Luận văn thạc sĩ khoa học máy tính một số dạng nguồn sáng và sự chiếu sáng trong thực tại ảo

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG MÔNG ĐỨC HÙNG MỘT SỐ DẠNG NGUỒN SÁNG VÀ SỰ CHIẾU SÁNG TRONG THỰC TẠI ẢO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên, 2018 PHỤ LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ BÀI TOÁN CHIẾU SÁNG TRONG THỰC TẠI ẢO 1.1.Khái quát thực ảo 1.1.1 Thực ảo gì? 1.1.2 Các thành phần hệ thống thực tế ảo (Virtual Reatily – VR) 1.1.2.1 Phần mềm 1.1.2.2 Phần cứng 14 1.1.3 Các lĩnh vực ứng dụng Thực ảo 17 1.2 Bài toán chiếu sáng thực ảo 19 1.2.1 Khái quát chiếu sáng 19 1.2.2 Một số ứng dụng chiếu sáng ảnh 22 1.2.3 Một số hình ảnh chiếu sáng 22 CHƯƠNG MỘT SỐ KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG CƠ BẢN 25 2.1 Nguồn sáng 25 2.1.1 Các đơn vị sử dụng đo lường ánh sáng 25 2.1.2 Các loại nguồn sáng thực ảo 29 2.1.3 Các hướng chiếu sáng 30 2.1.3.1 Chiếu sáng diện (Front lighting) 31 2.1.3.2 Chiếu sáng bên (Side Lighting) 31 2.1.3.3 Chiếu sáng phía sau (Back lighting) 32 2.1.3.4 Chiếu sáng từ phía (Top Lighting) 33 2.1.3.5 Chiếu sáng từ phía (Below Lighting) 34 2.2.Kỹ thuật Phong Shading 36 2.3 Kỹ thuật phản chiếu ngược Phong Shading 38 2.4 Kỹ thuật Gouraud Shading 39 Chương CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 43 3.1.Phân tích, u cầu tốn 43 3.2.Phân tích thiết kế chương trình 43 3.2.1 Khối Modul thực mở ảnh 43 3.2.2 Khối Modul thực xử lý thêm nguồn sáng vào ảnh 46 3.2.3 Khối Modul thực thêm nguồn sáng 49 3.2.4 Khối Modul thực thiết lập thông số nguồn sáng 52 3.2.5 Khối Modul thực kiện thay đổi nguồn sáng 63 3.2.6 Khối Modul thực hiển thị kết xử lý ảnh 74 3.3.Một số kết chương trình 77 3.3.1 Giao diện chương trình 77 3.3.2.Thực mở ảnh 78 3.3.3 Thiết lập màu, tọa độ nguồn sáng, kiểu chiếu sáng,… 78 3.3.4 Xử lý chiếu sáng ảnh kết 79 3.3.5 Thêm nhiều nguồn sáng đồng thời 80 KẾT LUẬN 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 LỜI CAM ĐOAN Tôi Mông Đức Hùng xin cam đoan nội dung trình bày luận văn kết tìm hiểu, nghiên cứu thân hướng dẫn PGS.TS Đỗ Năng Toàn nhà nghiên cứu trước Nội dung tham khảo, kế thừa, phát triển từ cơng trình cơng bố trích dẫn, ghi rõ nguồn gốc Kết mơ phỏng, thí nghiệm lấy từ chương trình thân Nếu có sai phạm tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Người cam đoan Mông Đức Hùng LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận văn gặp nhiều khó khăn tơi ln nhận quan tâm, giúp đỡ từ thầy cô, đồng nghiệp bạn bè người thân Đây nguồn động lực giúp tơi hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời chân thành cảm ơn tới PGS.TS Đỗ Năng Tồn tận tình giúp đỡ, hướng dẫn bảo q trình thực luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn tới quý thầy, cô trường Đại học Công nghệ thông tin truyền thông - Đại học Thái Nguyên tận tình bảo, truyền đạt kiến thức qúy báu giúp tơi hồn thành nhiệm vụ học tập suốt thời gian theo học trường Q thầy giúp tơi có kiến thức quan trọng lĩnh vực Công nghệ thông tin, tảng vững cho nghiên cứu thân thời gian tới Tôi xin cảm ơn anh em, đồng nghiệp giúp đỡ, ủng hộ tinh thần thời gian tham gia học tập Cuối cùng, xin cảm ơn tất người luôn quan tâm, sẻ chia động viên Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019 Người thực Mơng Đức Hùng LỜI NĨI ĐẦU Trong năm gần đây, công nghệ thông tin ứng dụng mạnh mẽ hầu hết lĩnh vực Các ứng dụng vào sống ngày phong phú, đa dạng thiết thực Từ lĩnh vực khoa học bản, đến lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật lĩnh vực giải trí, du lịch; khơng lĩnh vực khơng có ứng dụng thiết thực hiệu công nghệ thông tin Sự phát triển không ngừng sức mạnh máy tính làm cho số lĩnh vực khó phát triển trước kia, có khả phát triển đạt thành tựu đáng kể; là: Các hệ chuyên gia, hệ xử lý thời gian thực,v.v… lĩnh vực phát triển mạnh giới, cơng nghệ mơ Việc “tái tạo” tượng, vật giới thực máy tính có nhiều tác dụng Trong giải trí, giúp xây dựng trò chơi sống động, gần gũi với người tạo sức lôi mạnh mẽ Trong xây dựng, việc dựng mơ hình thực ảo cho phép có nhìn trực quan, xác để đưa định, sáng kiến thiết kế cơng trình xây dựng đắn Trong giáo dục, thí nghiệm, ví dụ mơ tả sát thực máy tính giúp cho người học hứng thú hơn, kiến thức thể rõ hơn, trực quan hơn, đầy đủ “Thực ảo” lĩnh vực nhằm mô giới thực người vào máy tính, mà người tương tác cảm nhận giới thực Để mô giới thực máy tính, thiết mơi trường giới thực cần mơ phỏng; nguồn sáng chiếu thành phần quan trọng thiếu Xuất phát từ thực tế đó, tơi chọn đề tài: “Một số dạng nguồn sáng chiếu sáng thực ảo” Nội dung luận văn chia làm phần chính: Chương 1: Tổng quan thực ảo toán chiếu sáng thực ảo - Khái quát thực ảo - Bài toán chiếu sáng thực ảo Chương 2: Một số kỹ thuật chiếu sáng Hệ thống hóa số kỹ thuật chiếu sáng thực ảo: - Nguồn sáng - Kỹ thuật Phong Shading - Kỹ thuật phản chiếu ngược Phong Shading - Kỹ thuật Gouraud Shading Chương 3: Chương trình thử nghiệm Xây dựng nguồn sáng chiếu sáng số thí nghiệm dựa kỹ thuật mơ hình hóa 7 CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ BÀI TOÁN CHIẾU SÁNG TRONG THỰC TẠI ẢO 1.1 Khái quát thực ảo 1.1.1 Thực ảo gì? Thực tế ảo hay thực ảo mơi trường người giả lập qua phân mềm chun dụng Nó hiển thị qua hình máy tính hay thơng qua kính thực tế ảo nhằm đem lại trải nghiệm thực tế cho người xem họ khơng gian Để gia tăng tính trải nghiệm, số mơi trường cịn kèm với giác quan khác âm thanh, chuyển động Cần phân biệt rõ phim 3D phim thực tế ảo Mặc dù thể loại phim có cách hoạt động tương đối giống cho hình ảnh chiều mắt người xem phim 3D, người xem khơng tương tác với mơi trường phim cịn phim thực tế ảo ta không cảm giác môi trường chiều thực mà cịn tương tác với mơi trường Hình 1.1 : Lấy ví dụ phim ứng dụng công nghệ real 3D Madagascar Đối với 3D, bạn khơng thể xem phía nước ơng có mặc quần chip hay khơng cịn thực tế ảo, bạn hoàn toàn làm điều 8 Hình 1.2 : Cơng nghệ thực tế ảo khơng cho phép bạn xem, cịn cho phép bạn sống giới 1.1.2 Các thành phần hệ thống thực tế ảo (Virtual Reatily – VR) 1.1.2.1 Phần mềm Phần mềm linh hồn hệ thống VR Khơng có dù phần cứng có mạnh vơ nghĩa (giống có trai mà khơng có gái trai có mạnh đến đâu dẹp) Nếu phần cứng cung cấp cần thiết để mơi trường hoạt động phần mềm cung cấp mơi trường Về ngun tắc tạo mơi trường ảo ngơn ngữ lập trình OpenGL, C++, Java3D, X3D , phần mềm đồ họa thương mại WorldToolKit, Peopleshop, hay phần mềm làm game Unity 3D, Unreal Engine hỗ trợ việc tạo nên môi trường ảo Và đa phần nhà sản xuất VR tiếng Oculus, Google phát hành API cho phép bạn tạo nên môi trường ảo nhanh dễ dàng (bạn truy cập link bên để sử dụng api google oculus nhé) Nói thêm rằng, VR phải đáp ứng công dụng tạo hình mơ Về việc tạo hình thực phần mềm hay sử dụng phần mềm trung gian phần mềm đồ họa AutoCAD, 3d Studio, 3Ds Max, Maya Mô khả mô phản ứng vật lý động học, va chạm, động lực học mô ứng xử đối tượng áo dính nước màu áo phải đậm hơn, cốc rơi xuống bể Hình 1.3: Một vật cạn có trạng thái khác vật nước Trên thực tế, để có trải nghiệm hoàn hảo Người ta thường sử dụng thiết bị kèm kính thực tế ảo Nó có tác dụng nào? Lấy ví dụ Google CardBoard Google Hình 1.3: Một vật cạn có trạng thái khác vật nước Nếu nhìn vào, bạn thấy Google CardBoard có khung nhìn kèm theo thấu kính tương ứng với vị trí mắt phải mắt trái Phía trước khu vực 10 giữ điện thoại khơng bị rơi Vậy kính thực tế ảo tương tác với hệ thống VR nào? Nếu bạn đọc qua mục 2.1 bạn hiểu người ta lại chia khung nhìn phần tách biệt Và phần mềm VR điện thoại hoạt động chia hình ảnh vật khung hình tách biệt Mỗi khung hình gửi vào mắt, não làm phần việc cịn lại ghép thành hình ảnh chiều Bạn tự hỏi lại có thấu kính, chúng có tác dụng gì? Khơng phải mắt đủ sao? Mắt tiếp nhận thơng tin hình ảnh mơi trường góc nhìn rộng Điểm yếu kính thực tế ảo khơng có thấu kính hình ảnh truyền từ khung hình điện thoại tới mắt bạn góc vng Nó cho bạn cảm giác hình ảnh dạng chiều góc độ Bộ thấu kính lắp vào để giải vấn đề Thơng thường, thấu kính sử dụng thấu kính hội tụ Nguyên tắc hoạt động hình 11 Khơng có thấu kính Bạn thấy dải màu đen xung quanh khung hình Có thấu kinh Mọi thứ mở rộng hết tầm mắt bạn Điều cuối bạn nhận kính VR tách biệt mắt bạn khỏi giới bên ngồi Dễ hiểu thơi, ánh sáng từ mơi trường bên ngồi lọt vào trải nghiệm khơng cịn tốt (đó lý rạp chiếu phim, 12 người ta tắt toàn đèn trừ hình chiều để người xem có trải nghiệm tốt phim) Điều cuối bạn nhận kính VR tách biệt mắt bạn khỏi giới bên Dễ hiểu thơi, ánh sáng từ mơi trường bên ngồi lọt vào trải nghiệm khơng cịn tốt (đó lý rạp chiếu phim, người ta tắt tồn đèn trừ hình chiều để người xem có trải nghiệm tốt phim) Hiện nay, phần mềm VR có mặt nhiều nơi Các chợ ứng dụng có app VR Ba chợ ứng dụng hàng đầu Google Play, App Store hay Windows có app VR Chỉ cần bấm VR tìm kiếm, danh sách nhiều app VR chọn Một số app VR có trả phí hay cho chơi thử 13 Youtube hỗ trợ video thực tế ảo dạng 360, cho phép bạn theo dõi tồn cảnh quay tùy thích Tuy VR đa dạng số lượng VR chưa thực đa dạng khả tương tác Nhiều app VR cho phép bạn thay đổi khung nhìn Cịn app VR hỗ trợ nhiều tương tác sờ, nắm, tương tác với đối tượng môi trường VR nhìn chung Một số app VR : HitMan Go (VR), Drop Dead, Lone Echo Oculus Một hình ảnh 3D tạo theo nguyên lý tạo ảnh 3D từ hai mắt, chìm hay vật phụ thuộc vào cách nhìn người quan sát Ảnh chiều khơng tới từ mắt mà kết hợp hình ảnh từ mắt Ví dụ nhìn vào hai hình ảnh vật sát cạnh nhau, mắt trái nhìn vào ảnh bên phải mắt phải nhìn vào ảnh bên trái ta cảm tưởng vật khỏi khung hình ngược lại vật lõm 14 xuống Từ hình ảnh mắt, qua não chúng chập lại với tạo thành hình ảnh ba chiều Chỉ cần ta thay đổi ánh sáng phần trung tâm cách mắt tiếp nhận chìm vật lại khác Một điều cần lưu ý rằng, ta nhắm mắt lại nhìn vật xung quanh ta cảm nhận khơng gian chiều Điều có cách suy luận não tiếp nhận thơng tin từ ảnh Một số sinh ra, số khác đến từ học hỏi 1.1.2.2 Phần cứng Máy tính : máy tính hiểu theo nghĩa rộng xử lí đồ họa, cho phép môi trường thực tế ảo chạy cách trơn tru Nó điện thoại, máy vi tính, Đa phần thiết bị máy tính có khả hỗ trợ VR mức đồ họa định Một số môi trường VR yêu cầu cao tốc độ xử lí, khả xử lí đồ họa cao Một máy tính có khả xử lí cao bạn trải nghiệm mơi trường VR tốt, tránh tình trạng giật, lag Các thiết bị đầu vào cho phép bạn tương tác với giới ảo: dị tìm vị trí (position tracking) để xác định vị trí quan sát người xem giới ảo Bộ giao diện định vị (Navigaition interfaces) cho phép bạn thay đổi nhiều thuộc tính người xem góc nhìn, vị trí Bộ giao diện cử (Gesture interfaces) cho phép bạn điều khiển đối tượng thực tế ảo 15 Các thiết bị đầu ra: hiển thị đồ họa để nhìn đối tượng 3D Thiết bị âm để nghe âm môi trường, người ta tạo loa kèm có chất lượng cao có khả tạo âm vịm, hay tạo âm phụ thuộc vào môi trường xa âm nhỏ, động âm vang mang lại trải nghiệm chân thật Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback găng tay) để tạo xúc giác sờ, nắm đối tượng Bộ phản hồi xung lực để tạo lực tác động đường xóc Một hệ thống VR bình thường cần âm đủ Nếu bạn muốn trải nghiệm tốt sử dụng đến thiết bị đầu khác 16 Găng tay dành cho VR mang lại trải nghiệm sờ nắm tốt Kính thực tế ảo đa dạng chủng loại, giá Một số dòng kính thực tế ảo trang bị loa chất lượng cao, kèm cảm biến chạm để mang lại trải nghiệm tốt Với tầm 100.000đ, bạn sở hữu Google CardBoard ! 17 Oculus Rift kèm theo tai nghe touch VR 1.1.3 Các lĩnh vực ứng dụng Thực ảo Công nghệ thực ảo ngày phát triển rộng rãi có mặt hầu hết lĩnh vực quan trọng sống  Kiến trúc, xây dựng công nghiệp chế tạo Thế kế kiến trúc lĩnh vực ứng dụng công nghệ thực ảo nhiều Trước đây, chưa có thực ảo, ý tưởng cơng trình kiến trúc thể khổ giấy Và chi tiết cách thêm thông số vào vẽ mặt cơng trình Ngày nay, khả mơ hình hóa giới thực công nghệ thực ảo dường đấp ứng cách đầy đủ, trực quan cá công trình ngành thiết kế kiến trúc từ khơng gian 3D, kết cấu cơng trình, vật liệu, ánh sáng,… cho phép khách hàng, nhà đầu tư tự tham quan, khảo sát cơng trình cần xây dựng họ theo nhiều góc độ vị trí khác Bên cạnh kiến trúc, xây dựng công nghệ thực ảo hỗ trợ đắc lực cho ngành sản xuất thiết bị khí, mà cơng đoạn thiết kế mơ hình có vai trò quan trọng thiết kế động thiết kế ô tô, tào biển, máy bay,… 18 Khả mô hình hóa cho phép nhà thiết kế thể cách trực quan ý tưởng thiết kế mình, qua đánh giá hiệu thiết bị dựa thử nghiệm mơ thiết bị ảo, có hiệu chỉnh cần thiết trước thiết bị thực sản xuất Điều rõ ràng góp phần khơng nhỏ việc thành công thiết bị công nghệ, giảm bớt chi phí phát sinh  Giải trí Hiện giới có nhiều hãng phát triển sản xuất trò chơi ứng dụng thực tế ảo, nhiên nước lại câu chuyện khác Các studio vừa nhỏ Việt Nam thường tập trung vào game “mì ăn liền” dễ đem lại doanh thu, yêu cầu họ đầu tư vào lĩnh vực vừa nhiều công sức lại dài VR điều bất khả thi Do đó, hi vọng vào game Việt chạy VR đến từ nhà phát triển lớn Rào cản để người dùng tiếp cận với VR chưa có chuẩn chung để developer yên tâm đầu tư phát triển game Ví dụ Google Cardboard, Samsung Oculus có thiết bị đeo, Oculus Rift HTC Vive lại có thêm controller, mà controller thiết bị có thiết kế khác  Ứng dụng quân Gỡ bom khó khăn nhiều đội tuần tra đối phương liên tục kiểm sốt xung quanh Băng vết thương thao tác đơn giản, chúng hồn tồn khơng dễ dàng đạn khói bụi khắp nơi chiến trường Đây tình mà cơng nghệ thực tế ảo tái đợt huấn luyện quân sự, giúp mang đến trải nghiệm mà phương pháp đào tạo thông thường thực  Giáo dục Đào tạo Giáo dục ứng dụng vô tiềm công nghệ VR, cho phép học sinh tham quan cơng trình cổ đại lịch sử, tham gia 19 buổi thực tập giải phẫu thể sinh học, hay truyền cảm hứng tượng kỳ thú thiên nhiên - điều mà có lẽ sách chẳng làm  Thiết kế xe Nhiều nhà sản xuất xe Ford từ lâu sử dụng phịng thí nghiệm tái VR nhằm cho phép nhân viên trải nghiệm xe trước chế tạo Từ đây, họ nhìn cách chi tiết phận xe chí cho phép người dùng đánh giá chúng, để nhận phản hồi từ trước mẫu xe chế tạo Bằng phương pháp này, Ford cập nhật thiết kế họ nhanh hết để phù hợp với xu chung Hãng xe Range Rover sử dụng cơng nghệ thực tế ảo q trình thiết kế với tên gọi CAVE (Computer-Aided Virtual Environment), cho phép người dùng nhìn chí tương tác với mẫu xe trước sản xuất Cấu hình nội thất, khơng gian buồng lái, khí động học hiệu suất va đập kiểm tra môi trường thực tế ảo mà không cần giành thời gian tiền bạc để chế tạo mơ hình 1.2 Bài toán chiếu sáng thực ảo 1.2.1 Khái quát chiếu sáng Chiếu sáng kỹ thuật đa ngành, trước hết mối quan tâm kỹ sư điện, nhà nghiên cứu quan quang phổ học, cán kỹ thuật cơng ty cơng trình cơng cộng nhà quản lý đô thi Chiếu sáng mối quan tâm nhà kiến trúc, xây dựng giới mỹ thuật Ánh sáng xạ (sóng) điện từ nằm dải sóng quan học mà mắt người cảm nhận  ... tài: ? ?Một số dạng nguồn sáng chiếu sáng thực ảo? ?? Nội dung luận văn chia làm phần chính: Chương 1: Tổng quan thực ảo toán chiếu sáng thực ảo - Khái quát thực ảo - Bài toán chiếu sáng thực ảo Chương... dựng nguồn sáng chiếu sáng số thí nghiệm dựa kỹ thuật mơ hình hóa 7 CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ BÀI TOÁN CHIẾU SÁNG TRONG THỰC TẠI ẢO 1.1 Khái quát thực ảo 1.1.1 Thực ảo gì? Thực tế ảo. .. 1: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ BÀI TOÁN CHIẾU SÁNG TRONG THỰC TẠI ẢO 1.1.Khái quát thực ảo 1.1.1 Thực ảo gì? 1.1.2 Các thành phần hệ thống thực tế ảo (Virtual Reatily