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 Ngun - 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 cơng trình nghiên cứu Phần mã nguồn chƣơng trình sử dụng số thƣ viện chuẩn thuật toán demo đƣợc tác giả xuất cơng khai miễn phí mạng Internet Nếu sai tơi xin tơi xin hồn tồn 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, bạn luận văn em hồn thành thời hạn đạt đƣợc kết tốt Lời em xin đƣợc trân thành cảm ơn giúp đỡ q 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 ln 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 tốn 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 ngơn 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 Mơ cánh tay Hình 1.2 Mơ cấu trúc não Hình 1.3 Mơ kiến trúc cơng 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 khơng 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 tốn 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 mơi trƣờng tham gia 50 Hình 3.6: Vịng 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 thơng tin trực quan, đa dạng phong phú đƣợc chuyển tải qua hình ảnh, ứng dụng đồ họa máy tính lơi 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 khơng sử dụng kĩ thuật đồ họa để làm tăng tính hấp dẫn Trong đồ họa máy tính, Photon mapping thuật tốn chiếu sáng tồn 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 mơ xác ánh sáng nhƣ sinh ảnh quang phổ Trong tự nhiên, tia sáng đƣợc tạo nguồn sáng chiếu đến bề mặt làm ngắt qng q trình Có thể tƣởng tƣợng tia sáng nhƣ dịng photon Trong chân khơng hồn 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 thơng tin sử dụng lại ánh sáng, giảm tải số lƣợng tính tốn 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 tốn photon sinh ảnh, cấu trúc liệu cần thiết cho đồ photon, chƣơng có trình bày cụ thể tính tốn xạ từ đồ photon, q trình xây dựng phƣơng trình sinh ảnh việc tối ƣu hóa đồ photon Chƣơng Mơ tả tốn sinh ảnh, giới thiệu cơng 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 mơ hình đƣợc xây dựng máy tính hai chiều ngƣời khơng thể tƣơng tác với đối tƣợng mơ hình nhƣ giới thực, chƣơng trình nghiên cứu khắc phục nhƣợc điểm dẫn đến việc xuất lĩnh vực Công nghệ thơng tin thực ảo 1.1 Khái qt thực ảo 1.1.1 Thực ảo gì? Thực ảo mô môi trƣờng không gian ba chiều máy tính, mơi trƣờng mơ ngƣời quan sát thực thao tác mà mong muốn Với tất có mơi trƣờng mơ thơng qua thiết bị đầu vào, kết trả lại thay đổi mơi trƣờng mà ngƣời quan sát hay cảm nhận đƣợc thơng qua thiết bị đầu Theo nhƣ định nghĩa nhận thành phần thực ảo là: mơi trƣờng khơng gian ba chiều, mơ hình tạo máy tính, tƣơng tác, thiết bị vào, Thực ảo giới thực song lại ảo, phần giới thực đƣợc tái tạo máy tính, thơng qua thiết bị đầu vào ngƣời chìm đắm môi trƣờng không gian ba chiều cho phép ngƣời có khả quan sát, tƣơng tác với mơi trƣờng ảo Những tƣơng tác đƣợc chƣơng trình xử lý thơng qua thiết bị đầu đem Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 44 2.4.4 Phản chiếu độ bóng phản xạ Phản chiếu bóng phản xạ đƣợc tính ƣớc lƣợng điều kiện      f ( x ,  ' ,  )( L ( x ,  ' )  L ( x ,  ' )) cos  d  'i i ,c i ,d i  r ,s x Các đồ photon không đƣợc sử dụng ƣớc lƣợng tích phân đƣợc chi phối mạnh fr,s có đỉnh thu hẹp xung quanh hƣớng phản chiếu Sử dụng đồ photon để tối ƣu hóa tích phân địi hỏi số lƣợng lớn photon để thực phân loại hữu ích hƣớng khác đỉnh hẹp fr,s Để tiết kiệm nhớ chiến lƣợc khơng đƣợc sử dụng tích phân đƣợc ƣớc tính cách sử dụng chuẩn Monte Carlo ray tracing lấy mẫu tối ƣu hóa với tầm quan trọng dựa fr,s Điều hiệu cho bề mặt bóng lống tách rời hầu hết tình đƣợc tính cách sử dụng có lƣợng nhỏ tia mẫu Điều đƣợc minh họa hình 2.9 Hình 2.9: Sinh ảnh phản chiếu bóng phản xạ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 45 2.4.5 Tính tụ quang (Caustics) Tính tụ quang đƣợc đại diện tích phân f r ,d     ( x,  ' ,  ) Li ,c ( x,  ' ) cosi d 'i x Việc đánh giá thuật ngữ phụ thuộc vào việc tính tốn xác gần đƣợc u cầu Trong tính tốn xác, thuật ngữ đƣợc giải cách sử dụng ƣớc tính xạ từ tính tụ quang đồ photon Số lƣợng photon tính tụ quang đồ photon cao ta đốn trƣớc chất lƣợng tốt ƣớc tính Tính tụ quang (Caustics) tính cách sử dụng Monte Carlo ray tracing phƣơng pháp hiệu đến để sinh ảnh caustics Việc đánh giá gần tích phân đƣợc bao gồm ƣớc tính xạ từ đồ photon toàn cảnh Điều đƣợc minh họa hình 2.10 Hình 2.10: Sinh ảnh tụ quang Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 46 2.4.6 Phản xạ đa khuếch tán (Multiple diffuse reflections) Tích phân cuối công thức 2.16 là:      f r ,d ( x,  ' ,  ) Li ,d ( x,  ' ) cosi d 'i x Tích phân đại diện cho ánh sáng đến mà đƣợc phản chiếu lần cịn nguồn ánh sáng Ánh sáng sau đƣợc phản chiếu khuếch tán bề mặt (sử dụng fr,d) Do kết chiếu sáng "dịu" Việc đánh giá gần tích phân phần ƣớc tính xạ dựa đồ photon tồn cảnh Việc đánh giá xác tích phân đƣợc tính cách sử dụng Monte Carlo ray tracing tối ƣu hóa cách sử dụng BRDF với ƣớc tính thơng lƣợng nhƣ mơ tả Tối ƣu hóa quan trọng bề mặt Lambertian việc sử dụng xạ gradient sơ đồ nhớ đệm Điều có nghĩa ta tính tốn chiếu sáng gián tiếp bề mặt Lambertian suy đủ với độ xác từ giá trị tính tốn trƣớc Ƣu điểm việc sử dụng đồ photon đƣợc so sánh để sử dụng nhớ đệm phƣơng pháp xạ gradient ta tránh bị trả lại nhiều dấu vết chiếu sáng gián tiếp ta sử dụng thơng tin đồ photon để tập trung vào mẫu ta hƣớng quan trọng Điều đƣợc minh họa hình 2.11 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn 47 Hình 2.11: Tính tốn gián tiếp khuếch tán ánh sáng với tầm quan trọng lấy mẫu 2.5.5 Lấy mẫu lọc Một vấn đề mà hệ thống sinh ảnh đồ họa phải giải quyết, hệ thống dùng tiếp cận nào, vấn đề lấy mẫu (sampling problem) Nhìn chung, trình sinh ảnh trình cố gắng miêu tả hàm số liên tục (continuous function) từ vị trí điểm ảnh đến giá trị màu sắc Theo lý thuyết Nyquist, tần số lấy mẫu phải gấp hai lần tỉ lệ điểm ảnh, nghĩa có tỷ lệ thuận với độ phân giải hình ảnh Nói cách đơn giản hơn, điều biểu lộ quan điểm hình ảnh khơng thể biểu chi tiết nhỏ chấm ảnh Nếu sử dụng thuật toán sinh ảnh đơn giản, tần số cao hàm hình ảnh gây ảo giác ngoại hình (aliasing) xấu hình ảnh kết thúc Ảo giác ngoại hình thƣờng biểu lộ dƣới hình thức hiệu ứng lởm chởm, cạnh lởm chởm vật thể (nhƣ cƣa), nơi hệ thống đƣờng kẻ ổ chấm ảnh nhìn thấy đƣợc Để xóa bỏ ảo giác ngoại hình, tất thuật tốn sinh ảnh (nếu muốn sản sinh hình ảnh đẹp) cần phải lọc hàm hình ảnh để lọc bỏ tần số cao Quá trình đƣợc gọi trình chống ảo giác ngoại hình (antialiasing) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 48 2.4.8 Tối ƣu hóa  Các phương pháp tối ưu hóa họa sĩ sử dụng xây dựng phong cảnh Do số lƣợng tính tốn lớn, cơng trình cịn q trình phát triển sinh ảnh chi tiết phần đƣợc quan tâm thời điểm làm việc mà thơi, thế, giai đoạn đầu q trình mơ hình hóa, ngƣời ta dùng mơ hình khung lƣới kỹ thuật chiếu quang tia mà thôi, kết xuất liệu phải kết dõi quang tia kết hợp với tính va đập ánh sáng Ngƣời ta thƣờng sinh ảnh chi tiết số phần phong cảnh, xóa bỏ đối tƣợng không quan trọng phần công việc xây dựng  Những phương pháp tối ưu hóa phổ biến dùng q trình sinh ảnh thời gian thực Đối với thời gian thực, đơn giản hóa nhiều ƣớc lƣợng tƣơng đối chung điều cần thiết, điều chỉnh cho với tham số phong cảnh quan tâm, tức điều chỉnh cho với tham số thỏa thuận, việc làm gây hiệu nhiều Ngồi cịn có số tiếp cận tới sinh ảnh đồ họa, chẳng hạn nhƣ phƣơng pháp dùng hàm điều hòa cầu (spherical harmonics) Những kỹ thuật không đƣợc nhiều ngƣời biết đến tốc độ chậm chúng, tính thiếu tính thực dụng đơn giản chúng non nớt, số chúng cho giải pháp Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 49 Chƣơng CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 3.1 Bài tốn Trong chƣơng này, luận văn thử nghiệm chƣơng trình sinh ảnh chiều ảnh chiều với nguồn sáng cho trƣớc kỹ thuật Photon mapping - Đầu vào chƣơng trình mơ hình với đối tƣợng cho trƣớc sử dụng kỹ thuật Photon mapping sinh ảnh - Tăng giảm số lƣợng photon thay đổi vị trí nguồn sáng - Nhận xét chất lƣợng ảnh sau lần đổi giá trị 3.2 Công cụ thiết kế chức số hàm chƣơng trình 3.2.1 Giới thiệu ngơn ngữ lập trình mã nguồn mở Processing Processing ngơn ngữ lập trình mã nguồn mở mơi trƣờng cho ngƣời muốn làm việc với chƣơng trình xử lý hình ảnh, hoạt hình, tƣơng tác Nó đƣợc sử dụng cho sinh viên, nghệ sĩ, nhà thiết kế, nhà nghiên cứu, nhà sƣu tầm cho việc học tập, tạo mẫu, sản xuất Nó đƣợc tạo để giảng dạy lập trình trực quan để phục vụ nhƣ phần mềm phác thảo cơng cụ trình bày chun nghiệp Processing đƣợc để tải miễn phí sử dụng hệ điều hành GNU / Linux, Mac OS X Windows Nó bao gồm phân tích vấn đề hƣớng dẫn cho việc xây dựng mã, tải mã nguồn, tạo thƣ viện cơng cụ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 50 Một mục tiêu Processing đóng vai trị nhƣ cơng cụ để khơng phải lập trình bắt đầu làm quen với lập trình Ngơn ngữ đƣợc xây dựng tính đồ họa ngơn ngữ lập trình Java, đơn giản hóa tính tạo vài tính 3.2.2 Chức số hàm chƣơng trình - Khai báo số mô tả cảnh int szImg = 512; // Khai báo kích thước ảnh int nrTypes = 2; //2 kiểu đối tượng(Hình cầu - Sphere = 0, mặt phẳng - Plane = 1) int[] nrObjects = {2,5}; //2 Hình cầu, Mặt phẳng float gAmbient = 0.1; //Không gian chiếu sáng float[] gOrigin = {0.0,0.0,0.0}; //World Origin for Convenient Re-Use Below (Constant) float[] Light = {0.0,1.2,3.75}; //Điểm sáng – Vị trí nguồn float[][] spheres = {{1.0,0.0,4.0,0.5},{-0.6,-1.0,4.5,0.5}}; //Tâm hình cầu bán kính float[][] planes = {{0, 1.5},{1, -1.5},{0, -1.5},{1, 1.5},{2,5.0}}; //Trục mặt phẳng khoảng cách tới gốc tọa độ - Khai báo biến Photon mapping //Số lượng Photon phát xạ int nrPhotons = 1000; int nrBounces = 3; //Số lần Photon bật lên boolean lightPhotons = true; //Kích hoạt Photon chiếu sáng? float sqRadius = 0.7; //Tích phân vùng Photon (Bình phương cho hiệu quả) float exposure = 50.0; //Số lượng Photon tích phân điểm sáng int[][] numPhotons = {{0,0},{0,0,0,0,0}}; //Tính Photon cho đối tượng cảnh float[][][][][] photons = new float[2][5][5000][3][3]; //Cấp phát nhớ cho Photon Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 51 - void raySphere(int idx, float[] r, float[] o): Hàm Tính tốn tia giao hình cầu - void rayPlane(int idx, float[] r, float[] o): Hàm Tính tốn tia giao mặt phẳng - void checkDistance(float lDist, int p, int i): Hàm kiểm tra khoảng cách - void emitPhotons(): Hàm tính tốn độ phát xạ Photon - void storePhoton(int type, int id, float[] location, float[] direction, float[] energy): Hàm lƣu trữ Photon Photon map - void shadowPhoton(float[] ray): Hàm xử lý Photon bóng - void draw(): Hàm vẽ 3D - void drawInterface(): Hàm thiết kế giao diện - void render(): Hàm sinh ảnh (sinh đƣờng riêng điểm ảnh trƣớc vẽ) - void resetRender(): Hàm thiết lập lại biến sinh ảnh - void setup(): Hàm cài đặt đối tƣợng chƣơng trình 3.3 Thực nghiệm chƣơng trình đánh giá kết 3.3.1 Thực nghiệm chƣơng trình - Click vào biểu tƣợng hình ảnh để chuyển đổi đồ photon - Click kéo cầu để di chuyển chúng - Click vào nguồn sáng kéo để di chuyển ánh sáng - Mô tả: Các thực ray tracing đƣợc cải thiện cách mô photon riêng lẻ đƣợc phát từ nguồn ánh sáng trả lại quanh cảnh Ở đây, 1000 photon bị trả ba lần, dẫn đến loang màu thực tế bóng mềm Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 52 Đối với ray tracing, ta chiếu tia vào điểm ảnh cảnh (cho phép phản chiếu gƣơng cầu) Một tia bóng đơn đƣợc xác định có hay khơng điểm ảnh đƣợc chiếu sáng nguồn sáng Để tính tốn đồ photon, ta phát 1000 photon (mỗi photon số bị trả lại ba lần) từ nguồn ánh sáng hình bán cầu Đối với photon bị trả ta tính tốn photon bóng tƣơng ứng Photon mapping đƣợc kích hoạt đơn giản cách thay bƣớc ánh sáng cuối ray tracing với bƣớc thu thập photon đó, điểm cảnh đƣợc kết xuất, photon đƣợc tích hợp diện tích kích thƣớc cố định (khơng có cây-kd đƣợc sử dụng) 3.3.2 Kết thực - Áp dụng sinh ảnh cảnh với nguồn sáng Sử dụng đồ photon trực tiếp hình ảnh nhiều thời gian để sinh ảnh Sử dụng tập hợp cuối bƣớc sinh ảnh làm cho thời gian làm tăng đáng kể Do phải sử dụng phƣơng pháp gọi nhớ đệm xạ, nơi ánh sáng đƣợc lƣu trữ tái sử dụng chiếu sáng giá trị từ nhớ đệm đƣợc nội suy điểm Những hình ảnh bên trái cho thấy trực quan nhớ đệm xạ Tất điểm mà màu đen điểm mà giá trị lƣu trữ đƣợc sử dụng hình bên phải Khi chiếu nguồn sáng từ phía phát 1000 photon, photon đƣợc sử dụng lại ba lần ta thu đƣợc kết ảnh tối không sắc nét đƣợc thể hình 3.1 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 53 Hình 3.1: Số lƣợng photon phát 1000 Thay đổi vị trí nguồn sáng số lƣợng photon phát ta đƣợc cảnh nhƣ hình 3.2 (a) (b) Hình 3.2: Photon phát 1500, nguồn sáng bên (a), bên phải (b) Hình 3.3 cảnh bên trái sử dụng ánh sáng trực tiếp cảnh bên phải sinh ảnh cách sử dụng kỹ thuật Photon mapping Trong cảnh bên phải sử dụng 26.000 photon từ nguồn ánh sáng cửa sổ chiếu vào 500 số đƣợc sử dụng để tính tốn xạ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 54 (a) (b) Hình 3.3: Sử dụng ánh sáng trực tiếp (a), sinh ảnh Photon mapping (b) - Áp dụng sinh ảnh cảnh với nhiều nguồn sáng Một ví dụ đơn giản cảnh với nhiều nguồn ánh sáng biến đổi cảnh thể hình 3.4 Khi 100.000 photon đƣợc tạo từ nguồn ánh sáng kết đồ Photon tồn cảnh có 400.000 photon Với tham số sinh ảnh tƣơng tự nhƣng kết khác với nguồn sáng Thời gian sinh ảnh cho cảnh 90 phút Hình 3.4: Sinh ảnh với nguồn sáng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 55 Cảnh thể hình 3.5 ví dụ cảnh với môi trƣờng tham gia thống Để mô cảnh cần sử dụng 100.000 photon đồ photon toàn cầu 150.000 photon đồ photon lƣợng Thời gian sinh ảnh cho cảnh 44 phút Hình 3.5: Sinh ảnh với mơi trƣờng tham gia Hình 3.6 ví dụ cổ điển tụ quang, nhẫn kim loại bóng tập trung ánh sáng vào mẫu đặc trƣng Hình ảnh bao gồm photon toàn cảnh, kết chiếu sáng yếu bề mặt bên nhẫn Các thành phần phản chiếu nhẫn sinh ảnh với tia phản chiếu hồn xác 200 photon tụ quang đƣợc sử dụng cho ƣớc tính xạ ánh sáng Hình 3.6: Vịng kim loại tụ quang Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 56 KẾT LUẬN Kỹ thuật Photon mapping tạo cho mặt phẳng đối tƣợng khung cảnh mợt sở dƣ̃ liệu , lƣu trƣ̃ thông tin va chạm photon với bề mặt - tọa độ va chạm, hƣớng lƣợng photon Photon đƣợc hiểu là phần l ƣợng chiếu sáng , truyền theo một hƣớng nhất đị nh tƣ̀ nguồn sáng Mật độ photon đồ đƣợc dùng tính tốn để đánh giá chiếu sáng điểm kết phân tán khuyếch tán ánh sáng các bề mặt xung quanh Kỹ thuật Photon mapping đƣợc thiết kế nhƣ xen kẽ phép tính chiếu sáng khuếch tán thứ cấp phƣơng pháp Monter Carlo thay phép tính tích phân tƣơng ứng Giải pháp có số ƣu điểm hạn chế Ƣu điểm Photon mapping tốc độ hồn chỉnh phép tính Sử dụng Photon mapping cho tính tốn phản xạ qua lại đƣợc dùng nhiều lần cho phép nhận đƣợc kết nhanh chất lƣợng Hạn chế liên quan đến yêu cầu nhớ lớn khó khăn việc liên kết vết nối, góc đƣờng biên bề mặt Photon mapping làm việc với nguồn sáng nhƣ Skylight, HDRI hạn chế truy cập vào nhớ, tính tốn khung cảnh mở Trong q trình làm luận văn em đƣợc sử dụng, nghiên cứu nhiều tài liệu, thực nghiệm để hoàn thành luận văn tốt nghiệp hiểu rõ đƣợc phƣơng pháp sinh ảnh Photon maping Kết thực nghiệm đạt số kết nhƣ sử dụng chƣơng trình demo tăng giảm số lƣơng photon số lần tái sử dụng q trình sinh ảnh Tạo đƣợc ảnh có mầu sắc rực rỡ với hay nhiều nguồn sáng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 57 Trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp, thân nhiều cố gắng thời gian, công sức cho việc tìm hiểu nghiên cứu đề tài nhận đƣợc bảo, định hƣớng tận tình thầy giáo hƣớng dẫn nhƣng hạn chế mặt thời gian khó khăn việc tìm kiếm tài liệu nên chƣa có đƣợc kết thực hồn hảo Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt TẠ VĂN HÙNG, Đồ Họa Máy Tính, Nxb Thống kê, 2001 Nguyễn Thế Hùng, Đồ họa máy tính thiết kế - Computer Graphics and Design, Nxb Thống kê, 2002 [3] Nguyễn Huy Sơn (2005), “VR-Công nghệ tương lai”, http://simulationvn.org [1] [2] Tiếng Anh Jensen, Henrik Wann and Per H Christensen:‖ High Quality Rendering using Ray Tracing and Photon Mapping‖ ACM New York , pages 49-53, 63-76, 2007 [5] Jensen, Henrik W., Realistic Image Synthesis Using Photon Mapping, A K Peters, Ltd., Massachusetts, 2001 [6] Per H Christensen Photon mapping tricks In SIGGRAPH 2002 Course Note #43: A Practical Guide to Global Illumination using Photon Mapping, pages 93–121, 2002 [7] Phong Bui Tuong Illumination for computer generated pictures Communications of the ACM, pages 311–317, 1975 [4] Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... 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 tốn 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. .. hình thực ảo 1.2 Sinh ảnh thực ảo 1.2.1 Sinh ảnh thực ảo Trong đồ họa máy tính, rendering gọi tắt sinh ảnh, trình sinh tạo hình ảnh từ mơ hình cách sử dụng chƣơng trình ứng dụng phần mềm Mơ hình