Bài giảng Công nghệ đồ họa và hiện thực ảo - Bài 13: Chiếu sáng và tạo bóng bề mặt cung cấp cho người học các kiến thức: Chiếu sáng, ánh sáng môi trường, ánh sáng khuếch tán, ánh sáng gương, mô hình ánh sáng Phong, tạo bóng bề mặt.
Bài 13 CHIẾU SÁNG VÀ TẠO BÓNG BỀ MẶT Trịnh Thành Trung trungtt@soict.hust.edu.vn NỘI DUNG Chiếu sáng i Ánh sáng môi trường ii Ánh sáng khuếch tán iii Ánh sáng gương iv Mơ hình ánh sáng Phong Tạo bóng bề mặt - KHÁI NIỆM - Khái niệm • Nhờ vào đâu mắt cảm nhận ánh sáng? – Yếu tố sinh lý: • Cấu tạo mắt – Yếu tố vật lý: • Tính chất ánh sáng • Tính chất bề mặt Cấu tạo mắt • Tương tự camera: – Có nhiều cảm biến hình ảnh phía sau mắt – Mắt cảm nhận ánh sáng từ nhiều nguồn khác – Tương tự công nghệ CMOS CCD Các thông tin nhận từ mắt gửi đến não để xử lý THẢO LUẬN • Chiếc váy có màu - Tính chất ánh sáng • Ánh sáng thay đổi màu sắc điểm vật thể • Những yếu tố ảnh hưởng đến màu sắc vật thể: Vị trí điểm mẫu Vị trí nguồn sáng Màu sắc cường độ ánh sáng Véc-tơ camera Véc-tơ pháp tuyến bề mặt điểm mẫu Đặc điểm vật lý đối tượng (mơ hình phản xạ, màu sắc ) Ảo giác màu sắc Định nghĩa • Một số định nghĩa: – Rọi sáng (Illumination): Là vận chuyển lượng từ nguồn sáng đến bề mặt điểm • bao gồm chiếu sáng trực tiếp gián tiếp – Chiếu sáng (Lighting): Q trình tính cường độ sáng điểm không gian chiều, thường bề mặt đối tượng – Tơ bóng (Shading): Q trình gán màu cho pixel CHIẾU SÁNG - Mơ hình ánh sáng Phong • Mơ hình ánh sáng Phong (Bùi Tường Phong, Đại học Utah) kết hợp ánh sáng môi trường, phản xạ khuếch tán phản xạ gương Ánh sáng môi trường (Ambient Light) Khuếch tán (Diffuse) Phản xạ gương (Spectacular) màu sắc môi trường hướng ánh sáng góc nhìn Mơ hình ánh sáng Phong • Cơng thức tính: cộng tất lại 𝐼 = 𝐼𝑎 𝑘𝑎 + 𝐼𝑝 𝑘𝑑 cos 𝜃 + 𝑘𝑠 cos 𝑛 𝜑 • Nếu có nhiều nguồn sáng: tính cường độ sáng cho nguồn sáng tính tổng 𝑙𝑖𝑔ℎ𝑡𝑠 𝐼𝑝 𝑘𝑑 cos 𝜃 + 𝑘𝑠 cos 𝑛 𝜑 𝐼 = 𝐼𝑎 𝑘𝑎 + 𝑝 Mơ hình ánh sáng Phong • Chúng ta sử dụng tích vơ hướng (dot product) thay cho phép tính cosin lights I k a I a I p k d Nˆ Lˆ k s Vˆ Rˆ i 1 • Trong – – – – N: vector pháp tuyến bề mặt L: vector đến tia sáng V: vector hướng vị trí mắt R: vector phản xạ lý tưởng nshiny TẠO BÓNG BỀ MẶT - Khái niệm • Một bề mặt sử dụng mơ hình đa giác/tam giác: – Mỗi mặt có vector pháp tuyến định – Với ánh sáng khuếch tán, phản xạ khuếch tán không đổi mặt – Với điểm nhìn xa vơ cực, hệ số phản xạ gương khơng đổi mặt • Giả sử có bề mặt định nghĩa mặt đa giác, việc tô màu bề mặt thực nào? Tạo bóng bề mặt • Q trình tính màu sắc cho bề mặt gọi tạo bóng bề mặt (shading) • Có nhiều cách khác để tạo bóng bề mặt • Việc tạo bóng bề mặt thực bước rời rạc hóa (rasterization) Tạo bóng phẳng • Cách đơn giản tạo bóng phẳng (flat shading) – Tính màu sắc điểm mặt đa giác – Tất điểm khác nằm mặt đa giác tơ màu giống Ví dụ: Tạo bóng phẳng Nhược điểm • Bị ảnh hưởng hiệu ứng Mach band – Con người nhạy cảm với thay đổi đột ngột độ sáng – Luôn cảm nhận góc cạnh dù số lượng đa giác tăng lên Tạo bóng Gouraud • Tạo bóng Gouraud (Henri Gouraud) – Tính màu sắc đỉnh mặt đa giác, sau – Nội suy màu sắc đa giác Ví dụ: Tạo bóng Gouraud Nhược điểm • Trong phản xạ gương (specular reflection), – ánh sáng giảm theo giá trị cos 𝑛 𝜑 – Tạo bóng Gouraud nội suy tuyến tính khiến ánh sáng highlight trở nên lớn – Tạo bóng Gouraud bỏ qua ánh sáng highlight mặt đa giác Tạo bóng Phong • Tạo bóng Phong (Bùi Tường Phong) – Thực tính chiếu sáng cho tất pixel q trình rời rạc hóa (rasterization) – Nội suy vector pháp tuyến đỉnh Ví dụ: Tạo bóng Phong So sánh • So sánh phương pháp tạo bóng Tạo bóng phẳng Tạo bóng Gouraud Tạo bóng Phong ... Trong hầu hết trường hợp, sử dụng mơ hình thực nghiệm đồ họa tương tác Gần đây, mơ hình mơ vật lý dần sử dụng rộng rãi hệ đồ họa đại 2.1 ÁNH SÁNG MÔI TRƯỜNG - Ánh sáng mơi trường • Các vật thể khơng... gián tiếp từ nguồn sáng, phản xạ qua bề mặt trung gian Ánh sáng mơi trường • Trong cơng nghệ đồ họa, tính tốn việc chiếu sáng gián tiếp qua bề mặt trung gian tốn kém, sử dụng mẹo gọi ánh sáng... Các mơ hình chiếu sáng thường xếp vào hai loại: Thực nghiệm: Sử dụng công thức đơn giản cho kết gần với quan sát nhìn Mơ vật lý: Các mơ hình chiếu sáng dựa công thức vật lý ánh sáng • Trong hầu