Tìm hiểu kỹ thuật đánh bóng phong trong đồ họa 3d

LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết em xin chân thành thầy Đỗ Năng Toàn giáo viên hƣớng dẫn em tình làm đồ án Thầy giúp em nhiều cung cấp cho em nhiều tài liệu quan trọng phục vụ cho trình tìm hiểu đề tài “Tìm hiểu kỹ thuật đánh bóng Phong đồ họa 3D” Thứ hai, em xin chân thành cảm ơn thầy, cô môn công nghệ thơng tin bảo bảo em q trình học rèn luyện năm học vừa qua Đồng thời em cảm ơn bạn sinh viên lớp CT1201 gắn bó với em q trình rèn luyện trƣờng Cuối em xin chân thành cảm ơn ban giám hiệu trƣờng Đại Học Dân Lập Hải Phịng tạo điều kiện cho em có kiến thức, thƣ viện trƣờng nơi mà sinh viên trƣờng thu thập tài liệu trợ giúp cho giảng lớp Đồng thời thầy cô trƣờng giảng dạy cho sinh viên kinh nghiệm sống Với kiến thức kinh nghiệm giúp em cho công việc sống sau Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày tháng 12 năm 2012 Sinh viên Lê Thanh Tâm MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ PHẦN MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1:KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TỐN ĐÁNH BĨNG 1.1 Khái qt đồ họa 3D 1.1.1 Đồ họa 3D gì? 1.1.2 Các thành phần đồ họa 3D 1.1.3 Các ứng dụng đồ họa 3D 1.2 Bài tốn đánh bóng CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT ĐÁNH BÓNG PHONG TRONG ĐỒ HỌA 3D 2.1 Các dạng nguồn sáng 2.1.1.Nguồn sáng xung quanh(Ambient LightSource) 2.1.2 Nguồn sáng định hƣớng.(Directional Light Source) 2.1.3 Nguồn sáng điểm.(Point Light Source) 10 2.1.4 Các nguồn sáng khác 12 2.2 Kỹ thuật đánh bóng Phong 13 2.2.1 Sự phản xạ khuếch tán( Difuse Reflection) 13 2.2.2 Luật Lambert's Cosine 13 2.2.3 Sự phản xạ gƣơng (Specular Reflection) 15 2.2.4 Luật Snell's 15 2.2.5 Phong Illumination 16 2.2.6 Phong Shading 17 CHƢƠNG 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 19 3.1 Bài toán 19 3.2 Phân tích, thiết kế 19 3.3 Một số kết chƣơng trình 25 PHẦN KẾT LUẬN 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 2.13 Hình 2.14 Hình 2.15 Hình 2.16 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Sự phản xạ ánh sáng Sự phản xạ khơng tồn phần ánh sáng Vật thể đƣợc chiếu nguồn sáng điểm Cơng thức tính nguồn sáng điểm Vật thể đƣợc chiếu từ nguồn sáng đèn pha Vật thể đƣợc chiếu từ nguồn sáng vùng Mô tả phản xạ khuếch tán Mơ tả luật Lambert’s Cosine Cơng thức tính cƣờng độ sáng Ví dụ phản xạ khuếch tán Mơ tả luật Snell’s Mô tả tia phản xạ lý tƣởng Mô tả phƣơng thức Phong Mô tả nội suy song tuyến tính normal góc Mơ tả nội suy song tuyến tính dọc theo scanline So sánh kỹ thuật đánh bóng Bƣớc mở file Bƣớc chọn file tạo vật thể Vật thể chƣa qua xử lý Vật thể qua xử lý thuật tốn đánh bóng Phong Vật thể khơng chọn đánh bóng Phong Cửa sổ chỉnh sửa thơng số nguồn sáng Giao diện chƣơng trình Kết vật thể qua xử lý thuật tốn đánh bóng Phong Điều chỉnh vị trí nguồn sáng chiếu từ trục X Điều chỉnh vị trí nguồn sáng chiếu từ trục Y Điều chỉnh vị trí nguồn sáng chiếu từ trục Z Nguồn chiếu từ trục Z max cƣờng độ chiếu sáng Nguồn chiếu từ trục Z cƣờng độ chiếu sáng PHẦN MỞ ĐẦU – , , em tìm hiểu kỹ thuật đánh bóng Phong đồ họa 3D Tác giả phƣơng pháp đánh bóng Phong Bùi Tƣờng Phong (1942 Việt Nam – 1975 Mỹ) nhà nghiên cứu hàng đầu ngƣời tiên phong ngành đồ họa máy tính Năm 1973, luận án tiến sĩ Đại học Utah với tựa đề "Chiếu sáng đồ họa máy tính" (Illumination for ComputerGenerated Images), ơng đề xuất phƣơng pháp tô màu áp dụng cho vật thể có tính phản xạ gƣơng (specular reflection) Từ phƣơng pháp thƣờng đƣợc gọi Phong shading Phong shading trở thành phƣơng pháp phổ biến đƣợc sử dụng rộng rãi : từ nguồn sáng định chiếu đến vật thể, xác định nguồn sáng thực thuật toán Phong để đánh bóng đối tƣợng Mục đích đồ họa 3D tạo mô tả đối tƣợng, mơ hình giới thật máy tính cho giống với thật tốt Việc nghiên cứu phƣơng pháp kỹ thuật khác đồ họa 3D hƣớng đến mục tiêu cho nhân vật, đối tƣợng, mơ hình đƣợc tạo máy tính giống thật Và phƣơng pháp kỹ thuật đánh bóng Phong Xuất phát từ vấn đề đ em chƣơng: Chƣơng 1: Khái quát đồ họa 3D tốn đánh bóng o Chƣơng nói kiến thức 3D : khái niệm, thành phần ứng dụng, tốn đánh bóng Phong 3D o Chƣơng vào chi tiết kỹ thuật đánh bóng Phong Chƣơng 3: Chƣơng trình thử nghiệm CHƢƠNG 1:KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TỐN ĐÁNH BĨNG 1.1 Khái qt đồ họa 3D 1.1.1 Đồ họa 3D gì? Các lĩnh vực đồ họa máy tính liên quan đến việc tạo hiển thị đối tƣợng ba chiều khơng gian hai chiều (ví dụ, hình hiển thị ) đồ họa 3D Trong đó, điểm ảnh hình ảnh 2-chiều có thuộc tính vị trí, màu sắc, độ sáng, điểm ảnh 3-D cho biết thêm thuộc tính chiều sâu cho biết điểm nằm trục Z tƣởng tƣợng Khi đƣợc kết hợp nhiều điểm ảnh 3-D, với giá trị chiều sâu riêng mình, kết ta có bề mặt ba chiều Ngoài ra, đồ họa 3D hỗ trợ nhiều đối tƣợng tƣơng tác với Ví dụ, vật rắn, phần ẩn đằng sau Cuối cùng, máy tính xử lý với kỹ thuật sử dụng không gian chiều để hiển thị vật thể thực tế với chiều sâu Mục đích đồ họa 3D tạo mô tả đối tƣợng, mơ hình giới thật máy tính cho giống với thật tốt Việc nghiên cứu phƣơng pháp kỹ thuật khác đồ họa 3D hƣớng đến mục tiêu cho nhân vật, đối tƣợng, mơ hình đƣợc tạo máy tính giống thật Và phƣơng pháp tạo bóng cho đối tƣợng 1.1.2 Các thành phần đồ họa 3D Sence : thành phần chứa tất đối tƣợng không gian 3D., đối tƣợng đƣợc lƣu trữ cấu trúc liệu dạng Camera : xác định điểm nhìn mà xem Sence, đƣợc dùng để thay đổi góc nhìn, hƣớng nhìn, trọng tâm điểm nhìn Viewport : vùng chứa đối tƣợng mà Camera nhìn thấy, thể phần Sence 3D 1.1.3 Các ứng dụng đồ họa 3D Ðồ họa máy tính linh vực lý thú phát triển nhanh tin học Ngay từ xuất có sức lơi mãnh liệt, hút nhiều ngƣời nhiều lĩnh vực khác nhƣ khoa học nghệ thuật, kinh doanh, quản lý Tính hấp dẫn đƣợc minh họa trực quan thơng qua ứng dụng Xây dựng giao diện ngƣời dùng (User Interface): Giao diện đồ hoạ thực cách mạng mang lại thuận tiện thoải mái cho ngƣời dùng ứng dụng Tạo biểu đồ thƣơng mại, khoa học, kỹ thuật Các ứng dụng thƣờng đƣợc dùng để tóm lƣợc liệu tài chính, thống kê, khoa học, tốn học… giúp cho nghiên cứu, quản lý… cách có hiệu Tự động hóa văn phịng chế bán điện tử Thiết kế với trợ giúp máy tính (CAD_CAM) Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật mơ Điều khiển q trình sản xuất (Process Control) Lĩnh vực đồ (Cartography) Giáo dục đào tạo 1.2 Bài tốn đánh bóng Kỹ thuật đánh bóng Phong(Phong Shading Model) kỹ thuật tốt kỹ thuật tơ bóng nhƣ Flat Shading, Gourad Shading Bài tốn đặt vấn đề đánh bóng vật thể dựa vào nguồn sáng chiếu tới bề mặt vật thể cần đánh bóng Khi xác định đƣợc bề mặt vật thể theo thuật toán Phong sử dụng phƣơng pháp nội suy song tuyến tính để thắp sáng điểm ảnh đƣợc nguồn sáng chiếu tới Khi tất điểm ảnh toàn bề mặt vật thể đƣợc nguồn sáng chiếu tới sáng lên, điểm ảnh mà không đƣợc nguồn sáng chiếu tới tối đi, nhƣ ta đánh bóng thành cơng cho vật thể CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT ĐÁNH BÓNG PHONG TRONG ĐỒ HỌA 3D 2.1 Các dạng nguồn sáng 2.1.1.Nguồn sáng xung quanh(Ambient LightSource) Hình 2.1: Ấm đƣợc chiếu sáng Ambient Light 2.1.2 Nguồn sáng định hƣớng.(Directional Light Source) Hình 2.2: Cos( : Cos  a.n   a n (*) 10 ( Cos( ) =  n nhƣ sau:  a a.x n.x a y n y a.z n.z ( : Cos 1/ Cos (**) 1/ 2.1.3 Nguồn sáng điểm.(Point Light Source) Các tia sáng từ nguồn sáng điểm tỏa khắp nơi Nhiều nguồn sáng xấp xỉ tốt loại nguồn sáng Bóng đèn trịn ví dụ Hình 2.3: Vật thể đƣợc chiếu nguồn sáng điểm Hƣớng tia sáng thay đổi với điểm khác bề mặt Nhƣ vậy, ta phải tính vector phƣơng cho điểm: Hình 2.4 : Cơng thức tính nguồn sáng điểm Trong kc, kl, kq hệ số suy giảm theo khoảng cách d 19 CHƢƠNG 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 3.1 Bài tốn Do tính chất cơng việc nhƣ thẩm mỹ ngƣời luôn thay đổi để phù hợp với thực tiễn mà đòi hỏi, yêu cầu đặt cho xử lý ảnh ngày cao, đa dạng Theo xu hƣớng đó, xử lý ảnh phát triển khơng ngừng hƣớng tới quy trình xử lý ảnh hồn thiện Và đánh bóng ảnh khâu quan trọng quy trình xử lý ảnh Việc đạt đến cơng cụ tốt nâng cao chất lƣợng ảnh bề mặt hay cấu trúc ảnh mục tiêu xa vời Với toán đánh bóng, em cài đặt chƣơng trình thử nghiệm với kỹ thuật Phong Shading Model Đầu vào : Một vật thể mẫu Đầu : Vật thể đƣợc đánh bóng 3.2 Phân tích, thiết kế Hoạt động chƣơng trình : Bước 1: Trên menu Tệp chọn Mở tệp Hình 3.1 Bƣớc mở file 20 Bước 2: Chọn file nguồn từ cửa sổ mở ta chọn đƣờng dẫn tới ta chọn file muốn hiển thị Hình 3.2 Bƣớc chọn file tạo vật thể 21 Bước 3: Chƣơng trình quét file tạo hình vật thể dựa file nguồn ta vừa chọn Hình 3.3 Mơ hình vật thể chƣa đánh bóng 22 Bước 4: Hiển thị vật thể đƣợc đánh bóng khơng đánh bóng với thuật tốn Phong + Từ menu Thuật tốn -> Bóng Phong, vật thể đƣợc đánh bóng theo thuật tốn Phong Illumination Hình 3.4 Vật thể đánh bóng thuật tốn Phong 23 + Từ menu Thuật tốn -> Khơng bóng Phong, vật thể trở lại hình dáng ban đầu chƣa đánh bóng Hình 3.5 Vật thể khơng chọn đánh bóng Phong 24 Bước 5: Có thể điều chỉnh tham số thuật tốn đánh bóng nhƣ : Hình 3.6 Cửa sổ chỉnh sửa thơng số nguồn sáng -Vị trí vector nguồn sáng - Cƣờng độ ánh sáng - Hệ số phản xạ - Các yếu tố phản xạ Bước 6: Hiển thị kết sau hiệu chỉnh tham số 25 3.3 Một số kết chƣơng trình Chƣơng trình đƣợc xây dƣng công cụ Visual studio 2008 sử dụng ngôn ngữ lập trình C# Chƣơng trình thử nghiệm cài đặt kỹ thuật đánh bóng Phong Một số modul chƣơng trình: Chọn ảnh đầu vào Xử lý ảnh kỹ thuật đánh bóng Phong Chức điều chỉnh tham số liên quan đến nguồn sáng Hiển thị ảnh kết Một số giao diện chƣơng trình: Hình 3.7: Giao diện chƣơng trình 26 Một số kết thu đƣợc: Hình 3.8: Kết vật thể qua xử lý thuật toán đánh bóng Phong 27 Một số kết việc điều chỉnh tham số nguồn sáng Hình 3.9: Điều chỉnh vị trí nguồn sáng chiếu từ trục X 28 Hình 3.10: Điều chỉnh vị trí nguồn sáng chiếu từ trục Y 29 Hình 3.11: Điều chỉnh vị trí nguồn sáng chiếu từ trục Z 30 Hình 3.12: Nguồn chiếu từ trục Z max cƣờng độ chiếu sáng 31 Hình 3.13: Nguồn chiếu từ trục Z cƣờng độ chiếu sáng 32 PHẦN KẾT LUẬN thuật đánh bóng Phong Tuy nhiên hạn chế điều kiện thời gian, khoá luận khơng thể tránh khỏi thiếu sót Kính mong đƣợc đóng góp ý kiến thầy bạn để em hồn thiện đề tài nghiên cứu đợt làm đồ án tốt nghiệp ! 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt : -[1] Chiếu sáng tạo bóng – Dƣơng Anh Đức, Lê Đình Huy -[2] Giáo trình xử lý ảnh – Đỗ Năng Tồn, Phạm Việt Bình(2007), Nhà xuất Đại học Thái Nguyên -[3] Giáo trình lý thuyết đồ họa – Khoa công nghệ thông tin Đại học Khoa học Huế Tài liệu tiếng Anh : -[4] Bui Tuong Phong, Illumination for Computer Generated Picturé, Comm ACM, Vol 18(6) :311-317, June 1975 Website : -[5].http://en.wikibooks.org/wiki/GLSL_Programming/GLUT.htm -[6].http://freespace.virgin.net/hugo.elias/graphics/x_main.htm -[7].http://www.opengl.org/tutorials/ClockworkCoders/lighting.php -[8].http://www.jimcode.org/development-archive/3d-graphicsproject-including-hidden-surface-removal-phong-shading/ -[9].http://courses.cms.caltech.edu/cs101gpu/lab1/lab1.html ... VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TỐN ĐÁNH BĨNG 1.1 Khái quát đồ họa 3D 1.1.1 Đồ họa 3D gì? 1.1.2 Các thành phần đồ họa 3D 1.1.3 Các ứng dụng đồ họa 3D 1.2 Bài tốn đánh bóng. .. – , , em tìm hiểu kỹ thuật đánh bóng Phong đồ họa 3D Tác giả phƣơng pháp đánh bóng Phong Bùi Tƣờng Phong (1942 Việt Nam – 1975 Mỹ) nhà nghiên cứu hàng đầu ngƣời tiên phong ngành đồ họa máy tính... chƣơng: Chƣơng 1: Khái quát đồ họa 3D tốn đánh bóng o Chƣơng nói kiến thức 3D : khái niệm, thành phần ứng dụng, toán đánh bóng Phong 3D o Chƣơng vào chi tiết kỹ thuật đánh bóng Phong Chƣơng 3: Chƣơng