Kỹ thuật ray tracing trong sinh ảnh và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KỸ THUẬT RAY TRACING TRONG SINH ẢNH VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Thị Hồng Minh Thái Nguyên - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn nội dung luận văn tự sưu tầm, tra cứu xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu đề tài Nội dung luận văn chưa công bố hay xuất hình thức không chép từ công trình nghiên cứu Phần mã nguồn chương trình tự thiết kế xây dựng, có sử dụng số thư viện chuẩn thuật toán tác giả xuất công khai miễn phí mạng Internet Nếu sai xin xin hoàn toàn chịu trách nhiệm LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nỗ lực thực hiện, luận văn nghiên cứu “Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng” hoàn thành Ngoài cố gắng thân, em nhận nhiều khích lệ từ phía nhà trường, thầy cô, gia đình bạn bè Trước hết em xin cảm ơn gia đình, người thân động viên tạo điều kiện tốt để em học tập hoàn thành luận văn Em xin cảm ơn quý thầy cô trường Đại học Thái Nguyên truyền đạt kiến thức quý báu cho em trình học tập Đặc biệt, em xin bày tỏ biết ơn chân thành đến cô giáo, TS.Nguyễn Thị Hồng Minh, người tận tình hướng dẫn giúp đỡ em trình làm luận văn tốt nghiệp Xin cảm ơn tất bạn bè động viên, giúp đỡ trình học tập hoàn thành luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC Trang Phần mở đầu Chương Khái quát đồ họa máy tính ba chiều kỹ thuật kết xuất đồ họa 1.1 Khái quát đồ họa máy tính ba chiều 1.1.1 Đồ họa máy tính 1.1.2 Các kỹ thuật đồ họa 1.1.3 Đồ họa máy tính ba chiều (3D - Dimensions) 1.2 Các kỹ thuật kết xuất đồ họa ba chiều 11 1.2.1 Kết xuất đồ họa ba chiều 11 1.2.2 Kỹ thuật kết xuất Ray tracing 18 Chương Kỹ thuật Ray tracing 21 2.1 Tính toán đường ánh sáng 21 2.1.1 Tia sáng Tam giác .21 2.1.2 Tia sáng Tứ giác 23 2.1.3 Tia sáng mặt bậc hai .25 2.1.4 Tia sáng Mặt ẩn 27 2.1.5 Tia sáng Mặt NURBS 27 2.1.6 Tia sáng Mặt 28 2.1.7 Tia sáng Khối hộp .28 2.2 Xử lý đổ bóng với Ray tracing .30 2.3 Một số vấn đề khác Ray tracing 32 2.4.1 Ray tracing phân tán 36 2.4.2 Ray tracing theo đường 37 2.4.3 Đổ bóng với nguồn sáng hẹp 37 2.4.4 Đổ bóng với nguồn sáng rộng 38 2.4.5 Phản xạ bề mặt bóng 39 2.4.6 Phản xạ khuếch tán 40 2.4.7 Độ sâu trường ảnh 41 2.4.8 Làm mờ chuyển động 41 Chương Chương trình ứng dụng .43 3.1 Bài toán 43 3.2 Phân tích yêu cầu chương trình cài đặt thử nghiệm kỹ thuật sinh ảnh không gian 3D theo hướng Ray-tracing 43 3.3 Chương trình sinh ảnh RTRendering theo kỹ thuật Ray-tracing 44 Kết luận 48 Tài liệu tham khảo 50 PHẦN MỞ ĐẦU Phần mở đầu Đồ họa máy tính lĩnh vực khoa học máy tính nghiên cứu sở toán học, thuật toán kỹ 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, kỹ thuật máy tính, đặc biệt chế tạo phần cứng 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 kỹ thuật đồ họa máy tính hiểu dạng phương pháp kỹ thuật tạo hình ảnh từ mô hình toán học mô tả đối tượng hay liệu lấy từ đối tượng thực tế Khái niệm Đồ hoạ máy tính 3D William Fetter đưa năm 1960 Đồ họa 3D cho phép mô không gian chiều máy tính Về mặt toán học, công việc phức tạp, nhiên hầu hết công việc phức tạp thực phần cứng chuyên dụng với tốc độ cao 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 Nhiều thuật toán kết xuất đồ họa nghiên cứu phần mềm dùng trình kết xuất áp dụng số kỹ thuật kết xuất để đạt hình ảnh cuối Các kỹ thuật kết xuất đồ họa phổ biến sử dụng Tạo ảnh điểm (rasterization), Chiếu tia (Ray casting) Dò tia (Ray-tracing) Ray-tracing kỹ thuật để sinh ảnh cách tìm đường ánh sáng qua điểm ảnh mặt phẳng ảnh mô hiệu Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng ứng ánh sáng chạm vào bề mặt đối tượng ảo Kỹ thuật dò theo đường tia sáng, Camera, tới bề mặt sau phụ thuộc vào tính suốt hay phản xạ bề mặt, xác định hướng tia sáng Ray-tracing lần cho phép tính đến môi trường xung quanh chiếu sáng vật thể, cho phép tạo khung hình có độ chân thực cao so với phương pháp kết xuất quét dòng thông thường Raytracing đặc biệt phù hợp với ứng dụng có ảnh kết xuất chậm ảnh tĩnh, phim hay hiệu ứng truyền hình đặc biệt Ray-tracing có khả mô nhiều hiệu ứng quang học phản xạ, khúc xạ, tán xạ, quang sai màu Xuất phát hoàn cảnh đó, luận văn lựa chọn đề tài Kỹ thuật Raytracing sinh ảnh ứng dụng vấn đề tính khoa học mà mang đậm tính thực tiễn Trong phạm vi nghiên cứu, luận văn chia thành phần: Phần mở đầu, phần kết luận ba chương chính, cụ thể: Chương Khái quát đồ họa máy tính ba chiều kỹ thuật kết xuất đồ họa Chương giới thiệu khái quát đồ họa máy tính ba chiều gồm khái niệm, định nghĩa đồ họa máy tính ba chiều;trình bày khái quát kỹ thuật kết xuất đồ họa ba chiều từ đến phức tạp xếp theo thứ tự phát triển kỹ thuật, giới thiệu sơ lược kỹ thuật kết xuất Ray tracing Chương II Kỹ thuật Ray tracing Chương tìm hiểu chi tiết kỹ thuật kết xuất Ray tracing, bao gồm nội dung tính toán đường ánh sáng trường hợp mô vật thể với nhiều hình dáng bề mặt khác nhau; nội dung việc Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng ứng dụng kỹ thuật Ray tracing xử lý hiệu ứng mô hình ảnh ba chiều đổ bóng, phản xạ, khúc xạ ánh sáng… Chương III.Chương trình ứng dụng Chương nêu toán ứng dụng kỹ thuật Ray tracing việc sinh ảnh không gian ba chiều, phân tích yêu cầu chương trình cài đặt thử nghiệm giải toán đặt giới thiệu chức năng, tính kỹ thuật chương trình sinh ảnh sử dụng kỹ thuật Ray tracing Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng Chương KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA MÁY TÍNH BA CHIỀU VÀ KỸ THUẬT KẾT XUẤT ĐỒ HỌA Chương Khái quát đồ họa máy tính ba chiều 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 ) [1], [3] 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 [6], [8], [11] Thuật ngữ "đồ họa máy tính" (computer graphics) đề xuất chuyên gia người Mĩ tên William Fetter vào năm 1960 Khi ông nghiên cứu xây dựng mô hình buồng lái máy bay cho hãng Boeing William Fetter dựa hình ảnh chiều mô hình người phi công buồng lái để xây dựng nên mô hình buồng lái tối ưu cho máy bay Boeing Đây phương pháp nghiên cứu vào thời kì Phương pháp cho phép nhà thiết kế quan sát cách trực quan vị trí người lái Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng khoang buồng lái William Fetter đặt tên cho phương pháp computer graphics [5] 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 [10] 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 [7] 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 Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng 37 Hình 2.11: 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 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 Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng 38 Hình 2.12: (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 Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng 39 Hình 2.13: (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 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 2.14: (a) Hai ấm trà với hiệu ứng phản xạ bề mặt bóng; (b) Cận cảnh hiệu ứng phản xạ bề mặt bóng Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng 40 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 Hình 2.15: Hai ấm trà ca-rô với hiệu ứng phản xạ khuếch tán Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng 41 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 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 có Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng 42 thể 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 Hình 2.17: Hai ấm trà với hiệu ứng làm mờ chuyển động Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng 43 Chương CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG Chương Chương trình ứng dụng 3.1 Bài toán Trong phạm vi nghiên cứu luận văn, chương trình thử nghiệm cài đặt thuật toán thể nguyên tắc hoạt động kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ba chiều, mô hiệu ứng đồ họa xử lý kỹ thuật Ray tracing, bao gồm: - Hiệu ứng phản xạ - Hiệu ứng khúc xạ - Hiệu ứng đổ bóng - Hiệu ứng tô bóng 3.2 Phân tích yêu cầu chương trình cài đặt thử nghiệm kỹ thuật sinh ảnh không gian 3D theo hướng Ray-tracing Chương trình thử nghiệm xây dựng sử dụng ngôn ngữ Visual C#, sử dụng số thư viện miễn phí đồ họa ba chiều mạng Internet Chương trình thử nghiệm phải thể hiệu ứng đồ họa sở sử dụng kỹ thuật Ray tracing để sinh ảnh ba chiều Các hiệu ứng đồ họa lựa chọn sử dụng chương trình thử nghiệm sở kỹ thuật Ray tracing hiệu ứng đề cập khuôn khổ nội dung luận văn Chương trình thử nghiệm có chức lựa chọn riêng biệt đồng thời nhiều hiệu ứng thể việc sinh ảnh ba chiều Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng 44 Chương trình thử nghiệm có đồng hồ đếm thời gian tính đến miligiây để tính thời gian sinh ảnh sử dụng kỹ thuật Ray tracing, có chức lưu kết sinh ảnh Không gian ảnh mô cần thiết kế hỗ trợ tầm nhìn toàn cảnh, cận cảnh để thấy rõ việc thể hiệu ứng đồ họa Khuyến khích đối tượng mô chương trình thử nghiệm xây dựng giống hình minh họa luận văn, ví dụ hai ấm trà, với mục đích minh họa tốt nội dung nghiên cứu 3.3 Chương trình sinh ảnh RTRendering theo kỹ thuật Ray-tracing Chương trình cài đặt thử nghiệm có tên RTRendering (viết tắt Ray Tracing Rendering) version 1.0 Giao diện chương trình thử nghiệm gồm menu với 03 chức chính: Lưu ảnh, Sinh ảnh chọn Hiệu ứng Thanh trạng thái hiển thị thời gian để sinh tạo ảnh ba chiều sử dụng kỹ thuật Ray tracing Phím tắt F5 để thực thi chương trình Hình 3.1: Giao diện chương trình Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng 45 Menu [Hiệu ứng] cho phép lựa chọn riêng rẽ đồng thời ba hiệu ứng: Tô bóng, Đổ bóng, Phản xạ Hình 3.2: Menu [Hiệu ứng] cho phép lựa chọn hiệu ứng hình ảnh Trong menu [Sinh ảnh] có 02 chức năng: thứ nhất, lựa chọn hai cảnh tương ứng với khung nhìn toàn cảnh khung nhìn cận cảnh; thứ hai, chức bắt đầu sinh ảnh với hiệu ứng cảnh lựa chọn (tương ứng với phím tắt F5) Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng 46 Hình 3.3: Menu [Sinh ảnh] với hai chức năng: Chọn cảnh Bắt đầu Menu [Lưu ảnh] cho phép lưu lại ảnh sau kết xuất Hình 3.4: Menu [Lưu ảnh] Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng 47 Một số kết ảnh ba chiều sinh với hiệu ứng đồ họa sở sử dụng kỹ thuật Ray tracing: Hình 3.5: 03 hiệu ứng đồ họa Hình 3.6: 02 hiệu ứng đồ họa Hình 3.7: 01 hiệu ứng đồ họa Hình 3.8: hiệu ứng đồ họa Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng 48 KẾT LUẬN Kết luận Sau thời gian nghiên cứu hoàn thành luận văn, tác giả nắm bắt khái niệm tổng quát lý thuyết kỹ thuật Ray tracing Với nguyên tắc kỹ thuật Ray tracing sinh tạo hình ảnh 3D việc mô lại đường tia sáng khung cảnh hiệu ứng đồ họa mà tia sáng tạo tiếp xúc vật thể, Đề tài phân tích đầy đủ trường hợp tiếp xúc tia sáng với dạng bề mặt vật thể, vấn đề xử lý hiệu ứng đồ họa sinh việc mô ánh sáng sinh tạo hình ảnh 3D Luận văn thực tất nội dung đạt mục tiêu đề đề cương duyệt Các kết đạt bao gồm: - Tìm hiểu khái quát đồ họa 3D, kỹ thuật kết xuất đồ họa 3D - Nghiên cứu giải pháp xử lý tia sáng với dạng bề mặt, xử lý hiệu ứng sinh mô ánh sáng sử dụng kỹ thuật Ray tracing - Cài đặt thử nghiệm chương trình sinh ảnh 3D sử dụng kỹ thuật Ray tracing Tuy nhiên, số vấn đề mà luận văn chưa đề cập đến, số hướng phát triển khác mở rộng như: xử lý điều kiện mô nhiều nguồn sáng, xử lý bề mặt có kết cấu khác nhau, tính toán độ phức tạp hình học kỹ thuật Ray tracing, xử lý song song kỹ thuật Ray tracing Mặc dù tác giả có nhiều nỗ lực nghiên cứu thực đề tài, thời gian trình độ có hạn, chắn luận văn không tránh Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng 49 khỏi nhiều thiếu sót Tác giả hy vọng kỹ thuật Ray tracing việc sinh tạo hình ảnh ba chiều đề tài tiếp tục nhận nhiều quan tâm nghiên cứu phát triển mạnh mẽ thời gian tới./ Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo Tiếng Việt Nguyễn Thế Hùng (2002), Đồ họa máy tính thiết kế - Computer Graphics and Design, Nxb Thống kê Tạ Văn Hùng (2001), Đồ Họa Máy Tính, Nxb Thống kê Lê Tấn Hùng, Huỳnh Quyết Thắng (2004), Đồ hoạ máy tính, tr40-50, Nxb Khoa học Kỹ thuật Trần Giang Sơn (2008), Đồ họa máy tính không gian ba chiều, Nxb Khoa học Kỹ thuật Tiếng Anh Andrew S Glassner (1989), An Introduction to Ray Tracing, Academic Press Brian E Smits, James R Arvo, David H Salesin (1992), “An importancedriven radiosity algorithm”, Computer Graphics Gordon Stoll, William R Mark, Peter Djeu, Rui Wang, Ikrima Elhassan Razor (2006), “An architecture for dynamic multiresolution ray tracing”, Technical Report TR-06-21, University of Texas at Austin Henrik Wann Jensen, Per Christensen (2007), “Part1: Per Christensen”, High Quality Rendering using Ray Tracing and Photon Mapping, pages 12-45 Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng 51 Ingo Wald, Philipp Slusallek, Carsten Benthin, Michael Wagner (2001), Interactive rendering with coherent raytracing, Computer Graphics Forum 10.Ingo Wald, Steven G Parker (2006), Proceedings of the IEEE Symposium on Interactive Ray Tracing 11.Oliver Abert, Markus Geimer, Stefan Müller (2006), “Direct and fast ray tracing of NURBS surfaces”, Proceedings of the IEEE Symposium on Interactive Ray Tracing 2006, pages 161-168 12.Phong Bui Tuong (1975), “Illumination for computer generated pictures”, Communications of the ACM, 18(3):311-317 Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng [...]... và pháp tuyến mà chỉ cần xác định tia sáng có cắt khối hộp hay không Khối hộp kín rất hữu ích cho việc tăng tốc ray tracing trong các cảnh phức tạp Kỹ thuật Ray tracing trong sinh ảnh và ứng dụng 30 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. .. điều này, chúng ta cần sử dụng thêm các mô hình đổ bóng, phản xạ v.v… được phân tích kỹ hơn ở các phần sau Kỹ thuật Ray tracing trong sinh ảnh và ứng dụng 21 Chương 2 KỸ THUẬT RAY TRACING Chương 2 Kỹ thuật Ray tracing 2.1 Tính toán đường đi của ánh sáng Các thuật toán về ray tracing đều hướng tới mục tiêu giải quyết được việc tính toán sự giao nhau của tia sáng và vật thể Trong phần này sẽ nêu tổng... học [9] b.3) Dò tia (ray- tracing) Phương pháp Dò tia (ray tracing) là phiên bản mở rộng và tổng quát hơn của phương pháp Chiếu 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 Chiếu tia, phương pháp Dò thường áp dụng các kỹ thuật Monte Carlo, đây là Kỹ thuật Ray tracing trong sinh ảnh và ứng dụng 16 các kỹ thuật dựa trên cơ sở... phỏng hình ảnh 3D bằng phương pháp thủ công Ray tracing cũng được sử dụng trong thiết kế ống kính cho kính hiển vi, kính thiên văn, máy ảnh Isaac Newton (1642-1727) cũng đã nói đến sự Kỹ thuật Ray tracing trong sinh ảnh và ứng dụng 19 phản xạ và khúc xạ các tia trong 1.704 cuốn sách nổi tiếng Opticks của ông [10] Một trong những minh họa của ông được thể hiện trong hình sau: Hình 1.2: Lăng kính và tia... ray tracing (phương pháp dò tia), hoặc radiosity (phương pháp lộ sáng) Trong thực tế mỗi phương thức đều có các bộ render Kỹ thuật Ray tracing trong sinh ảnh và ứng dụng 10 khác nhau để tạo hình ảnh thực hơn và các bộ đó có thể tạo ra các hình ảnh ở thời gian thực Khác với render thời gian thực, khi cần cho ra kết quả là một khung ảnh với độ chân thực cao, các công nghệ được sử dụng thường là ray tracing. .. theo phương pháp này Thuật toán ray tracing đơn giản nhất được mô tả như sau: for each pixel do Kỹ thuật Ray tracing trong sinh ảnh và ứng dụng 20 compute ray for that pixel for each object in scene do if ray intersects object and intersection is nearest so far then record intersection distance and object color set pixel color to nearest object color (if any) Trong kỹ thuật ray tracing, để nâng cao... đối tượng, trong suốt, mờ đục, ), thêm kết cấu, bump-maps và nhiều đặc điểm khác Kỹ thuật Ray tracing trong sinh ảnh và ứng dụng 9 Bước 2: Cài đặt bố cục khung cảnh (Scene) Cài đặt bố cục khung cảnh nghĩa là sắp xếp các đối tượng ảo, ánh sáng, máy quay camera và toàn bộ các đối tượng khác trên khung cảnh mà người dùng mong muốn Ánh sáng là một đối tượng quan trọng trong khung cảnh Giống như trong thế... bổ sung Kỹ thuật Ray tracing trong sinh ảnh và ứng dụng 18 cho việc thực hiện các phép tính khi triển khai mô hình Chiếu tia (ray- casting) hay Dò tia (ray- tracing) Hiện nay phương pháp tính sự va đập ánh sáng trở thành phương pháp hàng đầu dùng để kết xuất đồ họa 3D trong thời gian thực, và đã được sử dụng trong toàn bộ quá trình xây dựng một số phim hoạt hình 3D nổi tiếng gần đây [6] 1.2.2 Kỹ thuật. .. được ứng dụng khá nhiều trong việc kết xuất đồ họa, nhất là việc mô phỏng các hệ thống nguyên tử b) Mặt cầu Một mặt cầu được xác định bởi tâm và bán kính Để tìm giao điểm giữa tia sáng và mặt cầu ta thay phương trình của tia trình biểu diễn mặt cầu : Kỹ thuật Ray tracing trong sinh ảnh và ứng dụng vào phương 26 Đây là một phương trình bậc 2 với biến Hai nghiệm tìm được là: và trong đó trị , , , và. .. Y và Z tương ứng với các chiều của không gian, tuân theo quy ước: X: Chiều rộng Y: Chiều cao Z: Độ sâu Kỹ thuật Ray tracing trong sinh ảnh và ứng dụng 7 Theo đồ thị trên, các điểm X nằm ở trái và phải, các điểm thuộc trục Y nằm hướng trên hoặc dưới, và các điểm thuộc trục Z dùng để biểu thị độ sâu theo hướng chéo Các ứng dụng 3D sử dụng các trục này để chuyển đổi, quay và phân chia các đối tượng trong ... Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng ứng dụng kỹ thuật Ray tracing xử lý hiệu ứng mô hình ảnh ba chiều đổ bóng, phản xạ, khúc xạ ánh sáng… Chương III.Chương trình ứng dụng Chương nêu toán ứng. .. thiện điều này, cần sử dụng thêm mô hình đổ bóng, phản xạ v.v… phân tích kỹ phần sau Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng 21 Chương KỸ THUẬT RAY TRACING Chương Kỹ thuật Ray tracing 2.1 Tính toán... sử dụng kỹ thuật Ray tracing Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng Chương KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA MÁY TÍNH BA CHIỀU VÀ KỸ THUẬT KẾT XUẤT ĐỒ HỌA Chương Khái quát đồ họa máy tính ba chiều kỹ thuật kết