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 xác và nếu một điểm sáng nằm ở giữa của một đa giác, nhưng không chạm tới đỉnh đa giác, nó sẽ không được rõ ràng trong sự biểu diễn Gouraud; ngược lại, nếu một điểm sáng tại đỉnh của một đa giác, nó sẽ được đưa ra đúng tại đỉnh này (vì đây là nơi mà các mô hình chiếu sáng được áp dụng), nhưng sẽ được lan truyền không tự nhiên (có chỉnh sửa) trên tất cả các đa giác lân cận bằng phương pháp nội suy. Vấn đề là dễ dàng nhận ra là trong quá trình biểu diễn phải có một điểm sáng di chuyển thông suốt trên bề mặt của một mô hình khi nó quay. Gouraud shading sẽ tạo ra một điểm sáng liên tục mờ dần trong và ngoài các phần của mô hình, đạt đỉnh ở cường độ khi làm điểm sáng đi ngang qua một đỉnh của mô hình để thay thế.
41
Mặc dù còn những hạn chế, Gouraud shading được xem là ưu việt hơn flat shading, cái mà đòi hỏi xử lý ít hơn đáng kể so với Gouraud, nhưng chỉ dùng các mô hình đa giác thấp.
*. So sánh các kỹ thuật chiếu sáng: Phong Shading, phản chiếu ngược Phong Shading, Gouraud Shading.
Kỹ thuật Gouraud shading có nhiều ưu điểm vượt trội so với kỹ thuật truyền thống Flat Shading - vốn yêu cầu một lượng lớn các phép xử lý tính toán, do đó sẽ không thích hợp trong các ứng dụng thời gian thực, đòi hỏi thời gian tính toán nhanh. Hơn nữa, với kỹ thuật Gouraud shading, ảnh kết quả sẽ mịn và có độ trơn hơn nhiều, không tạo ra hiệu ứng đa mặt trên đối tượng.
Tuy nhiên, so sánh với kỹ thuật Phong Shading thì Gouraud shading có một số điểm thuận lợi và hạn chế riêng. Thứ nhất, trong trường hợp bề mặt lưới đối tượng chứa nhiều điểm ảnh hơn so với các đỉnh của nó, quá trình nội suy các giá trị màu từ các mẫu tính toán độ sáng tại các đỉnh sẽ đơn giản hơn so với việc thực hiện tính toán độ sáng tại mỗi điểm ảnh như trong kỹ thuật Phong Shading. Tuy nhiên, nhược điểm của quá trình này là các hiệu ứng ánh sáng có cường độ cao và chói tại một số vị trí cục bộ nào đó (ví dụ như hiệu ứng làm nổi bật gương) sẽ không được hiển thị một cách đúng đắn và nếu ánh sáng nằm trong vùng giữa của một đa giác nhưng không trải đều ra các đỉnh của đa giác đó thì nó quá trình xử lý nội suy của kỹ thuật Gouraud Shading thường sẽ cho ra những kết quả không mong đợi. Ngược lại, nếu ánh sáng xuất hiện tại các đỉnh của đa giác, nó sẽ được hiển thị chính xác tại các đỉnh đó bởi vì mô hình nội suy Gouraud được áp dụng tại các đỉnh. Tuy nhiên, quá trình này cũng tạo ra một hiệu ứng phụ đó là ánh sáng
42
thuật Phong Shading) do tác động của quá trình nội suy. Nhược điểm này hiện rõ trên các trường hợp mà hiệu ứng làm nổi bật gương sẽ di chuyển từ từ trên bề mặt của đối tượng khi nó đang thực hiện chuyển động xoay. Để khắc phục một phần nhược điểm này, Gouraud Shading sẽ liên tiếp tạo ra các hiệu ứng ánh sánh mờ và ánh sáng trong trên một phạm vi lân cận của vị trí đang xét, tạo ra các đỉnh sáng khi mà hiệu ứng nổi bật gương di chuyển qua một đỉnh của mô hình. Quá trình này có thể tiếp tục được cải tiến bằng cách tăng cường độ sáng tại các đỉnh của đối tượng hoặc một giải pháp thay thế khác đó là áp dụng một kỹ thuật lát gạch thích nghi (tiling) để tăng cường độ sáng cho những vùng gần vị trí đang xét.
Những nhược điểm trình bày trên của kỹ thuật Gouraud Shading đã được khắc phục trong kỹ thuật chiếu sáng Phong Shading và Phong Reflection. Cụ thể là kỹ thuật Phong Shading tạo ra một sự xấp xỉ ánh sáng tốt hơn cho các bề mặt của đối tượng. Trong quá trình nội suy của Phong Shading, một vector pháp tuyến sẽ được nội suy tuyến tính trên phạm vi bề mặt của đa giác từ các vector pháp tuyến tại các đỉnh của đa giác đó. Bề mặt pháp tuyến của đa giác sau đó sẽ được nội suy và chuẩn hóa tại từng vị trí điểm ảnh và được dùng trong một mô hình phản chiếu ánh sáng sau này (ví dụ mô hình Phong Reflection) để nhận được một giá trị nội suy màu cuối cùng. Tuy nhiên, nhược điểm chính của kỹ thuật Phong Shading so với Gouraud Shading đó là độ phức tạp tính toán tăng lên rất nhiều bởi vì mô hình phản xạ Phong Reflection sẽ được tính toán tại mỗi điểm ảnh thay vì tại mỗi đỉnh của đa giác như là trong Gouraud Shading. Nhìn chung, mô hình Phong Shading và Phong Reflection làm việc hiệu quả hơn Gouraud Shading khi mà chúng được áp dụng cho các hiệu ứng làm nổi bật gương ở mức độ vừa phải và nhỏ. Hơn nữa, mặc dù mô hình Phong Reflection có nhược điểm là tính toán phức tạp, tuy nhiên có các giải pháp cài đặt thay thế khác giúp giảm thiểu độ phức tạp tính toán mà không làm mất đi nhiều hiệu quả chiếu sáng, ví dụ như Blinn – Phong shading model. Các kỹ thuật Phong Shading và Phong Reflection thường được sử dụng đồng thời với nhau để tạo ra các hiệu ứng chiếu sáng trong đồ họa 3D.
43
Chương 3. CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM