nghĩ là có

thé 1am nỗi bật đối tượng nhưng không không g:

cảm giác chói cho người xem và đặc biệt là không ảnh hưởng đến chất lượng hiện vật khi chiếu sáng liên tục trong một thời gian đài

"Tương tự như chiều sáng thực tế các kỹ thuật chiếu sáng trong trưng

bay áo nói riêng và trong thực tại ão ni chung cũng được phân thành hai loại

chính là chiều sáng toàn cục và chiếu sáng cục bộ Trong đó chiều sáng toàn cục là kỹ thuật chiều sáng mà giá trị sáng tại mỗi điểm không chỉ ảnh hưởng trực tiếp từ các nguồn sáng mà nô còn ảnh hưởng bởi các nguồn sáng gián tiếp là ánh sáng phản xạ lại từ các điểm xung quanh nó Còn chiếu sáng cục

'bộ là kỹ thuật chiếu sáng mà ánh sáng tại một điểm sẽ không phụ thuộc và các điểm lân cận mà chỉ phụ thuộc vào các ngồn sáng

Từ các phân tích về chiếu sáng toàn cục và cục bộ trong thực tế và trong các ứng đụng thực tại ảo, trưng bày ảo chúng ta cô thể nhận thấy sự tương đông nhất định về khái niệm và các đặc điểm điểm của hai kỹ thuật

trong trưng bảy thực tế và trong trưng bày äo Phần đưới đây sẽ trình bày chỉ

‘ban của ánh sáng trên bề mặt đối tượng

\g nguồn sáng gián tiếp không xuất phát từ một

nguồn sáng riêng biệt nào, mà xuất phát từ mọi hướng, đây được gọi là ánh

sáng nền (background), ánh sáng được phân chiều từ tường, sản, trần vv Ta

chúng ta được chiều sáng

giả sử ánh sáng là đồng bộ và cùng như nhau ở mọi nơi trong mọi chỗ, không

cô những chùm sáng, không cô hướng đặc biệt nào được ưu tiên Giả sử ánh sáng chiều ở mọi hướng tới bề mặt là như nhau như vậy mọi điểm trên bề mặt

sẽ nhận được một lượng ánh sáng như nhau

'Giả sử nếu một ít trong số năng lượng đó bị hấp thụ bởi bề mặt trong

khi số còn lại sẽ được tái phát sáng (phân xạ lại môi trường), tỷ lệ giữa lượng

ánh sáng được phân chiều từ bề mặt và toàn bộ ánh sáng đến gọi là hệ số phản chiếu (hệ số phản xạ) Mỗi bề mặt mâu trắng sẽ phân chiếu trở lại gần như: toàn bộ năng lượng mà nô nhận được, hệ số phản chiều của nô gần tới 1 Mặt

2

phân chiều một số mâu của ánh sáng tốt hơn một số mnâu khác (điều này là đo mức năng lượng của từng mẫu là khác nhau và hệ số hấp thụ tương ứng với

từng mức năng lượng của bề mặt là khác nhau) Ví dụ một vật thể có hệ số

phân chiều cao đối với ánh sáng mẫu đô và thấp với các mẫu còn lại, riếu ta

phải chỉ ra 3 giá trị hệ số tương ứng cho 3 thành phần mẫu Nhưng để đơn

t thể bằng ánh sáng trắng (ánh sáng có lượng mẫu cân bằng giữa

ố phản xạ đồng nhất š; lượng ánh môi trường là

cường độ của một điểm trên bề mặt được tính theo công thức sau:

109)

ey

Đây là một mô hình chiều sáng đơn giản nhất, nó không phân ánh ding

các quy luật vật lý, nhưng lại rất có ý nghĩa trong việc xấp xi sự chiếu sing của toàn cảnh Thông thường người ta không sử dụng độc lập mô hình ánh

sáng nền, mà kết hợp nó với các mô hình ánh khác đề tạo nên các mnô hình

‘bong bé mat phù hợp với các lớp đối tượng khác nhau trong thực tế

# Hiệu ứng phần xạ sáng khuếch tán (Diffuse)

"Trong tự nhiên, đặc biệt là trong những cảnh kiến trúc, có nhiều loại vật

liệu mà lượng sáng phân xạ là gần như nhau từ tất cả hướng nhìn Điều này có nghĩa là khi ta chiều ánh 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 Loại phản xạ này

được gọi là phản xa diffuse hodc phan xa Lambertian Với loại bề mặt như

vay giá trị BRDƑ của bề mặt là một hằng số

Theo công thức (7 14) cô thê kết luận rằng hệ số phản xạ &¿<J⁄z (luật

trong hầu hết các hệ thống zender, đặc biệt là

bão toàn năng lượng) Tuy v

các hệ thống đựa trên thiết bị tăng tốc dé hoa thi ky lại được cho nằm trong

kháng [0,1] Điều này có nghĩa cường độ sáng mặc nhiên phải nhân một hệ số 1asé x

Theo céng thite (1.23), (2.2) cô thể đưa ra công thức tính toán cường độ

'bức xạ phản xạ cho một điểm trên bề mặt 2jfise như sau:

1#)=k, Š'gG,)1,(x])essgLT) 23)

Trong đó zcx,v› là cường độ bite xa Diffuse tai một điểm x trên bê mặt theo một hướng quan sit +, š¿ là hệ số phân xa Diffuse, 7 là cường độ ánh sáng của nguồn sing thé i, cdc thành phần còn lại đã được giải thích trong công thức (1.23)

Thông thường người ta sử dụng kết hop hai mé hinh Ambient va

Diffuse đề tạo ra mô hình chiều sáng bề mặt cho các loại đồ tượng có độ trơn,

bồng tại bề mặt không

độ sáng cho mô hình kết hợp này đễ dàng suy ra được bằng cách kết hợp hai

công thức /2.1) và (2.3), cô thể viết cụ thể như sau:

*_ Hiệu ứng phân xạ ảnh sáng trên gương (Specular)

Trong thực tế có rất nhiều đối tượng được chiều sáng, mà khi nhìn ở vị trí mà hướng nhìn gần tới hướng phân xạ của ánh sáng trên bề mặt đối trong

thì cường độ ánh sáng quan sát được là lớn hơn hẳn khi quan sắt đối tượng ở các vị trí khác Loại phản xạ như vậy được gọi là phân xạ gương Thực tế tên

“phan xa gương” cũng đã là một hình dung trực quan cho loại phản xạ này

(hiệu ứng xây ra trên gương khi ta nhìn thấy nguồn sáng trong gương).

2

= M6 hinh phân xạ Phong:

Mô hình phân xạ Phong là một trong những mô hình đầu tiên trong

Tĩnh vực đỗ họa máy tính đề cập đến phân xạ gương Đây là một mô hình tính

ig phản ánh trung thực các quy luật vật lý Mô

toán hiệu quả nhưng nõ khôi

"hình sit dung ham mi cia cosin giữa góc vector phan xa anh sng và góc nhìn

z, được cho bởi công thức sau:

Trong dé š, là hệ số phân xạ, ø là môt hằng số, 7 là cường độ ánh sing của một nguồn sáng tới bề mặt, theo (2.5) va Hinh 2.7 đễ thấy cosf,#)" nằm

trong khoảng [0, 1] Bằng việc so sánh giữa (2.5) va (1.23) ta có thể thấy hàm

RBDF cia m6 hinh Phong cho phan xạ gương như sau:

#œÏ9)=1,

"Như vậy, với giá trị 8RDƑ cho ở (2.5), và (2.6) định luật bão toàn năng

lượng bị phá vỡ vì lý do đ»:.8) có thể rất nhỏ, gần tới 0 vì vậy giá trị BRDF dan ton v6 cing Déng thoi quy tic Helmholtz reciprocity (1.15) cũng bị phá

vỡ đo không có sự đối xứng gitta hai vector T va = trong (2.6) Đây là lý do chúng ta nói rằng mô hình phản xa Phong khéng phản ánh trung thực, và đã

đủ các quy luật vật lý

= Mô hình phản xạ (Blimn-Phong) và những biến thể khác từ Phong

Có tắt nhiều sửa đỗi từ mô hình của Phong để khắc phục, mỡ rộng khả nã

‘ing đụng của mô hình Phong c6 thé ké đến mô hình Bizm:-Pong (mô hình sử

đụng gốc giữa vector Ä và vector pháp tuyến bề mặt # thay gốc giữa vector

7 và vector Ï trong công thức (2.5) và (2.) đây là mô hình sit dung chủ yếu

trong hệ thống render dựa trên bộ tăng tố:

RDF của mô hình Bipn-Phong cô thể viết

đô họa hiện nay) Như vậy, hàm

như sau: