Đang tải... (xem toàn văn)
Thuật ngữ dùng trong Computer Graphic
ĐỒ HỌA MÁY TÍNH CHIẾU SÁNG VÀ TẠO BÓNG ILLUMINATION AND SHADING Light source Illumination Shading Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng tạo bóng 1/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Thuật ngữ dùng Computer graphics • Illumination: chuyển tải dòng ánh sáng từ nguồn sáng đến điểm không gian cách trực tiếp hay gián tiếp • Lighting: qui trình tính toán độ sáng phản xạ từ đối tượng 3D • Shading: qui trình gán giá trị màu cho pixel Light source (LS) • Các thuộc tính nguồn sáng: ♦ Phổ phát sáng (màu sắc) ♦ Thuộc tính hình học (vị trí, hướng) ♦ Độ suy giảm định hướng • Nhìn thấy vật thể = nhìn thấy ánh sáng đến từ bề mặt vật thể • Ánh sáng xuất phát từ nguồn sáng khác xung quanh vật thể Nếu vật thể suốt (không phản xạ) ta thấy ánh sáng xuất phát từ nguồn sáng nằm sau vật thể • Có loại nguồn sáng bản: ♦ Các nguồn tự phát sáng (mặt trời, bóng đèn, ) ♦ Các nguồn sáng phản chiếu (các vật thể chiếu sáng nguồn tự phát sáng tường, gương, ) Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng tạo bóng 2/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH • Khi kích thước nguồn sáng nhỏ so với kích thước vật thể chiếu sáng ta gọi nguồn sáng điểm • Các nguồn sáng không thuộc loại gọi nguồn sáng phân bố (ví dụ đèn nêon nằm gần vật thể) • Chúng ta chủ yếu xét toán tạo bóng với nguồn sáng điểm Illumination • Mục đích: ♦ Mô hình máy tính để mô … Sự phát sáng nguồn sáng Sự tán xạ bề mặt Sự thu nhận camera (eye) ♦ Các điều mong đợi từ mô hình … Đúng đắn, xác Ngắn gọn, súc tích Hiệu tính toán Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng tạo bóng 3/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH • Illumination gồm hai thành phần: ♦ Các nguồn sáng ♦ Đặc tính mặt cảnh Phổ phản chiếu (màu) Thuộc tính hình học (vị trí, hướng, cấu trúc vi mô) Độ hấp thu • Một số giới hạn qui định hầu hết hệ đồ hoạ: ♦ Chỉ có direct illumination từ nguồn tự phát sáng đến nguồn sáng phản chiếu ♦ Bỏ qua thuộc tính hình học nguồn tự phát sáng Chỉ quan tâm đến thuộc tính hình học nguồn sáng phản chiếu Khi chưa qua Illumination Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Khi áp dụng Illumination Chiếu sáng tạo bóng 4/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Nguồn sáng xung quanh (Ambient LS) • Ngay đối tượng không chiếu sáng trực tiếp, ta nhìn thấy chúng Nguyên nhân đối tượng chiếu sáng ảnh sáng phản xạ từ đối tượng gần theo khắp hướng Phương pháp thường dùng để mô hình loại ánh sáng dùng nguồn sáng xung quanh • Nguồn sáng xung quanh thuộc tính không gian hướng Lượng ánh sáng xung quanh đến với vật Ánh sáng xung quanh có màu sắc xác định • Lượng ánh sáng xung quanh phản xạ đối tượng độc lập với vị trí hướng không gian Thuộc tính bề mặt thường dùng để xác định lượng ánh sáng xung quanh phản xạ Nguồn sáng định hướng (Directional LS) • Tất tia sáng từ nguồn sáng định hướng ssong tâm phát sáng (origin) Điều có nghóa nguồn sáng đặt vô cực (Mặt trời ví dụ) Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng tạo bóng 5/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH • Hướng từ bề mặt đến nguồn sáng thông tin quan trọng để tính ánh sáng phản chiếu từ mặt Với nguồn sáng định hướng, hướng cố định cho đối tượng • Mỗi nguồn sáng thuộc loại có màu xác định Nguồn sáng điểm (Point LS) • Các tia sáng từ nguồn sáng điểm toả khắp nơi Nhiều nguồn sáng xấp xỉ tốt loại nguồn sáng Bóng đèn tròn ví dụ • Hướng tia sáng thay đổi với điểm khác bề mặt Như vậHy, ta phải tính vector phương cho điểm: H H p−l d= H H p−l • Trong kc, kl, kq hệ số suy giảm theo khoảng cách d Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng tạo bóng 6/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Các nguồn sáng khác • Spotlight (đèn pha): ♦ nguồn sáng điểm ánh sáng tập trung theo hướng (đền màu sân khấu) ♦ xác định màu sắc, vị trí nguồn sáng, hướng tham số khác định nghóa mức độ phủ sáng • Nguồn sáng vùng (Area LS) ♦ Nguồn sáng vùng có dạng vùng chiều (thường polygon hay disk) ♦ Tạo bóng dịu (soft shadow) Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng tạo bóng 7/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Sự phản xạ khuyếch tán (difuse reflection) • Giả sử bề mặt vật thể hoàn toàn phẳng Ánh sáng khuyếch tán từ bề mặt theo hướng Luật Lambert's Cosine • Sự phản xạ khuyếch tán tuân theo luật Lambert's Cosine • Luật Lambert's Cosine: lượng phản xạ khuyếch tán tỉ lệ thuận với cos góc tạo tia sáng tới normal bề mặt • Cường độ sáng tính theo công thức: đó, I light cường độ sáng ánh sáng tới, kd hệ số phản xạ (0 ≤ kd ≤ 1) Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng tạo bóng 8/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Ví dụ difuse reflection • Ta cần xem xét tia sáng có góc tới khoảng từ 00 đến 900 góc lớn 900, lượng vật thể cản trở Sau số hình ảnh chiếu sáng mặt cầu với tia sáng khác nhau: Sự phản xạ gương (specular reflection) • Giả sử bề mặt vật thể hoàn toàn phẳng Ánh sáng khuyếch tán từ bề mặt theo hướng Luật Snell's • Sự phản xạ gương hoạt động tuân theo luật Snell Luật phát biểu sau: ♦ Tia tới, tia phản xạ normal mặt nằm mặt phẳng ♦ Góc tới góc phản xạ Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng tạo bóng 9/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH • Tuy nhiên, luật Snell với phép phản xạ gương lý tưởng, nghóa bề mặt phải trơn, phẳng tuyệt đối Trong thực tế, có chùm tia phản xạ tiệm cận hai bên tia phản xạ lý tưởng (xem hình trên) • Nói chung, ta giả thiết phần lớn lượng tập trung vào tia phản xạ lý tưởng Càng xa tia này, lượng ánh sáng phản xạ Phong Illumination • Một hàm thông dụng dùng để xác định lượng ánh sáng gọi laø Phong Illumination model: I specular = I light (cos φ ) nshiny • Ta thấy, cos(φ) cực đại φ = triệt tiêu φ = 900 nshiny hệ số trơn bề mặt Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng tạo bóng 10/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Shading • Làm sử dụng Illumination để tạo ảnh ? Flat Shading • Ứng với polygon, tính Illumination • Phương pháp phù hợp với đối tượng chiếu sáng directional LS (ở vô cực) Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng tạo bóng 11/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Gouraud Shading • Làm trơn vùng biên polygon dựa normal chung Dùng phương pháp nội suy • Thích hợp shading mặt cong, gây cảm giác tốt độ cong • Mỗi cạnh polygon tính Illumination lần • Dùng phép nội suy song tuyến tính thông qua việc quét scanline từ xuống Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng tạo bóng 12/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Phong Shading • Mỗi điểm phải tính toán lần • Tính giá trị xấp xỉ normal điểm bề mặt phương pháp nội suy song tuyến tính từ normal góc • Nội suy song tuyến tính dọc theo scanline từ xuống: Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng tạo bóng 13/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng tạo boùng 14/14 ...ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Thuật ngữ dùng Computer graphics • Illumination: chuyển tải dòng ánh sáng từ nguồn sáng đến điểm không gian... chiếu sáng ảnh sáng phản xạ từ đối tượng gần theo khắp hướng Phương pháp thường dùng để mô hình loại ánh sáng dùng nguồn sáng xung quanh • Nguồn sáng xung quanh thuộc tính không gian hướng Lượng... vùng biên polygon dựa normal chung Dùng phương pháp nội suy • Thích hợp shading mặt cong, gây cảm giác tốt độ cong • Mỗi cạnh polygon tính Illumination lần • Dùng phép nội suy song tuyến tính