Kỹ thuật PHOTON MAPPING trong sinh ảnh và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Vũ Phú Cƣờng KỸ THUẬT PHOTON MAPPING TRONG SINH ẢNH VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Vũ Phú Cƣờng KỸ THUẬT PHOTON MAPPING TRONG SINH ẢNH VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 604801 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Thị Hồng Minh Thái Nguyên - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn nội dung luận văn tự sƣu tầm, tra cứu xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu đề tài Nội dung luận văn chƣa đƣợc công bố hay xuất dƣới hình thức không đƣợc chép từ công trình nghiên cứu Phần mã nguồn chƣơng trình sử dụng số thƣ viện chuẩn thuật toán demo đƣợc tác giả xuất công khai miễn phí mạng Internet Nếu sai xin xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2010 Ngƣời cam đoan Vũ Phú Cƣờng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trong trình luận văn tốt nghiệp em gặp nhiều vấn đề phức tạp, khó xử lý đề tài mà em nghiên cứu Nhƣng đƣợc giúp đỡ tận tình thầy, cô bạn luận văn em hoàn thành thời hạn đạt đƣợc kết tốt Lời em xin đƣợc trân thành cảm ơn giúp đỡ quí báu, hƣớng dẫn nhiệt tình bảo tận tụy cô TS Nguyễn Thị Hồng Minh – Trƣờng ĐH QG Hà Nội Các thầy cô giáo công tác Khoa công nghệ thông tin – ĐHTN, tập thể bạn học viên lớp cao học Khóa giúp đỡ nhiệt tình chia sẻ với em kinh nghiệm học tập, nghiên cứu suốt khoá học Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2010 Học viên Vũ Phú Cƣờng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC HÌNH PHẦN MỞ ĐẦU Chƣơng KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ SINH ẢNH 1.1 Khái quát thực ảo 1.1.1 Thực ảo gì? 1.1.2 Lịch sử đời phát triển thực ảo 1.1.3 Các thành phần thực ảo: 10 1.1.3 Ứng dụng thực ảo 12 1.2 Sinh ảnh thực ảo 17 1.2.1 Sinh ảnh thực ảo 17 1.2.2 Photon mapping sinh ảnh 19 Chƣơng 21 MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG SINH ẢNH BỞI PHOTON MAPPING 21 2.1 Thuật toán Photon mapping 21 2.1.1 Photon Tracing 23 2.1.2 Tối ƣu hóa đồ photon 26 2.3.3 Cây KD cân (The balanced KD Tree) 27 2.2 Cấu trúc liệu 30 2.2.1 Photon bóng 30 2.2.2 Toàn cảnh tụ quang photon 31 2.2.3 Cấu trúc liệu không gian 31 2.3 Tính toán xạ từ đồ Photon 32 2.3.1 Ƣớc tính xạ bề mặt 32 2.3.2 Lọc (Filtering) 37 2.4 Sinh ảnh (Rendering) 39 2.4.1 Cơ sở khoa học 39 2.4.2 Phƣơng trình sinh ảnh (Equation Rendering) 39 2.4.3 Chiếu sáng trực tiếp 42 2.4.4 Phản chiếu độ bóng phản xạ 44 2.4.5 Tính tụ quang (Caustics) 45 2.4.6 Phản xạ đa khuếch tán (Multiple diffuse reflections) 46 2.5.5 Lấy mẫu lọc 47 2.4.8 Tối ƣu hóa 48 Chƣơng 49 CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 49 3.1 Bài toán 49 3.2 Công cụ thiết kế chức số hàm chƣơng trình 49 3.2.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình mã nguồn mở Processing 49 3.2.2 Chức số hàm chƣơng trình 50 3.3 Thực nghiệm chƣơng trình đánh giá kết 51 3.3.1 Thực nghiệm chƣơng trình 51 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.3.2 Kết thực 52 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Mô cánh tay Hình 1.2 Mô cấu trúc não Hình 1.3 Mô kiến trúc công trình 10 Hình 2.1 Bản đồ chiếu sáng 17 Hình 2.2: Xây dựng đồ photon tụ quang (a) đồ photon toàn cảnh (b) 21 Hình 2.3: Phân chia không gian sử dụng KD 23 Hình 2.4: Đơn giản hóa 2D KD cho phân chia không gian hình 2.5 23 Hình 2.5: Tính xạ phản xạ (Jensen, 2001) 29 Hình 2.6: Sử dụng hình cầu (trái) hình đĩa (bên phải) xác định vị trí photon 30 Hình 2.7: Truy tìm tia qua điểm ảnh 35 Hình 2.8: Đánh giá xác chiếu sáng trực tiếp 38 Hình 2.9: Sinh ảnh phản chiếu bóng phản xạ 39 Hình 2.10: Sinh ảnh tụ quang 41 Hình 2.11: Tính toán gián tiếp khuếch tán ánh sáng với tầm quan trọng lấy mẫu 42 Hình 3.1: Số lƣợng photon phát 1000 48 Hình 3.2: Photon phát 1500, nguồn sáng bên (a), bên phải (b) 48 Hình 3.3: Sử dụng ánh sáng trực tiếp (a), sinh ảnh Photon mapping (b) 49 Hình 3.4: Sinh ảnh với nguồn sáng 49 Hình 3.5: Sinh ảnh với môi trƣờng tham gia 50 Hình 3.6: Vòng kim loại tụ quang 50 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn PHẦN MỞ ĐẦU Sự đời đồ họa máy tính thực cách mạng giao tiếp ngƣời dùng máy tính Với lƣợng thông tin trực quan, đa dạng phong phú đƣợc chuyển tải qua hình ảnh, ứng dụng đồ họa máy tính lôi nhiều ngƣời nhờ tính thân thiện, dễ dùng, kích thích khả sáng tạo tăng đáng kể hiệu suất làm việc Đồ họa máy tính ngày đƣợc ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khoa học, kĩ thuật, nghệ thuật, kinh doanh, quản lí, ứng dụng đồ họa đa dạng, phong phú phát triển liên tục không ngừng Ngày nay, hầu nhƣ chƣơng trình ứng dụng mà không sử dụng kĩ thuật đồ họa để làm tăng tính hấp dẫn Trong đồ họa máy tính, Photon mapping thuật toán chiếu sáng toàn cảnh phát triển Henrik Wann Jensen Nó đƣợc sử dụng vào thực tế mô tƣơng tác ánh sáng với đối tƣợng khác Đặc biệt, có khả mô khúc xạ ánh sáng qua chất suốt nhƣ thủy tinh nƣớc, phản xạ khuếch tán đối tƣợng đƣợc chiếu sáng, tán xạ ngầm ánh sáng vật liệu mờ, số tác dụng gây hạt vật chất nhƣ khói nƣớc Nó đƣợc mở rộng để mô xác ánh sáng nhƣ sinh ảnh quang phổ Trong tự nhiên, tia sáng đƣợc tạo nguồn sáng chiếu đến bề mặt làm ngắt quãng trình Có thể tƣởng tƣợng tia sáng nhƣ dòng photon Trong chân không hoàn hảo, tia sáng thẳng Trong thực hỗn hợp hiệu ứng khúc xạ, phản xạ, tán xạ Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật Photon mapping, trợ giúp cho việc nâng cao chất lƣợng ảnh sinh hình ảnh trung gian tƣơng lai hệ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn thống biến đổi Phục vụ cho hoạt cảnh ứng dụng chuyển động tƣơng tác xử lý ảnh thực ảo, ƣớc lƣợng đƣợc điểm bề mặt hiệu dụng, lƣu trữ đƣợc thông tin sử dụng lại ánh sáng, giảm tải số lƣợng tính toán Và tất tia sáng tạo sau trình đƣợc mô tả lại để tạo nên hình ảnh sống động nhƣ thật Bố cục luận văn bao gồm: Phần mở đầu, ba chƣơng chính, phần kết luận, tài liệu tham khảo Cụ thể nhƣ sau Chƣơng Giới thiệu khái quát thực ảo sinh ảnh, ứng dụng thực ảo Phƣơng pháp sinh ảnh thực ảo tổng quan phƣơng pháp photon mapping sinh ảnh Chƣơng Trình bày thuật toán photon sinh ảnh, cấu trúc liệu cần thiết cho đồ photon, chƣơng có trình bày cụ thể tính toán xạ từ đồ photon, trình xây dựng phƣơng trình sinh ảnh việc tối ƣu hóa đồ photon Chƣơng Mô tả toán sinh ảnh, giới thiệu công cụ hỗ trợ chƣơng trình sinh ảnh, ý chức hàm chƣơng trình Thực nghiệm chƣơng trình đƣa kết đánh giá kết thu đƣợc Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chƣơng KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ SINH ẢNH Công nghệ thông tin xuất lĩnh vực xã hội Tuy nhiên phần lớn mô hình đƣợc xây dựng máy tính hai chiều ngƣời tƣơng tác với đối tƣợng mô hình nhƣ giới thực, chƣơng trình nghiên cứu khắc phục nhƣợc điểm dẫn đến việc xuất lĩnh vực Công nghệ thông tin thực ảo 1.1 Khái quát thực ảo 1.1.1 Thực ảo gì? Thực ảo mô môi trƣờng không gian ba chiều máy tính, môi trƣờng mô ngƣời quan sát thực thao tác mà mong muốn Với tất có môi trƣờng mô thông qua thiết bị đầu vào, kết trả lại thay đổi môi trƣờng mà ngƣời quan sát hay cảm nhận đƣợc thông qua thiết bị đầu Theo nhƣ định nghĩa nhận thành phần thực ảo là: môi trƣờng không gian ba chiều, mô hình tạo máy tính, tƣơng tác, thiết bị vào, Thực ảo giới thực song lại ảo, phần giới thực đƣợc tái tạo máy tính, thông qua thiết bị đầu vào ngƣời chìm đắm môi trƣờng không gian ba chiều cho phép ngƣời có khả quan sát, tƣơng tác với môi trƣờng ảo Những tƣơng tác đƣợc chƣơng trình xử lý thông qua thiết bị đầu đem Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... thực ảo sinh ảnh, ứng dụng thực ảo Phƣơng pháp sinh ảnh thực ảo tổng quan phƣơng pháp photon mapping sinh ảnh Chƣơng Trình bày thuật toán photon sinh ảnh, cấu trúc liệu cần thiết cho đồ photon, ... 12 1.2 Sinh ảnh thực ảo 17 1.2.1 Sinh ảnh thực ảo 17 1.2.2 Photon mapping sinh ảnh 19 Chƣơng 21 MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG SINH ẢNH BỞI PHOTON MAPPING. .. dòng photon Trong chân không hoàn hảo, tia sáng thẳng Trong thực hỗn hợp hiệu ứng khúc xạ, phản xạ, tán xạ Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật Photon mapping, trợ giúp cho việc nâng cao chất lƣợng ảnh sinh