CHI TIET KỸ THUẬT RAY TRACING(POV RAY) VÍ DỤ MÔ PHỎNG

1 CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA MÁY TÍNH BA CHIỀU VÀ KỸ THUẬT KẾT XUẤT ĐỒ HỌA 1.1: Khái quát đồ họa máy tính ba chiều 1.1.1:Đồ họa máy tính .4 1.1.2 Các kỹ thuật đồ họa a) Kỹ thuật đồ họa điểm b) Kỹ thuật đồ họa vector 1.1.3 Đồ họa máy tính ba chiều (3D - Dimensions) a) Định nghĩa 3D b) Đồ họa máy tính 3D 1.2:Các kỹ thuật kết xuất đồ họa ba chiều 1.2.1 Kết xuất đồ họa ba chiều .9 1.2.2:Các kỹ thuật kết xuất đồ họa ba chiều 10 a,Các hiệu ứng đồ họa 10 b,Các phương pháp kết xuất đồ họa .11 b.1) Tạo điểm ảnh (rasterization) 12 b.2) Chiếu tia (ray-casting) 12 b.3) Dò tia (ray-tracing) 13 b.4) Tính va đập ánh sáng (radiosity) 14 1.2.3 Kỹ thuật kết xuất Ray tracing .15 a) Lịch sử .15 b)Ray tracing thực tế 15 CHƯƠNG KỸ THUẬT RAY TRACING .16 2.1 Tính toán đường ánh sáng 16 Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) 2.1.1 Tia sáng Tam giác 16 2.1.2 Tia sáng Tứ giác 18 a)Tứ giác không phẳng 19 b)Tứ giác phẳng .20 2.1.3 Tia sáng mặt bậc hai 20 a) Mặt đĩa .20 b)Mặt cầu 21 c)Các dạng mặt bậc hai khác 21 2.1.4 Tia sáng Mặt ẩn 22 2.1.5 Tia sáng Khối hộp 22 2.1.6 Tia sáng Mặt NURBS .23 2.1.7 Tia sáng Mặt .23 2.2 Xử lý đổ bóng với Ray tracing 24 2.3 Một số vấn đề khác Ray tracing 25 a,Hiện tượng phản xạ 26 b,Hiện tượng khúc xạ 27 2.4 Ray tracing Monte Carlo 29 2.4.1 Ray tracing phân tán 29 2.4.2 Ray tracing theo đường .29 2.4.3 Đổ bóng với nguồn sáng hẹp .30 2.4.4 Đổ bóng với nguồn sáng rộng .31 2.4.5 Phản xạ bề mặt bóng 31 2.4.6 Phản xạ khuếch tán .32 2.4.7 Độ sâu trường ảnh 33 2.4.8 Làm mờ chuyển động 34 CHƯƠNG 35 CHƯƠNG TRÌNH POV-RAY 35 3.1 Giới thiệu 35 3.2 Nguyên lý hoạt động .36 Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) 3.3 Đặc điểm chương trình POP-Ray .36 3.4 Ví dụ mô .39 3.4.1 Khai báo thư viện 39 3.4.2 Thêm camera 39 3.4.2.1 Mô tả đối tượng 40 3.4.2.2 Thêm Texture ( kết cấu) cho đối tượng .40 3.4.3 Xác định nguồn ánh sáng 40 Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA MÁY TÍNH BA CHIỀU VÀ KỸ THUẬT KẾT XUẤT ĐỒ HỌA 1.1: Khái quát đồ họa máy tính ba chiều 1.1.1:Đồ họa máy tính Đồ họa máy tính lĩnh vực khoa học máy tính nghiên cứu sở toán học, thuật toán kĩ thuật phép tạo, hiển thị điều khiển hình ảnh hình máy tính Đồ họa máy tính có liên quan nhiều đến số lĩnh vực đại số, hình học giải tích, hình học họa hình, quang học, kĩ thuật máy tính, đặc biệt chế tạo phần cứng (các loại hình, thiết bị xuất, nhập, vỉ mạch đồ họa ) Theo nghĩa rộng hơn, đồ họa máy tính phương pháp công nghệ dùng việc chuyển đổi qua lại liệu hình ảnh hình máy tính Đồ họa máy tính hay kĩ thuật đồ họa máy tính hiểu dạng phương pháp kĩ thuật tạo hình ảnh từ mô hình toán học mô tả đối tượng hay liệu lấy từ đối tượng thực tế 1.1.2 Các kỹ thuật đồ họa a) Kỹ thuật đồ họa điểm Nguyên lý kỹ thuật sau: hình ảnh hiển thị thông qua pixel (từng mẫu rời rạc) Với kỹ thuật này, tạo ra, xóa thay đổi thuộc tính pixel đối tượng Các hình ảnh hiển thị lưới điểm rời rạc (grid), điểm có vị trí xác định hiển thị với giá trị nguyên biểu thị màu sắc dộ sáng điểm Tập hợp tất pixel grid tạo nên hình ảnh đối tượng mà ta muốn biểu diễn Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) b) Kỹ thuật đồ họa vector Nguyên lý kỹ thuật xây dựng mô hình hình học (geometrical model) cho hình ảnh đối tượng, xác định thuộc tính mô hình hình học, sau dựa mô hình để thực trình kết xuất (rendering) để hiển thị điểm mô hình, hình ảnh đối tượng Ở kỹ thuật lưu trữ mô hình toán học thành phần mô hình hình học với thuộc tính tương ứng mà không cần lưu lại toàn tất pixel hình ảnh đối tượng 1.1.3 Đồ họa máy tính ba chiều (3D - Dimensions) a) Định nghĩa 3D Vô chiều: Một điểm ví dụ đối tượng không Nó tạo điểm không gian rõ ràng điểm độ dài, chiều cao hay độ sâu Một chiều: Một đối tượng chiều đường thẳng đơn, chứa độ dài không chứa chiều cao độ sâu Hai chiều: Một đối tượng chiều chứa hai số chiều sau: * Chiều rộng * Chiều cao * Độ sâu Ba chiều: Đối tượng chiều (three-dimension hay 3-Dimentions 3D) sử dụng tất chiều (dài, cao sâu) trục tương ứng không gian X, Y Z Các ứng dụng 3D thực thi theo chuẩn dựa trục gọi hệ tọa độ Đề-Các không gian, khái niệm đề cập tới vào năm kỷ 17 Hệ trục tọa độ gồm có trục X, Y Z tương ứng với chiều không gian, tuân theo quy ước: X: Chiều rộng Y: Chiều cao Z: Độ sâu Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) Theo đồ thị trên, điểm X nằm trái phải, điểm thuộc trục Y nằm hướng dưới, điểm thuộc trục Z dùng để biểu thị độ sâu theo hướng chéo Các ứng dụng 3D sử dụng trục để chuyển đổi, quay phân chia đối tượng không gian theo trục xác định Chẳng hạn, biến dạng di chuyển đối tượng dọc theo trục X cách di chuyển theo hướng trái phải, di chuyển đối tượng trục Y cách kéo lên xuống Nếu di chuyển đối tượng trục Z, đối tượng xuất gần xa Trong đồ họa máy tính, liệu 3D tạo cách sử dụng công cụ 2D Màn hình máy tính đối tượng hiển thị 2D chuột di chuyển mặt phẳng 2D, phản hồi tương tác dựa chuyển động theo hướng trái-phải, trước-sau, phản hồi theo hướng bàn đặt chuột Ngoài ra, xuất từ máy tính 2D Do vậy, để máy tính biểu diễn hình ảnh 3D từ liệu 2D nhập vào cần phải có phần mềm 3D b) Đồ họa máy tính 3D Đồ họa máy tính 3D khác với đồ họa máy tính 2D có chiều thứ liệu hình học máy tính lưu trữ với mục đính để tính toán tạo Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) lại hình ảnh 2D đối tượng mô 3D Đôi hình ảnh hiển thị sau theo dạng tạo ảnh trước, chúng tạo trình trực tiếp (real-time) Các mô hình 3D tạo liệu hình học máy tính lưu trữ gần giống với hình ảnh vật thể bên thực tế hay ảnh chụp đồ họa 3D vẽ lại theo công thức toán học để tạo hình ảnh 2D vật thể 3D Trong phần mềm đồ họa máy tính phân biệt không rõ rệt; số ứng dụng 2D sử dụng công nghệ 3D để tạo hiệu ứng ánh sáng, số phần mềm 3D lại sử dụng công nghệ 2D để tạo 3D ảo Tiến trình tạo dựng đồ họa 3D chia làm bước tuần tự: - Tạo mô hình (mô hình 3D, tạo vật liệu, tạo chuyển động) - Cài đặt bố cục khung cảnh - Kết xuất (Rendering) Bước1: Tạo mô hình Mô hình gốc vật thể mô tả hình dạng cá nhân đối tượng để sau sử dụng khung cảnh Hiện tồn nhiều công nghệ tạo mô hình, kể đến số công nghệ sau: - Hình học cấu trúc khối (solid) - Mô hình NURBS - Mô hình đa giác (polygonal) - Mô hình bề mặt (surfaces) - Mô hình bề mặt nhỏ (subdivision surfaces) Việc xử lý mô hình bao gồm việc biên tập bề mặt đối tượng thuộc tính vật liệu (ví dụ màu sắc, độ tương phải, độ phản chiếu, Nhiều thuộc tính chung làm tròn, phản quang đối tượng, suốt, mờ đục, ), thêm kết cấu, bump-maps nhiều đặc điểm khác Bước 2: Cài đặt bố cục khung cảnh (Scene) Cài đặt bố cục khung cảnh nghĩa xếp đối tượng ảo, ánh sáng, máy quay camera toàn đối tượng khác khung cảnh mà người dùng mong muốn Ánh sáng đối tượng quan trọng khung cảnh Giống giới thực để có kết tốt phải bố trí xếp ánh sáng cho hợp lý với toàn khung cảnh Các hiệu ứng ánh sáng làm cho hiệu ứng đối tượng trở nên đẹp hơn, đòi Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) hỏi kỹ thuật viên phải có nhiều kiến thức bố trí ánh sáng trước thực Bước 3: Kết xuất (Rendering) Trong đồ họa máy tính 3D, Rendering - kết xuất đồ họa - trình sinh tạo hình ảnh từ mô hình cách sử dụng chương trình ứng dụng phần mềm Rendering cho sản phẩm tương tác trò chơi hay mô việc tính toán để hiển thị thời gian thực thời điểm hình Tốc độ khung hình hiển thị từ 20 đến 120 khung hình/giây Các đoạn phim tương tác thường render tốc độ chậm chúng không cần render thời gian thực nên cho phép nâng cao giới hạn hình ảnh tạo khung cảnh thực phức tạp với chất lượng cao Thời gian Render tính riêng cho khung hình riêng rẽ vài giây đến vài ngày với cảnh phức tạp Các khung hình hiển thị với tốc độ cao, thường khoảng 24, 25, 30 khung hình giây, để mô tả lại chuyển động tạo trước Một số phương thức render thường sử dụng là: scanline rendering (phương thức quét dòng), ray tracing (phương pháp dò tia), radiosity (phương pháp lộ sáng) Trong thực tế phương thức có render khác để tạo hình ảnh thực tạo hình ảnh thời gian thực Khác với render thời gian thực, cần cho kết khung ảnh với độ chân thực cao, công nghệ sử dụng thường ray tracing radiosity Để hoàn thành khung hình, máy render (render engine) từ vài giây tới vài ngày tùy độ phức tạp khung hình Trong việc render thời gian thực (real-time), kết trình render sử dụng để hiển thị hình ảnh khoảng 1/30 giây (hay gọi khung hình, trường hợp nói đến tốc độ 30 khung hình/giây) Điều cho phép cảm nhận tốt chuyển động tác phẩm Trong games thường thiết kế đối tượng động phải render khoảng thời gian tương tác Để tăng tốc độ render thời gian thực công nghệ tối ưu hóa giảm thiểu hóa thường đưa vào việc dựng mô hình Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) công nghệ HDR rendering Công nghệ render thời gian thực thường sử dụng máy tính đồ họa tốc độ cao Các công nghệ phát triển phụ thuộc vào mô hiệu ứng tự nhiên, tương tác ánh sáng với hàng loạt dạng vật chất khác Ví dụ công nghệ tạo hệ thống hạt (particle systems – mô mưa, khói lửa), công nghệ lấy mẫu thể tích (volumetric sampling - để mô sương mù, bụi hiệu ứng không gian khác), tụ quang (caustics - để mô tả tiêu điểm ánh sáng chiếu vào vật thể tạo lên hiệu ứng sáng bề mặt bóng), công nghệ phân tán bề mặt (subsurface scattering - dùng để mô hiệu ứng phản chiếu bên thể tích đối tượng khối da người) Các hình ảnh xuất từ việc render sử dụng phần nhỏ khung cảnh chuyển động lớn Nhiều lớp đối tượng, vật liệu render riêng rẽ tích hợp lại giai đoạn cuối việc sử dụng phần mềm kết hợp đặc biệt 1.2:Các kỹ thuật kết xuất đồ họa ba chiều 1.2.1 Kết xuất đồ họa ba chiều Trong đồ họa máy tính, kết xuất đồ họa (tiếng Anh: rendering), gọi tắt kết xuất, trình sinh tạo hình ảnh từ mô hình cách sử dụng chương trình phần mềm ứng dụng Mô hình mô tả đối tượng ba chiều ngôn ngữ định nghĩa chặt chẽ cấu trúc liệu Mô tả bao gồm thông tin hình học, điểm nhìn, chất liệu bố trí ánh sáng đối tượng Hình ảnh hình ảnh số (digital image) hình ảnh đồ họa điểm (raster graphics image) Kết xuất đồ họa sử dụng trong: trò chơi video điệntử (computer and video games), chương trình môphỏng (simulators), điện ảnh (movies) hay hiệu ứng đặc biệt (special effects) TV hình tượng hóa thiết kế (design visualisation), lĩnh vực áp dụng cân đặc trưng kỹ thuật khác Hiện có nhiều sản phẩm phần mềm đa dạng dùng cho việc kết xuất đồ họa Một số kết hợp phần mềm tạo mô hình làm phim hoạt họa, số khác phần mềm đứng riêng (stand-alone) số dự án nguồn Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) 10 mở tự (free open-source projects) Bên chúng, chương trình kết xuất đồ họa chương trình ứng dụng thiết kế xây dựng cách cẩn trọng, dựa số kiến thức ngành: vật lý quang học, nhận thức thị giác (visual perception), toán học phát triển phần mềm 1.2.2:Các kỹ thuật kết xuất đồ họa ba chiều a,Các hiệu ứng đồ họa Có thể hiểu hình ảnh kết xuất thông qua số đặc điểm, hiệu ứng nhìn thấy hình ảnh Việc nghiên cứu phát triển kỹ thuật kết xuất đồ họa chủ yếu nhằm vào việc tìm kiếm phương pháp để mô đặc điểm, hiệu ứng cách hiệu Một số hiệu ứng hình ảnh phổ biến nghiên cứu sử dụng gồm: • hiệu ứng tô bóng (shading) - phương pháp bố trí ánh sáng định, màu sắc cường độ ánh sáng bề mặt vật thể • hiệu ứng tạo chất liệu (texture-mapping ) - phương pháp cho thêm chi tiết vào bề mặt vật thể • hiệu ứng tạo bề mặt sần (bump-mapping) - phương pháp tái tạo hiệu ứng nhấp nhô, lổn nhổn bề mặt phạm vi thu nhỏ • hiệu ứng xa mờ/ảnh hưởng vật chất (fogging/participating medium ) - phương pháp mô tả ánh sáng bị tối chúng xuyên qua môi trường không khí • hiệu ứng bóng tối (shadows ) - phương pháp mô tả ảnh hưởng ánh sáng chúng bị che lấp vật thể (ngả bóng) • hiệu ứng bóng tối mềm (soft shadows) - phương pháp mô tả biến thiên bóng tối gây nguồn ánh sáng bị che khuất phần • hiệu ứng phản quang (reflection) - phương pháp mô tả hiệu ứng phản quang gương bề mặt bóng loáng • hiệu ứng suốt (transparency) - phương pháp mô tả hiệu ứng truyền ánh sáng xuyên qua vật thể đặc • hiệu ứng mờ (translucency) - phương pháp mô tả phân tán cao độ ánh sáng truyền xuyên qua vật thể đặc • hiệu ứng khúc xạ (refraction) - phương pháp mô tả đổi hướng ánh sáng truyền qua vật thể suốt Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) 28 Hình : Biểu diễn hình học hướng khúc xạ tia sáng Góc tia khúc xạ tính toán cách áp dụng quy tắc khúc xạ Quan hệ góc tới góc khúc xạ tính sau: ηi sin θi = ηt sin θt Từ công thức ta có tia khúc xạ tính sau: r r t = −η i + (η cos θ i − − η (1 − cos θ i )) n rr Với η = ηi / ηt vector i, n chuẩn hóa Nếu giá trị bậc hai số âm không xảy khúc xạ, trường hợp gọi phản xạ nội toàn phần xảy ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất cao đến môi trường có chiết suất thấp Nếu giá trị bậc hai không góc gọi góc tới hạn Mức độ phản xạ khúc xạ phụ thuộc vào góc tới chiết suất Mức độ phản xạ, khúc xạ tính toán cách sử dụng công thức Fresnel (không đề cập khuôn khổ luận văn) Hình vẽ sau mô tả hai ấm trà thủy tinh màu với hiệu ứng phản xạ, khúc xạ xử lý Ray tracing Lưu ý hình vẽ, thủy tinh làm cong tia sáng khúc xạ qua Hình : Hai ấm trà thủy tinh với hiệu ứng phản xạ khúc xạ Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) 29 2.4 Ray tracing Monte Carlo Trong phần trước, thực Ray tracing hướng tia sáng chiếu xác định trước Trong phần ta xem xét hiệu ứng thực với kỹ thuật Ray tracing Monte Carlo (hay gọi Ray tracing ngẫu nhiên) trường hợp nguồn sáng, hướng tia sáng, số lượng tia chiếu ngẫu nhiên Kỹ thuật Ray tracing Monte Carl thường chia thành hai loại: Ray tracing phân tán Ray tracing theo đường 2.4.1 Ray tracing phân tán Khi thực kỹ thuật Ray tracing phân tán, từ điểm bề mặt vật thể chiếu nhiều tia sáng để lấy mẫu ánh sáng, độ phản chiếu hay nhiều hiệu ứng khác cảnh mô Hình vẽ sau mô tả gồm tia phản xạ khúc xạ thực Ray tracing phân tán Nhìn hình ta thấy sử dụng kỹ thuật Ray tracing phân tán làm phát sinh số lượng lớn tia sáng sau vài lần va chạm với bề mặt vật thể Tuy nhiên, sử dụng kỹ thuật việc quản lý tia sáng phát sinh từ điểm bề mặt vật thể lại dễ dàng, phương pháp thường sử dụng quản lý phân tầng tia sáng Hình : Cây phản xạ khúc xạ tia sáng với Ray tracing phân tán 2.4.2 Ray tracing theo đường Ray tracing theo đường biến thể kỹ thuật Ray tracing phân tán với điểm bề mặt vật thể xem xét tia phản xạ khúc xạ Kỹ Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) 30 thuật tránh bùng nổ số lượng tia sáng phát sinh sau va chạm, việc thực đơn giản nên dễ dẫn đến việc tạo hình ảnh bị nhiễu Để khắc phục nhược điểm này, điểm ảnh bề mặt vật thể xem xét xử lý nhiều tia sáng, nhiên số lượng tia giới hạn Kỹ thuật Ray tracing theo đường thể nhiều ưu điểm thực hiệu ứng camera hiệu ứng độ sâu trường ảnh hay làm mờ chuyển động Tuy nhiên, sử dụng kỹ thuật việc quảy lý phân tán tia phản xạ, khúc xạ phát sinh tương đối khó khăn so với kỹ thuật Ray tracing phân tán, việc quản lý phân tầng tia sáng 2.4.3 Đổ bóng với nguồn sáng hẹp Nguồn sáng hẹp chiếu vào vật thể tạo bóng đổ mềm Đổ bóng mềm tượng bề mặt chứa bóng đổ vật thể tồn ba khu vực: khu vực hoàn toàn sáng, khu vực hoàn toàn tối (do bóng vật thể) khu vực nửa sáng nửa tối (gọi vùng nửa tối) Đổ bóng mềm tính toán mô cách chiếu tia tạo bóng đổ tới điểm ngẫu nhiên thuộc vùng chiếu sáng nguồn sáng hẹp Hình vẽ (a) mô tả tia tạo bóng đổ từ ba điểm mặt chứa bóng tới nguồn sáng hẹp (hình tam giác nhỏ bên trên), có số tia chạm qua vật thể Hình (b) mô tả đổ bóng mềm phối cảnh hai ấm trà Trong ảnh này, nguồn sáng có hình cầu bóng mềm xử lý kỹ thuật Ray tracing phân tán Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) 31 Hình : (a) Các tia đổ bóng với nguồn sáng hẹp; (b) Hai ấm trà đổ bóng mềm với nguồn sáng hẹp 2.4.4 Đổ bóng với nguồn sáng rộng Nguồn sáng rộng hiểu nguồn sáng có kích thước cực lớn, ví dụ ánh sáng ban ngày Đối với nguồn sáng rộng, khoảng cách định với vật thể không tồn vùng hoàn toàn tối vùng hoàn toàn sáng mà đa số vùng nửa tối Hình vẽ (a) mô tả tia từ hai điểm bề mặt chứa bóng đổ tạo từ nguồn sáng rộng Tại điểm bên trái hầu hết tia chạm qua vật thể, điểm thuộc vùng nửa tối thiên tối; điểm bên phải có vài tia chạm qua vật thể, điểm thuộc vùng nửa tối thiên sáng Hình (b) mô tả phối cảnh hai ấm trà điều kiện nguồn sáng rộng Hình: (a) Các tia đổ bóng với nguồn sáng rộng; (b) Hai ấm trà đổ bóng với nguồn sáng rộng 2.4.5 Phản xạ bề mặt bóng Phản xạ bề mặt bóng việc tia sáng phản xạ bề mặt nhẵn bóng vật thể mô không xuất phát trực tiếp từ nguồn sáng mà hắt lại từ nhiều mặt khác, tạo hình chiếu mặt khác bề mặt nhẵn bóng vật thể mô Phản xạ bề mặt bóng với tia sáng từ nguồn sáng gián tiếp tính toán cách chiếu tia theo hướng phản xạ phân tán bề mặt bóng Với hướng tia tới cho trước cặp số ngẫu nhiên hình thành nên mô hình phản xạ cho phép tính hướng tia phản xạ Hình vẽ sau mô tả phản xạ bề mặt bóng hai ấm trà Sự phản xạ Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) 32 tính toán sử dụng mô hình phản xạ bề mặt bóng Ward (còn gọi mô hình phản xạ đẳng hướng, mô hình không nghiên cứu khuôn khổ luận văn) Hình : (a) Hai ấm trà với hiệu ứng phản xạ bề mặt bóng; (b) Cận cảnh hiệu ứng phản xạ bề mặt bóng Tương tự việc xử lý hiệu ứng phản xạ bề mặt bóng, hiệu ứng khúc xạ bề mặt bóng tính toán cách phân tán tia theo hướng khúc xạ Xử lý hiệu ứng cho phép ta mô bề mặt có đặc tính mờ (ví dụ thủy tinh mờ hay kính màu) 2.4.6 Phản xạ khuếch tán Một số nhà nghiên cứu đồ họa máy tính sử dụng kỹ thuật ray tracing phân tán rộng để mô trường hợp tia tới tia khuếch tán Phản xạ khuếch tán tượng bề mặt chiếu sáng nguồn sáng gián tiếp phản xạ từ bề mặt gần bị phủ màu sắc bề mặt Ta xem xét hình vẽ sau để hiểu rõ kỹ thuật mô Trong hình vẽ hai ấm trà đặt môi trường nguồn sáng bao trùm khung cảnh Bất kỳ ánh sáng có vùng bóng đổ bắt nguồn từ phản xạ khuếch tán nguồn sáng gián tiếp Đặc biệt lưu ý cách ô vuông trắng bề mặt ca-rô phản chiếu ánh sáng lên phần đáy ấm trà, cách mà vòi ấm trà bên phải hắt ánh sáng lên vùng thân ấm gần Hiệu ứng thường gọi hiệu ứng chảy màu (trong ví dụ màu xét màu trắng), cho phép mô bề mặt hắt sáng phủ màu vật gần Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) 33 Hình : Hai ấm trà ca-rô với hiệu ứng phản xạ khuếch tán 2.4.7 Độ sâu trường ảnh Trong thực tế, máy ảnh thiết kế với ống kính có độ hữu hạn, thời điểm chụp máy ảnh lựa chọn tiêu cự định Khi vật thể xa tiêu cự máy ảnh lựa chọn bị mờ Trong đồ họa máy tính ta mô việc mở độ hữu hạn máy ảnh cách dò theo tia sáng có nguồn hướng chiếu xê dịch khoảng định mô tả hình (a) Hình (b) biểu diễn việc mô hiệu ứng độ sâu trường ảnh sau: ấm trà phía trước nằm gần hoàn toàn tiêu cự máy ảnh chụp, ấm trà phía sau nằm tiêu cự Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) 34 Hình 2.16: (a) Đường tia sáng gây độ mờ hữu hạn; (b) Hai ấm trà với hiệu ứng độ sâu trường ảnh 2.4.8 Làm mờ chuyển động Trong máy ảnh thật tiến hành chụp ảnh, cửa trập máy ảnh cần thời gian định lưu giữ đủ ánh sáng lên phim chip CCD Nếu vật thể chuyển động khoảng thời gian cửa trập mở để lưu giữ hình ảnh, hình ảnh máy ảnh lưu giữ bị mờ Để mô hiệu ứng kỹ thuật Ray tracing, ta chiếu tia thời điểm khác khoảng thời gian mở cửa trập máy ảnh Trong trình ghi nhận kết mô tia sáng tới vật thể, ta giả định cho vật thể chuyển động khoảng thời gian định Hình sau mô tả việc hiển thị hai ấm trà bị mờ trình chuyển động: ấm trà sẫm màu di chuyển, ấm trà sáng màu vừa di chuyển vừa tự xoay quanh trục Như ấm trà bị làm mờ lên ảnh hình phản chiếu bóng chúng bị làm mờ Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) 35 Hình : Hai ấm trà với hiệu ứng làm mờ chuyển động CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH POV-RAY 3.1 Giới thiệu POV-Ray ™( Persistence of Vision Raytracer ™), công cụ để sản xuất đồ họa máy tính chất lượng cao POV-Ray phần mềm miễn phí (theo định nghĩa Free Software Foundation) mã nguồn cấp phép theo Giấy phép Affero General Public (AGPL) POV-Ray phát triển từ DKBTrace 2.12 (được viết David K Buck Aaron A Collins) nhóm người (gọi POV-Team ™) thời gian rảnh rỗi Trụ sở POV-Team Internet Các gói POV-Ray có hướng dẫn chi tiết cách sử dụng tia-tracer tạo cảnh Nhiều cảnh quan tuyệt đẹp có sẵn POV-Ray, bạn bắt đầu tạo ảnh bạn nhận gói Những cảnh sửa đổi để bạn đầu Ngoài cảnh xác định trước, thư viện hình dạng vật liệu xác định trước cung cấp Bạn bao gồm hình dạng Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) 36 vật liệu cảnh riêng bạn cách bao gồm tên tập tin thư viện đầu tập tin cảnh bạn, cách sử dụng hình dạng tên tài liệu khung cảnh bạn 3.2 Nguyên lý hoạt động Chương trình POV-Ray sử dụng kỹ thuật Ray-Tracing Theo đó,POV-Ray bắt đầu với máy ảnh mô theo dõi tia ngược vào cảnh Người dùng xác định vị trí máy ảnh loại ống kính sử dụng, nguồn ánh sáng chiếu sáng trường, đối tượng bên nó, thuộc tính kết cấu bề mặt đối tượng, kết cấu bên (nếu suốt) môi trường không khí sương mù, khói mù, cháy Đối với điểm ảnh hình ảnh cuối cùng, nhiều tia xem bắn từ máy ảnh vào trường để xem cắt với đối tượng cảnh Những "xem tia" có nguồn gốc từ người xem (đại diện máy ảnh), qua cửa sổ xem (đại diện cho điểm ảnh hình ảnh cuối cùng) Mỗi đối tượng nhấn, màu sắc bề mặt điểm tính toán Đối với mục đích tia gửi từ thời điểm đến nguồn ánh sáng để xác định lượng ánh sáng đến từ nguồn Những "tia bóng tối" kiểm tra để xác định xem điểm bề mặt nằm bóng tối hay không Nếu bề mặt tia phản chiếu suốt thiết lập truy tìm để xác định đóng góp ánh sáng phản xạ khúc xạ màu sắc bề mặt cuối Chương trình có tính đặc biệt phản ánh liên lan tỏa (radiosity), hiệu ứng không khí ánh sáng khu vực làm cho cần thiết để bắn nhiều tia thêm vào cảnh cho điểm ảnh 3.3 Đặc điểm chương trình POP-Ray POV-Ray mô tả đối tượng cách sử dụng định nghĩa toán học nó; tất đối tượng nguyên thủy POV-Ray mô tả hàm toán học Điều khác với nhiều gói mô hình máy tính 3D, thường sử dụng tam giác mắt lưới để mô tả tất đối tượng Các thành phần bản: - Basic Shapes // hình dạng • Box Object // hình hộp • Cone Object // hình nón • Cylinder Object // hình trụ Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) 37 • Plane Object • Torus Object CSG Objects • • • • • // kỹ thuật dựng hình đặc CSG Union CSG Intersection CSG Difference CSG Merge CSG Pitfalls The Light Source • • • • • • The Pointlight Source // điểm sáng The Spotlight Source // đèn sân khấu The Cylindrical Light Source // trụ sáng The Area Light Source // khu vực sáng The Ambient Light Source //nguồn sáng xung quanh Light Source Specials // nguồn sáng đặc biệt o Using Shadowless Lights // bóng mờ o Assigning an Object to a Light Source //từ đối tượng đến nguồn sáng o Using Light Fading // ánh sáng mờ // tùy chọn kết cấu đơn giản Surface Finishes Adding Bumpiness Creating Color Patterns Pre-defined Textures Using the Camera • Using Focal Blur POV-Ray Coordinate System • • • • // kỹ thuật hợp // kỹ thuật giao // kỹ thuật khác // kỹ thuật sáp nhập // kỹ thuật // nguồn sáng Simple Texture Options • • • • // mặt phẳng //hình xuyến Transformations Translate Scale Rotate // bề mặt kết thúc // thêm mấp mô // tạo mẫu màu // kết cấu xác định trước // sử dụng máy ảnh // tiêu điểm nhòe // Hệ tọa độ // phép biến đổi // phép dịch // phép tỉ lệ // phép quay Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) 38 • • • • • Matrix // ma trận biến đổi Transformation Order //chuyển đổi thứ tự Inverse Transform //chuyển đổi ngược Transform Identifiers // chuyển đổi định danh Transforming Textures and Objects //chuyển đổi kết cấu đối tượng Dưới số Tính bật POV-Ray: - Dễ dàng sử dụng ngôn ngữ mô tả cảnh - Thư viện lớn tập tin ví dụ cảnh quan tuyệt đẹp - Tiêu chuẩn bao gồm tập tin trước xác định nhiều hình dạng, màu sắc kết cấu - Rất file ảnh đầu chất lượng cao (lên đến màu 48-bit) - Tạo cảnh quan sử dụng trường độ cao làm nhẵn - Nhiều loại camera, bao gồm phối cảnh , trực giao, hiệu ứng mắt cá , vv - Đèn sân khấu , đèn trụ đèn khu vực chiếu sáng phức tạp - Tia sáng thực tế, phản xạ khúc xạ, Tia sáng tương tác với môi trường - Phản ánh liên lan tỏa ( radiosity ) cho ánh sáng thực tế - Hiệu ứng khí không khí , mặt đất sương mù cầu vồng - Môi trường hạt để mô hình hiệu ứng đám mây, bụi, lửa nước - Một số tập tin hình ảnh định dạng đầu bao gồm BMP, PNG, JPG OpenEXR - hình dạng nguyên thủy như: hình cầu, hộp, đường bậc 2, quadric, xi lanh, nón, tam giác,máy bay - hình dạng nguyên thủy tiên tiến như: hình xuyến, trường độ cao(vùng núi), giọt nước, tam giác mịn, text, đường bậc 4, lăng kính, đa giác, mặt tròn xoay - Các hình dạng đơn giản dễ dàng kết hợp để tạo hình dạng phức tạp sử dụng Constructive Geometry - POV-Ray hỗ trợ phép toán hợp, giao, loại trừ phép khác - Đối tượng có tính chất vật thể tính chất bề mặt tính chất bên như: số khúc xạ số truyền sáng - Người dùng tạo kết cấu riêng sử dụng đối tượng xác định trước Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) 39 - Kết hợp kết cấu sử dụng lớp kết cấu bán suốt gạch kết cấu tập tin đồ vật chất - Hiển thị xem trước hình ảnh render (trên tảng hỗ trợ) 3.4 Ví dụ mô 3.4.1 Khai báo thư viện Việc khai báo thư viện khung cảnh, màu sắc Việc thứ hai khai báo tập hợp kết cấu vật chất POV-Ray kèm với nhiều thư viện Những thư viện thường sử dụng là: #include "textures.inc" // thư viện khung cảnh #include "shapes.inc" // thư viện hình dạng #include "glass.inc" // kết cấu thủy tinh #include "metals.inc" // kết cấu kim loại #include "woods.inc" // kết cấu gỗ Chúng ta nên khai báo tập thực cần để sử dụng Một số thư viện POV-Ray lớn tiết kiệm thời gian phân tích nhớ không cần chúng Trong ví dụ sau, sử dụng thư viện colors.inc , stones.inc 3.4.2 Thêm camera Các camera mô tả đâu camera thấy cảnh Nó cung cấp điểm có tọa độ( x-,y-, z-) để vị trí camera phần khung cảnh hướng vào Chúng ta mô tả tọa độ cách sử dụng vector không gian ba chiều Một vector xác định cách đặt ba giá trị số cặp dấu ngoặc nhọn tách giá trị dấu phẩy Chúng ta thêm lệnh camera sau tới khung cảnh camera{ location //vị trí camera look_at //điểm camera hướng đến Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) 40 } Look_at điểm trung tâm hình ảnh 3.4.2.1 Mô tả đối tượng Bây camera thiết lập để ghi lại khung cảnh, đặt cầu màu vàng vào khung cảnh Chúng ta thêm dòng sau: sphere { //sphere: khối cầu , // tâm bán kính texture { // thiết lập bề mặt pigment { color Yellow } //thiết lập màu } } } 3.4.2.2 Thêm Texture ( kết cấu) cho đối tượng Sau xác định vị trí kích thước hình cầu, cần phải mô tả bề mặt Các kết cấu xác định thông số Khối kết cấu mô tả màu sắc, tính mấp mô tương tác với ánh sáng đối tượng Trong ví dụ này, xác định màu sắc Đây điều tối thiểu phải làm Tất tùy chọn kết cấu khác, ngoại trừ màu sắc sử dụng giá trị mặc định - Các màu sắc, xác định cách muốn xem đối tượng chiếu sáng đầy đủ Nếu vẽ tranh cầu, phải sử dụng màu tối màu sắc để mặt khuất sắc thái tươi sáng phía chiếu sáng Tuy nhiên ray-tracing làm điều cho bạn Chúng ta cần chọn màu sắc vốn có đối tượng POV-Ray làm sáng làm tối tùy thuộc vào ánh sáng cảnh Bởi định nghĩa màu sắc đối tượng thực có sắc tố màu quan sát 3.4.3 Xác định nguồn ánh sáng Chúng ta cần nguồn sáng Sẽ ánh sáng giới ảo them nguồn sáng Như thêm dòng Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) 41 light_source { color white} //vị trí màu sắc nguồn sáng Nguồn ánh sáng điểm nhỏ vô hình phát ánh sáng Nó hình dạng vật lý, không cần có kết cấu Kết hợp phần ta tập tin Pov-Ray sau: #include "colors.inc" background { color Cyan } camera { location look_at } sphere { , texture { pigment { color Yellow } } } light_source { color White} Tập tin Pov-Ray lưu dạng file pov Hình ảnh tạo lưu dạng file png Hình ảnh tạo chạy tập tin trên: Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) 42 -HẾT Tìm hiểu Pov-Ray (chương trình ray – tracing) [...]... thực hiện với kỹ thuật Ray tracing Monte Carlo (hay còn gọi là Ray tracing ngẫu nhiên) trong các trường hợp nguồn sáng, hướng tia sáng, số lượng tia được chi u ra là ngẫu nhiên Kỹ thuật Ray tracing Monte Carl thường chia thành hai loại: Ray tracing phân tán và Ray tracing theo đường 2.4.1 Ray tracing phân tán Khi thực hiện kỹ thuật Ray tracing phân tán, từ mỗi điểm trên bề mặt vật thể sẽ chi u đi nhiều... trong nhà Trong kỹ thuật mô phỏng sự va đập của ánh sáng mở rộng, việc bố trí màu sắc của một bề mặt ảnh hưởng tới việc bố trí màu sắc của bề mặt bên cạnh nó và ngược lại Các giá trị kết quả về sự chi u sáng khi áp dụng mô hình kỹ thuật này được lưu trữ và được sử dụng làm dữ liệu đầu vào bổ sung cho việc thực hiện các phép tính khi triển khai mô hình Chi u tia (ray- casting) hay Dò tia (ray- tracing) Hiện... kết xuất này có thể áp dụng thêm một số đặc tính về quang học b.3) Dò tia (ray- tracing) Phương pháp Dò tia (ray tracing) là phiên bản mở rộng và tổng quát hơn của phương pháp Chi u tia (ray casting) Phương pháp Dò tia giả lập luồng các tia sáng trong tự nhiên để mô tả các vật thể Khác với phương pháp Chi u tia, phương pháp Dò thường áp dụng các kỹ thuật Monte Carlo, đây là các kỹ thuật dựa trên cơ sở... sáng để lấy mẫu về ánh sáng, độ phản chi u hay nhiều hiệu ứng khác trong cảnh được mô phỏng Hình vẽ sau mô tả một cây gồm các tia phản xạ và khúc xạ khi thực hiện Ray tracing phân tán Nhìn hình ta có thể thấy khi sử dụng kỹ thuật Ray tracing phân tán có thể làm phát sinh một số lượng lớn tia sáng sau một vài lần va chạm với các bề mặt vật thể Tuy nhiên, khi sử dụng kỹ thuật này việc quản lý các tia sáng... mặt con thành một khối đa giác và sau đó thực hiện ray tracing khối đó Tìm hiểu Pov -Ray (chương trình ray – tracing) 24 2.2 Xử lý đổ bóng với Ray tracing Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, đến nay ta mới chỉ sử dụng ray tracing để xác định, mô phỏng các đối tượng trong ảnh Ứng dụng mở rộng đầu tiên của kỹ thuật ray tracing được xem xét đó là xử lý đổ bóng của vật thể: ta có thể xác định một điểm... dàng, phương pháp thường được sử dụng đó là quản lý phân tầng các tia sáng Hình : Cây phản xạ và khúc xạ tia sáng với Ray tracing phân tán 2.4.2 Ray tracing theo đường Ray tracing theo đường là một biến thể của kỹ thuật Ray tracing phân tán với mỗi điểm trên bề mặt vật thể chỉ xem xét một tia phản xạ hoặc khúc xạ Kỹ Tìm hiểu Pov -Ray (chương trình ray – tracing) 30 thuật này tránh được sự bùng nổ số... theo hướng khúc xạ Xử lý được hiệu ứng này cho phép ta mô phỏng các bề mặt có đặc tính trong mờ (ví dụ thủy tinh mờ hay kính màu) 2.4.6 Phản xạ khuếch tán Một số nhà nghiên cứu đồ họa máy tính đã sử dụng kỹ thuật ray tracing phân tán rộng để mô phỏng trường hợp các tia tới là các tia khuếch tán Phản xạ khuếch tán là hiện tượng một bề mặt được chi u sáng bởi các nguồn sáng gián tiếp phản xạ từ các bề... gồm các hình dạng và Tìm hiểu Pov -Ray (chương trình ray – tracing) 36 vật liệu trong những cảnh riêng của bạn bằng cách chỉ bao gồm tên tập tin thư viện ở đầu tập tin cảnh của bạn, và bằng cách sử dụng các hình dạng hoặc tên tài liệu trong khung cảnh của bạn 3.2 Nguyên lý hoạt động Chương trình POV -Ray sử dụng kỹ thuật Ray- Tracing Theo đó,POV -Ray bắt đầu với máy ảnh mô phỏng của nó và theo dõi các tia... và chi u sáng các vùng xung quanh Kỹ thuật mô phỏng có thể khác nhau về mức độ phức tạp Nhiều quá trình kết xuất chỉ ước lượng tương đối sự va đập của ánh sáng và chỉ đơn giản chi u sáng toàn bộ không gian của bức ảnh lên một chút với một hệ số được gọi là môi trường (ambiance) Tuy vậy, khi thuật toán ước tính sự va đập ánh sáng mở rộng được đi đôi với thuật toán Dò tia chất lượng cao (high quality ray. .. hạn Kỹ thuật Ray tracing theo đường thể hiện nhiều ưu điểm khi thực hiện các hiệu ứng về camera như hiệu ứng độ sâu trường ảnh hay làm mờ chuyển động Tuy nhiên, khi sử dụng kỹ thuật này việc quảy lý sự phân tán các tia phản xạ, khúc xạ phát sinh tương đối khó khăn so với kỹ thuật Ray tracing phân tán, nhất là việc quản lý phân tầng các tia sáng 2.4.3 Đổ bóng với nguồn sáng hẹp Nguồn sáng hẹp khi chi u