Nghiên cứu hiệu ứng bóng đổ từ hai nguồn sáng trong biểu diễn vật thể 3d

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN THỊ HỒNG HẠNH NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG BÓNG ĐỔ TỪ HAI NGUỒN SÁNG TRONG BIỂU DIỄN VẬT THỂ 3D LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Ngun 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN THỊ HỒNG HẠNH NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG BÓNG ĐỔ TỪ HAI NGUỒN SÁNG TRONG BIỂU DIỄN VẬT THỂ 3D Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 8480101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: TS VŨ ĐỨC THÁI Thái Nguyên 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Thị Hồng Hạnh Sinh ngày: 09/08/1984 Học viên lớp cao học CHK16A - Trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông - Đại học Thái Nguyên Xin cam đoan: Đề tài “ Nghiên cứu hiệu ứng bóng đổ từ hai nguồn sáng biểu diễn vật thể 3D”do TS Vũ Đức Thái hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu làm việc nghiêm túc, động viên, giúp đỡ hướng dẫn tận tình Thầy giáo hướng dẫn TS Vũ Đức Thái, luận văn với Đề tài “ Nghiên cứu hiệu ứng bóng đổ từ hai nguồn sáng biểu diễn vật thể 3D” Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn TS Vũ Đức Thái tận tình dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Ban Giám hiệu, khoa Cơng nghệ thơng tin, phòng Đào tạoTrường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thông giúp đỡ tơi q trình học tập thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp gia đình động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tơi suốt q trình học tập, thực hồn thành luận văn Thái Nguyên, ngày 30 tháng 07 năm 2019 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Hồng Hạnh Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN .4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MƠ PHỎNG VÀ BÀI TỐN HIỂN THỊ MƠ HÌNH 3D .4 1.1 Tổng quan Thực ảo 1.1.1 Thực ảo 1.1.2 Các sản phẩm Thực ảo .5 1.2 Mơi trường ngơn ngữ lập trình 1.2.1 Công cụ, phần mềm sử dụng 1.2.2 Bài toán mô thực ảo 10 1.2.3 Ứng dụng thực ảo trưng bày ảo 12 1.3 Kết luận 14 CHƯƠNG MỘT SỐ KỸ THUẬT HIỂN THỊ MƠ HÌNH 3D .16 2.1 Ánh sáng 16 2.2 Một số đơn vị đo lường ánh sáng 18 2.3 Hàm phân phối phản xạ hai chiều (BRDF) 22 2.4 Nguồn sáng phân loại nguồn sáng 25 2.5 Phương trình chiếu sáng 27 2.6 Thuật toán Occlusion – Culling 28 2.7 Thuật toán Bump Mapping 33 2.8 Kỹ thuật biểu diễn bóng đổ 45 2.9 Phát triển toán ứng dụng .51 Chương MÔ PHỎNG HIỆU ỨNG BÓNG ĐỔ TỪ HAI NGUỒN SÁNG TRONG BIỂU DIỄN VẬT THỂ 3D 53 3.1 Bài tốn mơ vật bảo tàng 53 3.1.1 Yêu cầu với thực nghiệm 54 3.1.2 Xây dựng sở liệu mô 55 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 3.2 Phân tích, lựa chọn cơng cụ 55 3.3 Một số kết thực nghiệm tối ưu mơ hình .56 3.4 Kết luận .61 KẾT LUẬN .62 TÀI LIỆU THAM KHẢO .63 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gần thực ảo lĩnh vực quan tâm phát triển, ngày chứng tỏ vai trò phát triển cơng nghệ thơng tin nói riêng lĩnh vực đời sống, xã hội nói chung Hiện thực ảo ứng dụng phổ biến nhiễu lĩnh vực khác Quân sự, giáo dục, kỹ thuật - xây dựng, giải trí, vv… Trong ứng dụng đồ họa ba chiều thời gian thực nói chung ứng dụng trưng bày ảo nói riêng tạo hình ảnh chân thật Ánh sáng yếu tố quan trọng có ảnh hưởng nhiều đến việc biểu diễn bề mặt đối tượng, yếu tố mà ứng dụng ba chiều bỏ qua Việc tính tốn ảnh hưởng ánh sáng lên biểu diễn bề mặt đối tượng thể thơng qua hai hiệu ứng hiệu ứng bóng bề mặt (Shading) hiệu ứng bóng đổ (Shadow) Bóng đổ phần giới thực, đơi với ánh sáng bóng, chúng ln xuất khơng thể tách rời tính tốn hiệu ứng bóng cơng việc khơng thể thiếu hệ thống thực ảo trưng bày ảo Vì em lựa chọn luận văn với đề tài “Nghiên cứu hiệu ứng bóng đổ từ hai nguồn sáng biểu diễn vật thể 3D” cụ thể mô tả lại số vật bảo tàng, qua khách tham quan đến bảo tàng, xem hiểu biết thông tin vật, v.v… Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu kỹ thuật chiếu sáng, kỹ thuật biểu diễn biến đổi đối tượng tác động ánh sáng điều kiện môi trường lĩnh vực thực ảo đồ họa ba chiều Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Phạm vi nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng, hiển thị liệu 3D thực ảo Nghiên cứu kỹ thuật tính tốn đồ chiếu sáng ứng dụng kết Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn hợp đồ chiếu sáng cho ứng dụng trưng bày ảo Và nghiên cứu tập trung vào vấn đề xác định mơ bóng vật thể chiếu từ hai nguồn sáng, nguồn sáng di chuyển, thay đổi theo phương khác nhau, cường độ khác nhau; vật thể có kết cấu chiếm chỗ khơng gian khác nhau… Mục tiêu nghiên cứu đề tài Nghiên cứu lý thuyết, thu thập, phân tích tài liệu có liên quan đề tài Mơ ảnh hưởng nguồn sáng vào biểu diễn bề mặt đối tượng ba chiều Mục tiêu cụ thể nghiên cứu kỹ thuật chiếu sáng hiệu ứng bóng bề mặt vật thể trưng bày không gian ba chiều Lựa chọn vật thể khơng gian thích hợp để phân tích hình ảnh thực tiễn làm sở đối chứng cho kết cài đặt Vận dụng thuật tốn cài đặt chương trình mơ thể hiệu ứng tạo bóng số vật thể tác động hai nguồn sáng Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu đề tài luận văn sử dụng kết hợp nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể: a Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập tài liệu, đọc hiểu kiến thức Đồ họa máy tính, Thực ảo; Nghiên cứu số kỹ thuật mô phỏng, hiển thị liệu 3D hiệu ứng bóng đổ từ hai nguồn sáng b Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu xây dựng sở liệu ảnh 3D hiệu ứng bóng đổ từ hai nguồn sáng Nghiên cứu, đánh giá lựa chọn phương pháp, giải pháp công nghệ cài đặt thử nghiệm với số mẫu liệu Ý nghĩa khoa học đề tài ta sử dụng trực tiếp đồ chiếu sáng để tính ánh sáng cho điểm Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn không gian Các vật ảo đặt vào vị trí cho trước khơng gian trưng bày, vị trí ta thay đổi vật để tạo sinh động cho không gian, vật chiếu sáng để làm bật khơng gian sử dụng kỹ thuật chiếu sáng cục để chiếu sáng cho vật 3.1.1 Yêu cầu với thực nghiệm Với mục tiêu chiếu sáng mô hình 3D bóng đổ đồ vật khung cảnh, chương trình thực nghiệm phải đảm bảo tính nguồn sáng với cường độ, loại nguồn sáng, mầu sắc nguồn sáng Để tối chiếu sáng mơ hình, cơng việc phải đọc hiển thị mơ hình Q trình đọc hiển thị giúp người vận hành phần mềm thao tác nhìn thấy kết phần mềm ứng dụng Tiếp đó, chương trình thực nghiệm cần xây dựng thành phần giúp hiển thị tương tác 3D với mơ hình (các tính xoay mơ hình, xoay ánh sáng, màu sắc ánh sáng,vv…) Để đảm bảo tính khách quan chương trình thực nghiệm cần cho phép người vận hành chọn lựa nhiều mơ hình khác thực nghiệm Đặc biệt, phần quan trọng thiếu xây dựng chương trình phần hiển thị bóng đổ, bóng đổ phần giới thực, đơi với ánh sáng bóng, chúng ln xuất nhaukhơng thể tách rời,độ bóng mơ hình, với lần thiết lập người vận hành lựa chọn tham số từ sinh kết khác màu sắc ánh sáng, hướng chiếu sáng bóng đổ mơ hình Các thành phần khơng thể thiếu phần mềm hệ thống giao diện tính khác kem theo chương trình sau biên dịch, lựa chọn chạy hệ điều hành v.v… Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 3.1.2 Xây dựng sở liệu mơ Chương trình tiến hành xây dựng vật thể gồm: Cái chảo, cô gái, khung dệt vải, cối giã gạo,…Các mơ hình để thử nghiệm mơ hình dạng 3D, vật có Bảo tàng Các Dân Tộc Việt Nam dựng lại phần mềm 3Ds Max Sau xây dựng 3D xong, tiến hành xuất mơ hình sang Fbx để tiến hành lập trình tương tác Hình ảnh cối giã gạo 3.2 Phân tích, lựa chọn công cụ Dựa nghiên cứu kỹ thuật chiếu sáng mơ hình đổ bóng Mỗi cập nhật hướng sáng, màu sáng hay đèn chiếu sinh hướng bóng đổ độ bóng mơ hình khác Đầu vào chương trình mơ mơ hình 3D có kích thước bề mặt mơ hình khác Khi thay đổi thơng số đầu vào tính độ bóng bề mặt chúng, bóng đổ chúng sinh Các kết sinh cho giống với thực tế Tùy vào mơ hình khác mà việc tính tốn chiếu sáng bề mặt mơ hình, bóng đổ thay đổi chương trình Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Một vấn đề quan trọng xây dựng chương trình tối ưu hóa bề mặt lưới tảng đồ họa ngơn ngữ lập trình đồ họa Trong nội dung luận văn sử dụng ngơn ngữ lập trình Visual C# tảng lập trình đồhọa thuộc thư viện Unity Đây sản phẩm Engine Game cung cấp cho người dùng số phương thức đồ họa bản: tải thiết kế 2D, 3D vào hệ thống, vẽ ảnh 2D 3D, phương thức lập trình, tương tác với card đồ họa v.v Để xây dựng chương trình tối ưu hóa với cơng cụ mơ tả người lập trình phải thực công việc: xây dựng lớp quản lý đối tượng 3D chương trình, xây dựng hàm tính số lượng lưới tam giác đối tượng, lập trình tình tốn bóng bề mặt bóng đổ dựa mơ hình sẵn có Với lựa chọn môi trường chuyên dụng Unity tạo điều kiện để người lập trình hiểu sâu hệ thống tương tác với card đồ họa 3.3 Một số kết thực nghiệm tối ưu mơ hình Như trình bày, chương trình cài đặt với ngơn ngữ lập trình Visual C# cơng cụ hỗ trợ enginer Unity 3D, mơ hình đầu vào định dạng với phần mở rộng *.fbx Bước 1: Chạy chương trình Chọn biểu tượng chương trình để bắt đầu với tên “Bong.exe” Hình 3.1: Biểu tượng chương trình Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Bước 2: Giao diện khởi động chương trình Giao diện ban đầu vào chương trình Hình 3.2: Giao diện mở đầu Trong giao diện mở đầu chứa số hình ảnh giới thiệu định nghĩa bóng Có tab tab “Trang Chủ” giới thiệu tổng quan chương trình chức chương trình Tab “Mơ Phỏng’ thực nghiệm chương trình Bước 3: Chọn tab “Mơ Phỏng” Giao diện để truy cập vào phần mơ phỏng: Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.3: Giao diện thay đổi khung cảnh Chọn phần “MÔ PHỎNG” menu bấm nút “BẮT ĐẦU” để chuyển vào phần thay đổi khung cảnh Bấm nút Bắt đầu hình ảnh bóng để chuyển đổi khung cảnh Bước 4: Chọn khung cảnh Bóng Hình 3.4: Mơ bóng Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Các phần chức năng: - Xoay: Chọn vào đối tượng sau tích vào phần xoay phải trái - Tốc độ xoay: Điều chỉnh tốc độ xoay đối tượng - Xoay ánh sáng: Xoay góc nguồn sáng chiếu tới - Phòng bên trái: Xoay riêng ánh sáng phòng bên trái chọn xoay ánh sáng - Phòng bên phải: Xoay riêng ánh sáng phòng bên phải chọn xoay ánh sáng - Chỉnh cường độ ánh sáng: Thay đổi cường độ nguồn sáng chiếu tới - Chỉnh màu sắc ánh sáng: Màu nguồn sáng Để menu để xem đối tượng bấm phím Q W: Hình 3.5: Menu đối tượng Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Để chọn ta chọn vào hình ảnh đối tượng riêng biệt để hiển thị Hình 3.6: Hiển thị riêng đối tượng Để tắt thị riêng phần menu đối tượng có dấu “X” chọn vào nút để trở toàn vật Để quay trở lại bấm phím “Esc” Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Bước 5: Hình ảnhtất vật phòng: Hình 3.7: Hình ảnh tất vật phòng 3.4 Kết luận Trong chương trình thực nghiệm mơ vật dùng kỹ thuật chiếu sáng tồn cục chiếu nên vật ứng dụng cơng việc trình chiếu bảo tàng Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn KẾT LUẬN Kết đạt Luận văn thực nghiên cứu toán biểu diễn mơ hình 3D vật thể tập trung vào vấn đề bóng đổ vật thể có nguồn sáng chiếu tới tự nhiên Từ lý thuyết vật lý quang học, tượng chiếu sáng, bóng vật, lý thuyết xây dựng mơ hình 3D vật, thuật tốn tính tốn khơng gian đồ họa thực ảo để biểu diễn bóng đổ vật tạo từ hai nguồn sáng Từ khảo sát thực tiễn xây dựng chương trình mơ vài vật bảo tàng Văn hóa dân tộc Việt Nam với hiệu ứng bóng đổ từ hai nguồn sáng khơng gian trưng bày Chương trình cài đặt với ngơn ngữ lập trình Visual C# cơng cụ hỗ trợ Enginer Unity 3D Chương trình thực nghiệm thực chức hiển thị tương tác 3D với mơ hình lồng ghép số vật thể không gian; cho phép xoay mô hình quan sát theo nhiều góc khác nhau, thay đổi độ sáng, màu sắc ánh sáng,vị trí chiếu sáng…) Luận văn vận dụng tốt lý thuyết, thuật toán vào mô thành côngmột số đối tượng 3D, thiết kế kịch biểu diễn không gian trưng bày nhỏ bảo tàng, thể hình ảnh đặc trưng bóng đổ vật hai nguồn sáng khác nhau, tĩnh quay; Tuy nhiên chương trình thực nghiệm dừng việc mơ vật không gian trưng bày cố định, ánh sáng đơn sắc, chưa thể hiện tượng nhiễu thực tế Hướng phát triển: Từ kết ban đầu, Luận văn phát triển biểu diễn khơng gian 3D có nhiều vật thể hơn, xử lý tượng phức tạp (với nhiều nguồn sáng chiếu) Hỗ trợ hoàn thiện phần mềm trưng bày ảo bảo tàng thể ngày xác thuộc tính tự nhiên vật thể Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn biểu diễn Những kết phát triển ứng dụng vào lĩnh vực khác tạo video, phim hoạt hình… Trong phạm vi lực nghiên cứu thời gian thực luận văn, luận văn thiếu sót, phần thực nghiệm dạng thử nghiệm Em mong nhận góp ý thầy bạn để hồn thiện TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Trịnh Xuân Hùng, Lê Hải Khơi, Đỗ Năng Tồn, Trần Thanh Hiệp, Trịnh Hiền Anh, Hà Xuân Trường “ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THỰC TẠI ẢO TRONG BẢO TÀNG CÁC DI SẢN” Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia “Các vấn đề chọn lọc CNTT”, Đà Lạt 15-17/6/2006, tr 356-367 [2] Trần Thanh Hiệp, Đỗ Năng Toàn, Phạm Tấn Năm, Trịnh Hiền Anh (2005), “Một kỹ thuật tiếp cận tạo mơ hình chiều”, Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia “Các vấn đề chọn lọc CNTT”, Hải Phòng 2527/8/2005, tr 631642 [3] Lê Hải Khơi, Đỗ Năng Tồn, Phạm Thế Anh, Trịnh Xuân Hùng (2005), “Một cách tiếp cận cho hiển thị hình ảnh chiều”, Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia “Các vấn đề chọn lọc CNTT”, Hải Phòng 25-27/8/2005, tr 396404 [4] Trịnh Xuân Hùng, Trịnh Hiền Anh, Đỗ Văn Thiện, Hà Mạnh Toàn “Một kỹ thuật tăng tốc tính tốn bóng cho hiển thị đối tượng 3d thực ảo” Kỷ yếu hội thảo quốc gia “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thông tin FAIR” Thái Nguyên 2014, tr 318-321 [5] Trịnh Xuân Hùng, Đỗ Năng Toàn, Đỗ Văn Thiện "Một kỹ thuật ước lượng pháp tuyến bề mặt đối tượng dựa tập ảnh thu từ camera" Kỷ yếu hội thảo quốc gia “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thông tin FAIR” Hà Nội 2015, tr 403-412 Tiếng anh [6] ^ Appel A (1968) Some techniques for shading machine renderings of solids AFIPS Conference Proc 32 pp.37-45 [7] Kajiya, J T (1986) "The rendering equation" Proceedings of the 13th annual conference on Computer graphics and interactive techniques ACM CiteSeerX 10.1.1.63.1402 [8] Lafortune, E, Mathematical Models and Monte Carlo Algorithms for Physically Based Rendering, (PhD thesis), 1996 [9] ^ Purcell, T J; Buck, I; Mark, W; and Hanrahan, P, "Ray Tracing on Programmable Graphics Hardware", Proc SIGGRAPH 2002, 703 – 712 See also Purcell, T, Ray tracing on a stream processor (PhD thesis), 2004 [10] Robison, Austin, "Interactive Ray Tracing on the GPU and NVIRT Overview", slide 37, I3D 2009 [11] Dudka, Kamil "RRV - Radiosity Renderer and Visualizer" Retrieved February 2013 [12] Forsyth Ponce “Computer Vision A Modern Approach” [13] Van Oosterom, A; Strackee, J (1983) "The Solid Angle of a Plane Triangle" IEEE Trans Biom Eng BME-30 (2): tr 125–126 [14] http://mathforum.org/library/drmath/view/63767.html [15] Rusinkiewicz, S "A Survey of BRDF Representation for Computer Graphics" Retrieved 2007-09-05 [16] Wolfgang Heidrich “High Quality Shadingand Lighting for Hardware accelerated Rendering” Erlangen–1999 [17] Phong Bùi Tường, “Illumination for computer generated pictures”, Communications of ACM 18 (1975), no 6, tr 311–317 [18] BRENNAN, Tegan; MERITY, Stephen; WILSON, Taiyo Monte Carlo methods for improved rendering ... Kỹ thuật biểu diễn bóng đổ 45 2.9 Phát triển toán ứng dụng .51 Chương MÔ PHỎNG HIỆU ỨNG BÓNG ĐỔ TỪ HAI NGUỒN SÁNG TRONG BIỂU DIỄN VẬT THỂ 3D 53 3.1 Bài tốn mơ vật bảo... cam đoan: Đề tài “ Nghiên cứu hiệu ứng bóng đổ từ hai nguồn sáng biểu diễn vật thể 3D do TS Vũ Đức Thái hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ... mơ thể hiệu ứng tạo bóng số vật thể tác động hai nguồn sáng Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu đề tài luận văn sử dụng kết hợp nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể: