Illumination Shading
ĐỒ HỌA MÁY TÍNHDương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 1/14CCCCCCCCHHHHHHHHIIIIIIIIEEEEEEEẾÁÁÁÁÁÁÁUUUUUUUUSSSSSSSSAAAAAAAÁÙÙÙÙÙÙÙNNNNNNNNGGGGGGGGVVVVVVVVAAAAAAAÀØØØØØØØTTTTTTTTAAAAAAAẠÏÏÏÏÏÏÏOOOOOOOOBBBBBBBBOOOOOOOÓÙÙÙÙÙÙÙNNNNNNNNGGGGGGGGIIIIIIIILLLLLLLLLLLLLLLLUUUUUUUUMMMMMMMMIIIIIIIINNNNNNNNAAAAAAAATTTTTTTTIIIIIIIIOOOOOOOONNNNNNNNAAAAAAAANNNNNNNNDDDDDDDDSSSSSSSSHHHHHHHHAAAAAAAADDDDDDDDIIIIIIIINNNNNNNNGGGGGGGGLLiigghhttssoouurrcceeIIlllluummiinnaattiioonnSShhaaddiinngg ĐỒ HỌA MÁY TÍNHDương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 2/14TThhuuaậättnnggưữõdduùønnggttrroonnggCCoommppuutteerrggrraapphhiiccss• Illumination: sự chuyển tải dòngánh sáng từ nguồn sáng đến cácđiểm trong không gian một cáchtrực tiếp hay gián tiếp.• Lighting: qui trình tính toán độsáng phản xạ từ một đối tượng3D.• Shading: qui trình gán một giá trò màu cho 1 pixel.LLiigghhttssoouurrccee((LLSS))• Các thuộc tính của nguồn sáng:♦Phổ phát sáng (màu sắc)♦Thuộc tính hình học (vò trí,hướng)♦Độ suy giảm đònh hướng• Nhìn thấy một vật thể = nhìn thấy ánh sáng đến từ cácbề mặt của vật thể.• Ánh sáng này xuất phát từ các nguồn sáng khác nhauxung quanh vật thể. Nếu vật thể là trong suốt (khôngphản xạ) ta chỉ có thể thấy ánh sáng xuất phát từ cácnguồn sáng nằm ngay sau vật thể.• Có 2 loại nguồn sáng cơ bản:♦Các nguồn tự phát sáng (mặt trời, các bóng đèn, )♦Các nguồn sáng phản chiếu (các vật thể được chiếu sángbởi các nguồn tự phát sáng như bức tường, gương, .). ĐỒ HỌA MÁY TÍNHDương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 3/14• Khi kích thước của nguồn sáng nhỏ so với kích thước củavật thể được chiếu sáng ta gọi nó là nguồn sáng điểm.• Các nguồn sáng không thuộc loại này được gọi là cácnguồn sáng phân bố (ví dụ ngọn đèn nêon nằm ở gầnvật thể).• Chúng ta sẽ chủ yếu xét bài toán tạo bóng với các nguồnsáng điểm.IIlllluummiinnaattiioonn• Mục đích:♦Mô hình trong máy tính để mô phỏng …Sự phát sáng tại các nguồn sángSự tán xạ tại các bề mặtSự thu nhận tại camera (eye)♦Các điều mong đợi từ những mô hình này …Đúng đắn, chính xácNgắn gọn, súc tíchHiệu quả trong tính toán ĐỒ HỌA MÁY TÍNHDương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 4/14• Illumination gồm hai thành phần:♦Các nguồn sáng♦Đặc tính của các mặt trong cảnhPhổ phản chiếu (màu)Thuộc tính hình học (vò trí, hướng, cấu trúc vi mô)Độ hấp thu• Một số giới hạn qui đònh bởi hầu hết các hệ đồ hoạ:♦Chỉ có direct illumination từ nguồn tự phát sáng đến cácnguồn sáng phản chiếu.♦Bỏ qua thuộc tính hình học của các nguồn tự phát sáng.Chỉ quan tâm đến thuộc tính hình học của các nguồnsáng phản chiếu.Khi chưa qua Illumination Khi đã áp dụng Illumination ĐỒ HỌA MÁY TÍNHDương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 5/14NNgguuoồànnssaáùnnggxxuunnggqquuaannhh((AAmmbbiieennttLLSS))• Ngay khi các đối tượng không được chiếu sáng trực tiếp,ta vẫn có thể nhìn thấy chúng. Nguyên nhân là đốitượng vẫn được chiếu sáng bởi ảnh sáng phản xạ từ cácđối tượng gần nó theo khắp mọi hướng. Phương phápthường dùng để mô hình loại ánh sáng này là dùng mộtnguồn sáng xung quanh.• Nguồn sáng xung quanh không có thuộc tính không giancũng như hướng. Lượng ánh sáng xung quanh đến vớimọi vật là như nhau. Ánh sáng xung quanh này có thểcó màu sắc xác đònh.• Lượng ánh sáng xung quanh được phản xạ bởi một đốitượng độc lập với vò trí và hướng của nó trong khônggian. Thuộc tính của các bề mặt thường được dùng đểxác đònh lượng ánh sáng xung quanh được phản xạ này.NNgguuoồànnssaáùnnggđđòònnhhhhưươớùnngg((DDiirreeccttiioonnaallLLSS))• Tất cả các tia sáng từ nguồn sáng đònh hướng đều ssongnhau và không có tâm phát sáng (origin). Điều này cónghóa nguồn sáng đặt ở vô cực (Mặt trời là một ví dụ). ĐỒ HỌA MÁY TÍNHDương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 6/14• Hướng từ một bề mặt đến nguồn sáng là thông tin quantrọng để tính ánh sáng phản chiếu từ mặt. Với mộtnguồn sáng đònh hướng, hướng này là cố đònh cho mọiđối tượng.• Mỗi nguồn sáng thuộc loại này có màu xác đònh.NNgguuoồànnssaáùnnggđđiieểåmm((PPooiinnttLLSS))• Các tia sáng từ nguồn sáng điểm toả ra khắp nơi. Nhiềunguồn sáng có thể xấp xỉ tốt bằng loại nguồn sáng này.Bóng đèn tròn là một ví dụ.• Hướng của các tia sáng sẽ thay đổi với các điểm khácnhau trên bề mặt. Như vậy, ta phải tính vector chỉphương cho mỗi điểm:lplpdHHHHH−−=• Trong đó kc, kl, kqlà các hệ số suy giảm theo khoảngcách d. ĐỒ HỌA MÁY TÍNHDương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 7/14CCaáùccnngguuoồànnssaáùnnggkkhhaáùcc• Spotlight (đèn pha):♦là một nguồn sáng điểm nhưng ánh sáng tập trung theomột hướng duy nhất (đền màu trong sân khấu).♦xác đònh bởi màu sắc, vò trí nguồn sáng, hướng và cáctham số khác đònh nghóa mức độ phủ sáng• Nguồn sáng vùng (Area LS)♦Nguồn sáng vùng có dạng một vùng 2 chiều (thường làpolygon hay disk).♦Tạo ra các bóng dòu (soft shadow) ĐỒ HỌA MÁY TÍNHDương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 8/14SSưựïpphhaảûnnxxaạïkkhhuuyyeếácchhttaáùnn((ddiiffuusseerreefflleeccttiioonn))• Giả sử bề mặt của vật thể hoàn toàn bằng phẳng. Ánhsáng khuyếch tán từ bề mặt này theo mọi hướng sẽ nhưnhau.LLuuaậättLLaammbbeerrtt''ssCCoossiinnee• Sự phản xạ khuyếch tán tuân theo luật Lambert'sCosine.• Luật Lambert's Cosine: năng lượng phản xạ khuyếch tántỉ lệ thuận với cos của góc tạo bởi tia sáng tới và normalcủa bề mặt.• Cường độ sáng có thể được tính theo công thức:trong đó,lightIlà cường độ sáng của ánh sáng tới, kdlàhệ số phản xạ (0 ≤ kd≤ 1). ĐỒ HỌA MÁY TÍNHDương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 9/14VVíídduụïvveềàddiiffuusseerreefflleeccttiioonn• Ta chỉ cần xem xét các tia sáng có góc tới trong khoảngtừ 00đến 900vì khi góc lớn hơn 900, năng lượng sẽ bằng0 do vật thể cản trở. Sau đây là một số hình ảnh chiếusáng mặt cầu với các tia sáng khác nhau:SSưựïpphhaảûnnxxaạïggưươơnngg((ssppeeccuullaarrrreefflleeccttiioonn))• Giả sử bề mặt của vật thể hoàn toàn bằng phẳng. Ánhsáng khuyếch tán từ bề mặt này theo mọi hướng sẽ nhưnhau.LLuuaậättSSnneellll''ss• Sự phản xạ gương hoạt động tuân theo luật Snell. Luậtnày được phát biểu như sau:♦Tia tới, tia phản xạ và normal của mặt nằm trong cùngmột mặt phẳng.♦Góc tới bằng góc phản xạ. ĐỒ HỌA MÁY TÍNHDương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 10/14• Tuy nhiên, luật Snell chỉ đúng với phép phản xạ gươnglý tưởng, nghóa là bề mặt phải trơn, phẳng tuyệt đối.Trong thực tế, sẽ có một chùm tia phản xạ tiệm cận haibên tia phản xạ lý tưởng (xem hình trên).• Nói chung, ta có thể giả thiết phần lớn năng lượng tậptrung vào tia phản xạ lý tưởng. Càng xa tia này, lượngánh sáng phản xạ càng ít.PPhhoonnggIIlllluummiinnaattiioonn• Một hàm thông dụng dùng để xác đònh lượng ánh sángtrên được gọi là Phong Illumination model:()shinynlightspecularIIφcos=• Ta thấy, cos(φ) cực đại khiφ= 0 và triệt tiêu khiφ= 900.nshinylà hệ số trơn của bề mặt. [...]... xạ. ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 4/14 • Illumination gồm hai thành phần: ♦ Các nguồn sáng ♦ Đặc tính của các mặt trong cảnh Phổ phản chiếu (màu) Thuộc tính hình học (vị trí, hướng, cấu trúc vi mô) Độ hấp thu • Một số giới hạn qui định bởi hầu hết các hệ đồ hoạ: ♦ Chỉ có direct illumination từ nguồn tự phát sáng đến các nguồn sáng phản chiếu. ♦ Bỏ qua thuộc... nguồn tự phát sáng đến các nguồn sáng phản chiếu. ♦ Bỏ qua thuộc tính hình học của các nguồn tự phát sáng. Chỉ quan tâm đến thuộc tính hình học của các nguồn sáng phản chiếu. Khi chưa qua Illumination Khi đã áp dụng Illumination ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 10/14 • Tuy nhiên, luật Snell chỉ đúng với phép phản xạ gương lý tưởng, nghóa là bề mặt phải trơn, phẳng tuyệt... tưởng. Càng xa tia này, lượng ánh sáng phản xạ càng ít. P P h h o o n n g g I I l l l l u u m m i i n n a a t t i i o o n n • Một hàm thông dụng dùng để xác định lượng ánh sáng trên được gọi là Phong Illumination model: () shiny n lightspecular II φ cos= • Ta thấy, cos( φ ) cực đại khi φ = 0 và triệt tiêu khi φ = 90 0 . n shiny là hệ số trơn của bề mặt. ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu . thuộc tính hình học của các nguồnsáng phản chiếu.Khi chưa qua Illumination Khi đã áp dụng Illumination ĐỒ HỌA MÁY TÍNHDương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng. 11/14SShhaaddiinngg• Làm thế nào sử dụng Illumination để tạo ra một ảnh ?FFllaattSShhaaddiinngg• Ứng với mỗi polygon, tính một Illumination Phương pháp này rất