Trong chương một đã đề cập đến các phương pháp chiếu sáng trên thực tế, những phương pháp chiếu sáng đó cần một hệ thống đèn chiếu rất phức tạp và đắt tiền. Trong bài toán thực tại ảo ta dựa vào những lý thuyết chiếu sáng đó để lựa chọn nguồn sáng nào phù hợp cho quá trình chiếu sáng. Thông thường sử dụng các loại nguồn sáng sau đây:
Những loại nguồn sáng này có sự khác biệt về kích thước, không gian và phạm chiếu sáng (đây chính là các loại nguồn sáng hay sử dụng của hầu hết các hệ thống render):
Nguồn sáng điểm (point light): là nguồn phát sáng từ một điểm duy nhất trong không gian, hướng phát sáng của nguồn sáng là toàn bộ hình cầu hướng ba quanh điểm đó, cường độ sáng tại mọi hướng là như nhau. Từ công thức I
d/dta tính được cường độ sáng của loại nguồn sáng này là 𝐼 = 𝛷 4𝜋⁄ . Vì nguồn sáng xuất phát một điểm và tới mọi hướng khác nhau trên toàn bộ hình cầu hướng, theo đặc tính góc khối có thể khẳng định rằng: một điểm bất kỳ trên bề
30
mặt sẽ nhận được một mức năng lượng tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ nó tới điểm phát.
Hình 2.3. Ánh sáng điểm
Nguồn sáng song song: đây là một loại nguồn sáng đặc biệt, các tia sáng được chiếu đi song song với nhau do đó tại mọi điểm sẽ nhận được một lượng năng lượng như nhau. Mặt trời có thể là một ví dụ điển hình cho loại nguồn sáng này, người ta cũng tạo ra nhiều loại nguồn nhân tạo nhằm chiếu ánh sáng đi xa ví dụ đèn pha, đènpin,.... Đặc trưng cơ bản của nó là có hướng chiếu sáng vì vậy nó thể hiện bóng đổ rất tốt.
Nguồn sáng điểm nhưng bị giới hạn phạm vi phát theo một hướng, một góc khối nhất định (spot light). Đây là loại nguồn sáng dùng nhiều nhất trong quá trình chiếu sáng, nó làm nổi bật các hiện vật trưng bày khi sử dụng loại nguồn sáng này ánh sáng môi trường cần có cường độ thấp hơn cường độ của nguồn sáng điểm.
Đó là ba loại nguồn sáng sử dụng rất phổ biến trong thực tại ảo cũng như mô hình render sử dụng thiết bị tăng tốc đồ họa. Còn có một số loại nguồn sáng không phổ dụng khác như nguồn sáng phát từ một đối tượng, nguồn sáng song song có hạn chế ví dụ một nguồn song song chỉ chiếu trong một khu vực hình trụ.... Tuy vậy để đảm bảo tốc độ và đặc tính phức tạp của các dạng nguồn sáng này nên trong thực tại ảo nói chung và đồ họa 3D nói riêng người ta hầu như chỉ sử dụng ba loại nguồn sáng trên mà thôi.
31
Hướng đặt nguồn sáng tạo tác động rất lớn đến cách cảm nhận của chúng ta về nó, cũng như cách mà các chi tiết xuất hiện trong khung cảnh. Việc chọn hướng nguồn sáng chính đến từ đâu là một trong những quyết định quan trọng nhất mà bạn cần làm, vì nó ảnh hưởng rấ nhiều đến cách xuất hiện của khung cảnh, cũng như cảm xúc mà bức hình muốn thể hiện.
2.1.3.1. Chiếu sáng chính diện (Front lighting)
Nguồn sáng đặt ngay sau điểm nhìn của người xem, thường thấy trong chụp ảnh với đèn flash và không thực sự hấp dẫn nếu nguồn sáng quá mạnh – trừ một số trường hợp ngoại lệ, các nguồn sáng nhẹ đặt chính diện có thể cho ra các bức ảnh rất thu hút.
Nguồn sáng chính diện không có nhiều tác dụng trong việc mô tả hình dáng hình học hay kết cấu của vật thể vì lúc này bóng đổ hầu như bị che khuất phía sau khung hình, kết của là nó làm cho mọi thứ trong phẳng hơn. Tuy nhiên một nguồn sáng khuếch tán nhẹ đặt chính diện giúp tôn lên vẻ đẹp của chủ thể vì lý do – nó giúp che đi các nếp nhăn, khuyết điểm của chủ thể, vốn thường được dùng tong chụp ảnh chân dung hoặc chụp hình sản phẩm.
32
Nguồn sáng bên rất hữu dụng trong miêu tả hình dáng và kết cấu của chi tiết, đem đến cái nhìn chân thật hơn về chủ thể trong không gian ba chiều. Kết quả cho ta bón đổ rõ nét và độ tương phản cao. Nguồn sáng bên có thể được dùng để tạo bóng đổ nổi bật lên các bề mặt như tường, sàn, tạo không gian cho bức hình. Việc sử dụng nguồn sáng bên thường tạo độ thu hút và cho ra các hiệu ứng ấn tượng: đây là
loại nguồn sáng có thể bắt gặp vào buổi sáng sớm hoặc chiều tối, cũng như khá thường thấy trong nhiếp ảnh và làm phim.
Hạn chế của việc sử dụng nguồn sáng bên là một phần của bức hình có thể bị mất đi trong phần bóng đổ và nó có khả năng bộc lộ các thiếu sót của chủ thể như nếp nhăn hoặc nhược điểm. Trong chụp ảnh chân dung, nguồn sáng bên thường được dùng chụp nam giới hơn là nữ giới vì bức hình sẽ trông khá thô ráp, đặc biệt là khi có bóng đổ sắc cạnh, kém mềm mại.
2.1.3.3. Chiếu sáng phía sau (Back lighting)
Người xem hướng mắt về phía nguồn sáng, các chủ thể có phần cạnh bao bị khuất phía sau sẽ được thắp sáng và hiển thị dưới dạng bóng rọi hoặc làm mờ bằng một nguồn sáng phụ. Độ tương phản cao, tạo cảm giác rộng mở và kịch tính. Nếu nguồn sáng đặt xén
một góc nhỏ so với tia hướng nhìn, chủ thể sẽ xuất hiện một vành sáng do một hoặc một số góc cạnh của chủ thể đó tạo ra, nguồn sáng càng mạnh thì vành sáng này càng hiển thị rõ nét.
33
Các khung cảnh ngược sáng thường tạo ra nhiều bóng đổ phía trước chủ thể, trừ khi nguồn sáng phía sau rất nhẹ. Trong hầu hết các trường hợp, bức hình sẽ có màu tối chủ đạo, đi kèm với một vùng sáng nổi bật. Các vành sáng xuất hiện trong trường hợp này sẽ rất hữu
ích trong việc làm nổi bật các đường nét của chủ thể. Một đặc điểm khác của loại nguồn sáng này là nó giúp biểu lộ các chi tiết có tính trong suốt, tính mờ đục, các kết cấu hoặc chi tiết vùng bóng rọi và vùng vành sáng. Loại nguồn sáng này cũng rất hữu ích trong việc tạo thêm điểm nhấn thu hút cho bức hình.
34
Nguồn sáng từ phía trên (Top Lighting) là một trường hợp ít gặp hơn, mặc dù nó vẫn khá phổ biến trong những ngày trời mây, ít nắng. Có thể quan sát hiện tượng này lúc trời nắng giữa trưa, trong các công trình nội thất, ánh sáng đèn sân khấu, …. Với nguồn sáng nhẹ, đây là một
cách khá hữu dụng trong việc miêu tả hình dáng chi tiết. Dưới nguồn sáng mạnh, nó lại đem đến cảm giác huyền ảo bằng cách tạo ra các bóng đổ kịch tính, che đi hầu hết hình dáng của chủ thể bên dưới: ví dụ như người đứng ngay dưới nguồn sáng mạnh sẽ có hốc mắt màu đen vì vùng mắt lúc này hoàn toàn nằm trong vùng bóng đổ và không có ánh sáng truyền tới.
35
Dạng nguồn sáng từ dưới lên thậm chí còn hiếm gặp hơn nhiều so với nguồn sáng từ trên. Trong thực tế, hiện tượng này có thể xảy ra khi một người cầm đèn hay ngọn đuốc, khi đó sẽ có ánh sáng phản chiếu từ bên dưới như từ mặt nước chẳng hạn. Lúc này cách xuất hiện của mọi vật trong khung cảnh sẽ rất khác
biệt, và bị đảo ngược (tương tự như khi một người dùng đèn pin soi sáng khuôn mặt họ từ dưới lên vậy: bóng đổ sẽ xuất hiện lộn ngược lên trên).
Sự hiếm gặp của loại nguồn sáng này có thể được sử dụng để cho ra các hiệu ứng vô cùng độc đáo và sáng tạo. Nó khiến chúng ta bất chợt nhận thấy các sự vật dường như có gì đó không đúng hay trái với thực tế và đó chính là cách mà ta nên vận dụng yếu tố ánh sáng để truyền tải thông điệp hoặc cảm xúc đến người xem.
Chiếu sáng khuôn mặt từ bên dưới tạo cảm giác ma quỷ và bất thường, kể cả ánh mắt cũng trông rất khác lạ do sự sắp xếp đảo lộn này. Hãy chú ý đến góc
36
So sáng nó với các bức ảnh ở phần trước: cũng là một khôn mặt, chỉ có vị trí của nguồn sáng là thay đổi nhưng kết quả cho ra thì hoàn toàn khác biệt.
2.2. Kỹ thuật Phong Shading
Phong Shading dùng để chỉ một tập hợp các kỹ thuật trong đồ họa máy tính 3D. Phong Shading bao gồm mô hình của sự phản chiếu ánh sáng từ các bề mặt và một phương pháp ước tính màu sắc điểm ảnh bằng những dạng bình thường của bề mặt nội suy trên những đa giác định dạng.
Mô hinh phản chiếu có thể là “mô hình phản chiếu Phong – Phong refection model”, “Phong illumination” hay “Phong lighting”. Cũng có thể gọi là “Phong shading” nếu đó là bóng điểm ảnh hoặc những nơi mà tính toán ánh sáng có thể gọi là “shading – bóng”.
Phong refection là mô hình thực hiện chiếu sáng cục bộ. Nó mô tả cách mà một bề mặt phản xạ ánh sáng như là sự kết hợp giữa phản xạ khuyết tán ở các bề mặt thô ráp với phản xạ phản chiếu ở các bề mặt sáng bóng. Nó dựa trên quan sát:
bề mặt sáng bóng có những điểm phản chiếu cường độ nhỏ, trong bề mặt mờ đục có những điểm phản chiếu lớn và giảm đi từ từ.
Với mỗi nguồn sáng trong một khung cảnh, chúng ta xác định các thành phần is vàid như những cường độ (thường là những giá trị RGB) của thành phần phản chiếu và khuếch tán của nguồn sáng tương ứng. Một giá trị ia kiểm soát sự phát ánh sáng xung quanh, nó thỉnh thoảng được tính từ sự đóng góp của tất cả các nguồn sáng.
37
ks: Sự phản xạ ánh sáng phản chiếu không đổi, tỉ lệ phản xạ của ánh sáng phản chiếu so với tổng ánh sáng tới bề mặt.
kd: Sự phản xạ ánh sáng khuếch tán không đổi, tỉ lệ phản xạ của ánh sáng khuếch tán so với tổng ánh sáng tới bề mặt.
ka: Sự phản xạ ánh sáng xung quanh không đổi, tỉ lệ phản xạ của ánh sáng xung quanh biểu hiện trên tất cả các điểm trên bề mặt quan sát.
α: Là một hằng số bóng sáng của loại vật liệu này, loại vật liệu lớn hơn dành cho các bề mặt loại nhẵn hơn và có các đặc tính giống gương hơn.
Hơn nữa, chúng ta cũng xác định được ánh sáng là tập các nguồn sáng, L là vectơ howngs từ điểm trên bề mặt tới mỗi nguồn sáng, N là pháp tuyến tại mỗi điểm trên bề mặt, R là hướng của tia phản xạ lí tưởng từ điểm đó trên bề mặt, V là hướng từ điểm đó đến người quan sát (ví dụ như một máy quay ảo).
Tiếp đó mô hình Phong cung cấp một phương trình để tính toán giá trị “shading – bóng” Ip của mỗi điểm mặt:
𝐼𝑝 = 𝑘𝑎𝑖𝑎 + ∑ (𝑘𝑑(𝐿𝑚. 𝑁)𝑖𝑑+ 𝑘𝑠(𝑅𝑚. 𝑉)∝𝑖𝑠)
𝑚 ∈ 𝑙𝑖𝑔ℎ𝑡𝑠
Thời gian khuếch tán không bị ảnh hưởng bởi người quan sát (V). Thời gian phản chiếu lớn chỉ khi hướng người quan sát (V) thẳng hàng (trùng) với hướng phản xạ R. Sự lệch nhau giữa hai góc V và R được đo bằng α độ lớn của cosin góc giữa chúng. Cosin của góc giữa vectơ R và V tương ứng với “dot product” của chúng. Khi α lớn, trường hợp gần giống như phản xạ của gương, những điểm phản chiếu sẽ nhỏ bởi vì bất cứ điểm quan sát nào không thẳng hàng với tia phản xạ sẽ có cosin nhỏ và tiến tới không khi tăng dần cường độ chiếu sáng.
Khi chúng ta có các thông số đại diện cho màu sắc như giá trị RGB, phương trình này thông thường sẽ tính riêng cho từng cường độ R,G và B.
38
Mặc dù cách xây dựng trên là phổ biến trong việc biểu diễn mô hình Phong, một thuật ngữ cụ thể trong tổng chỉ nên được bao gồm nếu nó là tích cực, tức là, một cách chính thức, phương trình chưa chính xác.
2.3. Kỹ thuật phản chiếu ngược Phong Shading
Mô hình phản chiếu bóng Phong là một đánh giá gần đúng với các đối tượng trong cuộc sống thực. Nghĩa là phương trình Phong có thể áp dụng được cho bóng quan sát được trong một bước ảnh có pháp tuyến bề mặt của những vật thể nhìn thấy được. Đảo ngược dùng để chỉ định tính toán những pháp tuyến nhất định nhằm xác định một bức ảnh là tự nhiên hay đã qua chỉnh sửa.
Mô hình phản chiếu Phong chứa rất nhiều thông số, như là thông số phản chiếu bề mặt (albedo), cái thông số mà có thể thay đổi bên trong chính bản thân đối tượng. Do vậy, những pháp tuyến của một đối tượng chỉ có thể xác định bằng cách dựa vào những thông tin như số loại ánh sáng, hướng chiếu sáng và các thông số phản xạ.
Ví dụ chúng ta có một đối tựng hình trụ, như là một ngón tay chẳng hạn và muốn tính toán pháp tuyến N = [NX, NZ] trên một dòng trên đối tượng. Giải sử chỉ có một loại ánh sáng, không có phản xạ phản chiếu, và những thông số phản xạ đã biết (xấp xỉ) không thay đổi. Chúng ta có thể đơn giản hóa phương trình Phong như sau:
𝐼𝑝(𝑥) = 𝐶𝑎 + 𝐶𝑑(𝐿(𝑥). 𝑁(𝑥))
Với 𝐶𝑎− một hằng số ứng với sự phản ánh sáng xung quan và 𝐶𝑑− một hằng số ứng với sự phát ánh sáng khuếch tán. Ta có thể viết lại phương trình như sau:
𝐼𝑝(𝑥) − 𝐶𝑎
𝐶𝑑 = 𝐿(𝑥). 𝑁(𝑥)
Có thể viết lại trong một dòng đối với các đối tượng hình trụ là:
39
Ví dụ nếu hướng ánh sáng là 450 nằm trên các đối tượng L = [0.71,0.71] ta nhận được hai phương trình với hai ẩn.
(Ip – Ca)/Cd = 0.71Nx + 0.71Nz
1 = √(𝑁𝑥2+ 𝑁𝑧2)
Trong khả năng của hai phương trình có hai giải pháp có thể dùng cho hướng bình thường. do vậy một số thông tin trước về hình học là cần thiết để xác định đúng hướng. Các pháp tuyến trực tiếp liên quan đến góc nghiêng của các đường bên bề mặt vật thể. Do đó các pháp tuyến cho phép tính toán của chiều cao bề mặt tương đối của đường kẻ trên đối tượng sử dụng một đường dây tích hợp, nếu giả sử bề mặt là liên tục.
Nếu vật thể không phải là hìnhh cầu, ta có 3 ẩn N = [Nx,Ny,Nz]. Tiếp đó hai phương trình vẫn cho phép pháp tuyến quay quanh các vectơ quan sát, do đó những kiến thức về hình học là bắt buộc có. Ví dụ như với việc nhận dạng khuôn mặt những đặc điểm về hình học có thể thu được bằng cách sử dụng phương pháp phân tích kết cấu chính (PCA) trên một cơ sở dữ liệu về độ sâu của khuôn mặt, chỉ cho phép sử dụng giải pháp pháp tuyến bề mặt cái mà đã được thành lập trên cơ sở dân số.
2.4. Kỹ thuật Gouraud Shading
Đa dạng bóng Gouraud
40
một đối tượng. Trong thực tế, Gouraud shading được sử dụng để đạt được ánh sáng mịn trên bề mặt đa giác thấp (low polydon) mà không có các yêu cầu nặng nề về tính toán chiếu sáng cho mỗi điểm ảnh. Gouraud công bố lần đầu tiên kỹ thuật này vào năm 1971, sau khi phát minh ra Le Sapot.
*. Các nguyên tắc sử dụng phương pháp
Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là: Một cách tính pháp tuyến bề mặt của mỗi đỉnh trong một mô hình 3D là pháp tuyến này được tạo nên bởi trung bình các pháp tuyến bề mặt của những hình đa giác có chung đỉnh đó. Sử dụng cách tính này, ánh sáng tính toán dựa trên mô hình phản chiếu Phong, sau đó được điều chỉnh để tạo ra cường độ màu sắc ở các đỉnh. Cường độ điểm ảnh ở màn hình có thể được nội suy song tuyến (bilinearly interpolated) từ giá trị màu sắc được tính tại các đỉnh.
Sức mạnh và điểm yếu của Gouraud shading nằm ở khả năng nội suy của nó. Nội suy các giá trị màu sắc từ ba mẫu tính toán chiếu sáng là ít bộ xử lý chuyên sâu hơn rất nhiều so với thực hiện có tính toán cho mỗi điểm ảnh, như trong Phong shading. Tuy nhiên, hiệu ứng ánh sáng cục bộ (như điểm sáng phản chiếu, ví dụ ánh sáng phản chiếu trên bề mặt một quả táo) không được trả lại một cách chính