Kỹ thuật Ray tracing trong sinh ảnh và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Nguyễn Anh Dũng KỸ THUẬT RAY TRACING 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 Nguyễn Anh Dũng 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 Thái Nguyên, ngày 09 tháng 10 năm 2010 Người cam đoan Nguyễn Anh Dũng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 22 2.1 Tính toán đường ánh sáng 22 2.1.1 Tia sáng Tam giác 22 2.1.2 Tia sáng Tứ giác 24 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 29 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 Chƣơng 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 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 ... 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. .. sử dụng kỹ thuật Ray tracing Kỹ thuật Ray tracing sinh ảnh ứng dụng Chƣơng 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... 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