Chương 2 Kỹ thuật Raytracing
2.4.1.Raytracing phân tán
Khi thực hiện kỹ thuật Ray tracing phân tán, từ mỗi điểm trên bề mặt vật thể sẽ chiếu đi nhiều tia sáng để lấy mẫu về ánh sáng, độ phản chiếu hay nhiều hiệu ứng khác trong cảnh được mơ phỏng. Hình vẽ sau mơ tả một cây gồm các tia phản xạ và khúc xạ khi thực hiện Ray tracing phân tán. Nhìn hình ta có thể thấy khi sử dụng kỹ thuật Ray tracing phân tán có thể làm phát sinh một số lượng lớn tia sáng sau một vài lần va chạm với các bề mặt vật thể. Tuy nhiên, khi sử dụng kỹ thuật này việc quản lý các tia sáng phát sinh từ mỗi điểm trên các bề mặt vật thể lại khá dễ dàng, phương pháp thường được sử dụng đó là quản lý phân tầng các tia sáng.
37
Hình 2.11: Cây phản xạ và khúc xạ tia sáng với Ray tracing phân tán.
2.4.2. Ray tracing theo đƣờng
Ray tracing theo đường là một biến thể của kỹ thuật Ray tracing phân tán với mỗi điểm trên bề mặt vật thể chỉ xem xét một tia phản xạ hoặc khúc xạ. Kỹ thuật này tránh được sự bùng nổ số lượng tia sáng phát sinh sau mỗi va chạm, nhưng do việc thực hiện đơn giản nên dễ dẫn đến việc tạo những hình ảnh bị nhiễu. Để khắc phục nhược điểm này, tại mỗi điểm ảnh trên bề mặt vật thể sẽ được xem xét xử lý nhiều hơn một tia sáng, tuy nhiên số lượng các tia này được giới hạn. Kỹ thuật Ray tracing theo đường thể hiện nhiều ưu điểm khi thực hiện các hiệu ứng về camera như hiệu ứng độ sâu trường ảnh hay làm mờ chuyển động. Tuy nhiên, khi sử dụng kỹ thuật này việc quảy lý sự phân tán các tia phản xạ, khúc xạ phát sinh tương đối khó khăn so với kỹ thuật Ray tracing phân tán, nhất là việc quản lý phân tầng các tia sáng.
2.4.3. Đổ bóng với nguồn sáng hẹp
Nguồn sáng hẹp khi chiếu vào các vật thể tạo ra bóng đổ mềm. Đổ bóng
mềm là hiện tượng trên bề mặt chứa bóng đổ của vật thể tồn tại ba khu vực:
khu vực hoàn toàn sáng, khu vực hồn tồn tối (do bóng của vật thể) và khu vực nửa sáng nửa tối (gọi là vùng nửa tối). Đổ bóng mềm có thể được tính tốn mơ phỏng bằng cách chiếu các tia tạo bóng đổ tới các điểm ngẫu nhiên thuộc vùng được chiếu sáng bởi nguồn sáng hẹp.
Hình vẽ (a) mơ tả các tia tạo bóng đổ từ ba điểm trên mặt chứa bóng tới một nguồn sáng hẹp (hình tam giác nhỏ bên trên), trong đó có một số tia đã chạm qua vật thể. Hình (b) mơ tả đổ bóng mềm trong phối cảnh hai ấm trà. Trong ảnh này, nguồn sáng có hình cầu và bóng mềm được xử lý bằng kỹ thuật Ray tracing phân tán.
38
Hình 2.12: (a) Các tia đổ bóng với nguồn sáng hẹp; (b) Hai ấm trà đổ bóng mềm với nguồn sáng hẹp.
2.4.4. Đổ bóng với nguồn sáng rộng
Nguồn sáng rộng được hiểu là các nguồn sáng có kích thước cực lớn, ví dụ ánh sáng ban ngày. Đối với nguồn sáng rộng, trong khoảng cách nhất định với vật thể hầu như khơng tồn tại vùng hồn toàn tối cũng như vùng hoàn toàn sáng mà đa số đều là vùng nửa tối. Hình vẽ (a) mô tả các tia từ hai điểm trên bề mặt chứa bóng đổ tạo ra từ nguồn sáng rộng. Tại điểm bên trái hầu hết các tia đều chạm qua vật thể, do đó điểm này thuộc vùng nửa tối thiên về tối; tại điểm bên phải chỉ có một vài tia chạm qua vật thể, do đó điểm này thuộc vùng nửa tối thiên về sáng. Hình (b) mơ tả phối cảnh hai ấm trà trong điều kiện nguồn sáng rộng.
39
Hình 2.13: (a) Các tia đổ bóng với nguồn sáng rộng; (b) Hai ấm trà đổ bóng với nguồn sáng rộng.
2.4.5. Phản xạ bề mặt bóng
Phản xạ bề mặt bóng là việc các tia sáng phản xạ tại bề mặt nhẵn bóng của vật thể đang được mơ phỏng không xuất phát trực tiếp từ nguồn sáng mà được hắt lại từ một hoặc nhiều mặt khác, tạo ra các hình chiếu của các mặt khác đó trên bề mặt nhẵn bóng của vật thể đang mơ phỏng. Phản xạ bề mặt bóng với các tia sáng từ nguồn sáng gián tiếp như vậy được tính tốn bằng cách chiếu các tia theo hướng phản xạ phân tán tại bề mặt bóng. Với một hướng tia tới cho trước và một cặp số ngẫu nhiên sẽ hình thành nên mơ hình phản xạ và cho phép tính được hướng ra của tia phản xạ.
Hình vẽ sau mơ tả sự phản xạ bề mặt bóng của hai ấm trà. Sự phản xạ được tính tốn sử dụng mơ hình phản xạ bề mặt bóng của Ward (cịn gọi là mơ hình phản xạ đẳng hướng, mơ hình này khơng được nghiên cứu trong khuôn khổ luận văn).
Hình 2.14: (a) Hai ấm trà với hiệu ứng phản xạ bề mặt bóng; (b) Cận cảnh hiệu ứng phản xạ bề mặt bóng.
40
Tương tự việc xử lý hiệu ứng phản xạ bề mặt bóng, hiệu ứng khúc xạ tại bề mặt bóng cũng có thể được tính tốn bằng cách phân tán các tia theo hướng khúc xạ. Xử lý được hiệu ứng này cho phép ta mô phỏng các bề mặt có đặc tính trong mờ (ví dụ thủy tinh mờ hay kính màu).
2.4.6. Phản xạ khuếch tán
Một số nhà nghiên cứu đồ họa máy tính đã sử dụng kỹ thuật ray tracing phân tán rộng để mô phỏng trường hợp các tia tới là các tia khuếch tán. Phản xạ khuếch tán là hiện tượng một bề mặt được chiếu sáng bởi các nguồn sáng gián tiếp phản xạ từ các bề mặt gần đó và bị phủ bởi màu sắc của các bề mặt này. Ta có thể xem xét hình vẽ sau để hiểu rõ hơn về kỹ thuật mơ phỏng này. Trong hình vẽ hai ấm trà được đặt trong mơi trường khơng có nguồn sáng bao trùm khung cảnh. Bất kỳ ánh sáng nào có trong vùng bóng đổ bắt nguồn từ sự phản xạ khuếch tán của các nguồn sáng gián tiếp. Đặc biệt lưu ý cách các ô vuông trắng trên bề mặt ca-rô phản chiếu ánh sáng lên phần đáy của các ấm trà, và cách mà vòi của ấm trà bên phải hắt ánh sáng lên vùng thân ấm gần đó. Hiệu ứng này thường được gọi là hiệu ứng chảy màu (trong ví dụ này màu
được xét là màu trắng), cho phép mô phỏng một bề mặt được hắt sáng và phủ màu bởi một hoặc một số vật gần đó.
41
2.4.7. Độ sâu trƣờng ảnh
Trong thực tế, các máy ảnh được thiết kế với ống kính có khẩu độ hữu hạn, do vậy tại mỗi thời điểm chụp máy ảnh sẽ lựa chọn một tiêu cự nhất định. Khi đó các vật thể ở xa hơn tiêu cự được máy ảnh lựa chọn sẽ bị mờ đi. Trong đồ họa máy tính ta có thể mơ phỏng việc mở khẩu độ hữu hạn của máy ảnh bằng cách dò theo các tia sáng có nguồn và hướng chiếu xê dịch một khoảng nhất định như mơ tả trong hình (a) dưới đây. Hình (b) biểu diễn việc mơ phỏng hiệu ứng độ sâu trường ảnh như sau: ấm trà phía trước nằm gần như hồn toàn đúng tiêu cự của máy ảnh chụp, cịn ấm trà phía sau nằm ngồi tiêu cự.
Hình 2.16: (a) Đường đi của tia sáng gây ra độ mờ hữu hạn; (b) Hai ấm trà với hiệu ứng độ sâu trường ảnh.
2.4.8. Làm mờ chuyển động
Trong các máy ảnh thật khi tiến hành chụp một bức ảnh, cửa trập của máy ảnh cần một thời gian nhất định mới lưu giữ được đủ ánh sáng lên phim hoặc chip CCD. Nếu một vật thể đang chuyển động trong khoảng thời gian cửa trập mở để lưu giữ hình ảnh, trong hình ảnh được máy ảnh lưu giữ nó sẽ bị mờ đi. Để mơ phỏng được hiệu ứng này bằng kỹ thuật Ray tracing, ta có
42
thể chiếu các tia tại các thời điểm khác nhau trong khoảng thời gian mở cửa trập của máy ảnh. Trong quá trình ghi nhận kết quả mơ phỏng các tia sáng tới vật thể, ta sẽ giả định cho các vật thể chuyển động trong một khoảng thời gian nhất định.
Hình sau mơ tả việc hiển thị hai ấm trà bị mờ đi trong quá trình chuyển động: ấm trà sẫm màu đang di chuyển, trong khi đó ấm trà sáng màu vừa di chuyển vừa tự xoay quanh trục của nó. Như vậy các ấm trà đã bị làm mờ đi khi lên ảnh và các hình phản chiếu cũng như bóng của chúng cũng bị làm mờ đi.
43
Chƣơng 3
CHƢƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG
Chương 3. Chương trình ứng dụng
3.1. Bài tốn
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, chương trình thử nghiệm được cài đặt các thuật toán thể hiện nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật Ray tracing trong sinh ảnh ba chiều, mô phỏng các hiệu ứng đồ họa được xử lý bằng kỹ thuật Ray tracing, bao gồm:
- Hiệu ứng phản xạ. - Hiệu ứng khúc xạ. - Hiệu ứng đổ bóng. - Hiệu ứng tơ bóng.
3.2. Phân tích các yêu cầu đối với chƣơng trình cài đặt thử nghiệm kỹ thuật sinh ảnh trong khơng gian 3D theo hƣớng Ray-tracing.
Chương trình thử nghiệm được xây dựng sử dụng ngôn ngữ Visual C#, có thể sử dụng một số thư viện miễn phí về đồ họa ba chiều trên mạng Internet.
Chương trình thử nghiệm phải thể hiện được một hoặc một số hiệu ứng đồ họa trên cơ sở sử dụng kỹ thuật Ray tracing để sinh ảnh ba chiều. Các hiệu ứng đồ họa được lựa chọn sử dụng trong chương trình thử nghiệm trên cơ sở kỹ thuật Ray tracing là những hiệu ứng đã được đề cập trong khuôn khổ nội dung luận văn.
Chương trình thử nghiệm có chức năng lựa chọn riêng biệt hoặc đồng thời nhiều hiệu ứng được thể hiện trong việc sinh ảnh ba chiều.
44
Chương trình thử nghiệm có đồng hồ đếm thời gian tính đến miligiây để tính thời gian sinh ảnh sử dụng kỹ thuật Ray tracing, có chức năng lưu kết quả sinh ảnh.
Không gian ảnh được mô phỏng cần thiết kế hỗ trợ các tầm nhìn tồn cảnh, cận cảnh để thấy rõ được việc thể hiện các hiệu ứng đồ họa. Khuyến khích các đối tượng mơ phỏng trong chương trình thử nghiệm được xây dựng giống như các hình minh họa trong luận văn, ví dụ hai ấm trà, với mục đích minh họa tốt nhất các nội dung được nghiên cứu.
3.3. Chƣơng trình sinh ảnh RTRendering theo kỹ thuật Ray-tracing
Chương trình cài đặt thử nghiệm có tên là RTRendering (viết tắt của Ray Tracing Rendering) version 1.0. Giao diện chính của chương trình thử nghiệm gồm thanh menu với 03 chức năng chính: Lưu ảnh, Sinh ảnh và chọn Hiệu ứng. Thanh trạng thái hiển thị thời gian để sinh tạo một ảnh ba chiều sử dụng kỹ thuật Ray tracing. Phím tắt F5 để thực thi chương trình.
45
Menu [Hiệu ứng] cho phép lựa chọn riêng rẽ hoặc đồng thời ba hiệu ứng: Tơ bóng, Đổ bóng, Phản xạ.
Hình 3.2: Menu [Hiệu ứng] cho phép lựa chọn hiệu ứng hình ảnh.
Trong menu [Sinh ảnh] có 02 chức năng: thứ nhất, lựa chọn một trong hai cảnh tương ứng với khung nhìn tồn cảnh và khung nhìn cận cảnh; thứ hai, chức năng bắt đầu sinh ảnh với các hiệu ứng và cảnh được lựa chọn (tương ứng với phím tắt F5).
46
Hình 3.3: Menu [Sinh ảnh] với hai chức năng: Chọn cảnh và Bắt đầu.
Menu [Lưu ảnh] cho phép lưu lại ảnh sau khi kết xuất.
47
Một số kết quả ảnh ba chiều được sinh ra với các hiệu ứng đồ họa trên cơ sở sử dụng kỹ thuật Ray tracing:
Hình 3.5: 03 hiệu ứng đồ họa Hình 3.6: 02 hiệu ứng đồ họa
48
KẾT LUẬN
Kết luận
Sau một thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tác giả đã nắm bắt được các khái niệm tổng quát và các lý thuyết căn bản về kỹ thuật Ray tracing. Với nguyên tắc cơ bản nhất của kỹ thuật Ray tracing khi sinh tạo một hình ảnh 3D là việc mơ phỏng lại đường đi của mọi tia sáng trong khung cảnh và các hiệu ứng đồ họa mà các tia sáng tạo ra khi tiếp xúc các vật thể, Đề tài đã phân tích đầy đủ các trường hợp tiếp xúc của tia sáng với các dạng bề mặt vật thể, các vấn đề về xử lý những hiệu ứng đồ họa sinh ra do việc mô phỏng ánh sáng khi sinh tạo hình ảnh 3D
Luận văn đã thực hiện được tất cả các nội dung và đạt được các mục tiêu đề ra như trong bản đề cương đã được duyệt. Các kết quả đạt được bao gồm:
- Tìm hiểu khái quát về đồ họa 3D, các kỹ thuật kết xuất trong đồ họa 3D.
- Nghiên cứu các giải pháp xử lý tia sáng với các dạng bề mặt, xử lý các hiệu ứng sinh ra khi mô phỏng ánh sáng sử dụng kỹ thuật Ray tracing.
- Cài đặt thử nghiệm chương trình sinh ảnh 3D sử dụng kỹ thuật Ray tracing.
Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề mà luận văn chưa đề cập đến, một số hướng phát triển khác nữa có thể mở rộng như: xử lý điều kiện mô phỏng nhiều nguồn sáng, xử lý các bề mặt có kết cấu khác nhau, tính tốn độ phức tạp hình học trong kỹ thuật Ray tracing, xử lý song song đối với kỹ thuật Ray tracing.
Mặc dù tác giả đã có nhiều nỗ lực trong nghiên cứu và thực hiện đề tài, nhưng vì thời gian và trình độ có hạn, chắc chắn rằng luận văn không tránh
49
khỏi nhiều thiếu sót. Tác giả hy vọng rằng kỹ thuật Ray tracing trong việc sinh tạo hình ảnh ba chiều sẽ là đề tài tiếp tục nhận được nhiều sự quan tâm nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ trong thời gian tới./.
50
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tham khảo
Tiếng Việt
1. Nguyễn Thế Hùng (2002), Đồ họa máy tính và thiết kế - Computer Graphics and Design, Nxb Thống kê.
2. Tạ Văn Hùng (2001), Đồ Họa Máy Tính, Nxb Thống kê.
3. Lê Tấn Hùng, Huỳnh Quyết Thắng (2004), Đồ hoạ máy tính, tr40-50, Nxb Khoa học và Kỹ thuật.
4. Trần Giang Sơn (2008), Đồ họa máy tính trong khơng gian ba chiều, Nxb Khoa học và Kỹ thuật.
Tiếng Anh
5. Andrew S. Glassner (1989), An Introduction to Ray Tracing, Academic
Press.
6. Brian E. Smits, James R. Arvo, David H. Salesin (1992), “An importance- driven radiosity algorithm”, Computer Graphics.
7. Gordon Stoll, William R. Mark, Peter Djeu, Rui Wang, Ikrima Elhassan. Razor (2006), “An architecture for dynamic multiresolution ray tracing”,
Technical Report TR-06-21, University of Texas at Austin.
8. Henrik Wann Jensen, Per Christensen (2007), “Part1: Per Christensen”,
High Quality Rendering using Ray Tracing and Photon Mapping, pages
12-45.
9. Ingo Wald, Philipp Slusallek, Carsten Benthin, Michael Wagner (2001),
Interactive rendering with coherent raytracing, Computer Graphics
51
10. Ingo Wald, Steven G. Parker (2006), Proceedings of the IEEE Symposium
on Interactive Ray Tracing.
11. Oliver Abert, Markus Geimer, Stefan Müller (2006), “Direct and fast ray tracing of NURBS surfaces”, Proceedings of the IEEE Symposium on Interactive Ray Tracing 2006, pages 161-168.
12. Phong Bui Tuong (1975), “Illumination for computer generated pictures”,