Đồ họa máy tính - Chiếu sáng và tạo bóng Illumination and Shading

ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH
Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy Chieáu saùng vaø taïo boùng 1/14
CHIEÁÁU SAÙÙNG VAØØ TAÏÏO BOÙÙNG
ILLUMINATION AND SHADING
Light source
Illumination
Shading
ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH
Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy Chieáu saùng vaø taïo boùng 2/14
Thuaäät ngöõõ duøøng trong Computer graphics
• Illumination: söï chuyeån taûi doøng
aùnh saùng töø nguoàn saùng ñeán caùc
ñieåm trong khoâng gian moät caùch
tröïc tieáp hay giaùn tieáp.
• Lighting: qui trình tính toaùn ñoä
saùng phaûn xaï töø moät ñoái töôïng
3D.
• Shading: qui trình gaùn moät giaù trò maøu cho 1 pixel.
Light source (LS)
• Caùc thuoäc tính cuûa nguoàn saùng:
♦ Phoå phaùt saùng (maøu saéc)
♦ Thuoäc tính hình hoïc (vò trí,
höôùng)
♦ Ñoä suy giaûm ñònh höôùng
• Nhìn thaáy moät vaät theå = nhìn thaáy aùnh saùng ñeán töø caùc
beà maët cuûa vaät theå.
• AÙnh saùng naøy xuaát phaùt töø caùc nguoàn saùng khaùc nhau
xung quanh vaät theå. Neáu vaät theå laø trong suoát (khoâng
phaûn xaï) ta chæ coù theå thaáy aùnh saùng xuaát phaùt töø caùc
nguoàn saùng naèm ngay sau vaät theå.
• Coù 2 loaïi nguoàn saùng cô baûn:
♦ Caùc nguoàn töï phaùt saùng (maët trôøi, caùc boùng ñeøn, ..)
♦ Caùc nguoàn saùng phaûn chieáu (caùc vaät theå ñöôïc chieáu saùng
bôûi caùc nguoàn töï phaùt saùng nhö böùc töôøng, göông, ...).
ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH
Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy Chieáu saùng vaø taïo boùng 3/14
• Khi kích thöôùc cuûa nguoàn saùng nhoû so vôùi kích thöôùc cuûa
vaät theå ñöôïc chieáu saùng ta goïi noù laø nguoàn saùng ñieåm.
• Caùc nguoàn saùng khoâng thuoäc loaïi naøy ñöôïc goïi laø caùc
nguoàn saùng phaân boá (ví duï ngoïn ñeøn neâon naèm ôû gaàn
vaät theå).
• Chuùng ta seõ chuû yeáu xeùt baøi toaùn taïo boùng vôùi caùc nguoàn
saùng ñieåm.
Illumination
• Muïc ñích:
♦ Moâ hình trong maùy tính ñeå moâ phoûng …

 Söï phaùt saùng taïi caùc nguoàn saùng

 Söï taùn xaï taïi caùc beà maët

 Söï thu nhaän taïi camera (eye)
♦ Caùc ñieàu mong ñôïi töø nhöõng moâ hình naøy …

 Ñuùng ñaén, chính xaùc

 Ngaén goïn, suùc tích

 Hieäu quaû trong tính toaùn
ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH
Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy Chieáu saùng vaø taïo boùng 4/14
• Illumination goàm hai thaønh phaàn:
♦ Caùc nguoàn saùng
♦ Ñaëc tính cuûa caùc maët trong caûnh

 Phoå phaûn chieáu (maøu)

 Thuoäc tính hình hoïc (vò trí, höôùng, caáu truùc vi moâ)

 Ñoä haáp thu
• Moät soá giôùi haïn qui ñònh bôûi haàu heát caùc heä ñoà hoaï:
♦ Chæ coù direct illumination töø nguoàn töï phaùt saùng ñeán caùc
nguoàn saùng phaûn chieáu.
♦ Boû qua thuoäc tính hình hoïc cuûa caùc nguoàn töï phaùt saùng.
Chæ quan taâm ñeán thuoäc tính hình hoïc cuûa caùc nguoàn
saùng phaûn chieáu.
Khi chöa qua Illumination Khi ñaõ aùp duïng Illumination
ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH
Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy Chieáu saùng vaø taïo boùng 5/14
Nguoààn saùùng xung quanh (Ambient LS)
• Ngay khi caùc ñoái töôïng khoâng ñöôïc chieáu saùng tröïc tieáp,
ta vaãn coù theå nhìn thaáy chuùng. Nguyeân nhaân laø ñoái
töôïng vaãn ñöôïc chieáu saùng bôûi aûnh saùng phaûn xaï töø caùc
ñoái töôïng gaàn noù theo khaép moïi höôùng. Phöông phaùp
thöôøng duøng ñeå moâ hình loaïi aùnh saùng naøy laø duøng moät
nguoàn saùng xung quanh.
• Nguoàn saùng xung quanh khoâng coù thuoäc tính khoâng gian
cuõng nhö höôùng. Löôïng aùnh saùng xung quanh ñeán vôùi
moïi vaät laø nhö nhau. AÙnh saùng xung quanh naøy coù theå
coù maøu saéc xaùc ñònh.
• Löôïng aùnh saùng xung quanh ñöôïc phaûn xaï bôûi moät ñoái
töôïng ñoäc laäp vôùi vò trí vaø höôùng cuûa noù trong khoâng
gian. Thuoäc tính cuûa caùc beà maët thöôøng ñöôïc duøng ñeå
xaùc ñònh löôïng aùnh saùng xung quanh ñöôïc phaûn xaï naøy.
Nguoààn saùùng ñònh höôùùng (Directional LS)
• Taát caû caùc tia saùng töø nguoàn saùng ñònh höôùng ñeàu ssong
nhau vaø khoâng coù taâm phaùt saùng (origin). Ñieàu naøy coù
nghóa nguoàn saùng ñaët ôû voâ cöïc (Maët trôøi laø moät ví duï).
ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH
Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy Chieáu saùng vaø taïo boùng 6/14
• Höôùng töø moät beà maët ñeán nguoàn saùng laø thoâng tin quan
troïng ñeå tính aùnh saùng phaûn chieáu töø maët. Vôùi moät
nguoàn saùng ñònh höôùng, höôùng naøy laø coá ñònh cho moïi
ñoái töôïng.
• Moãi nguoàn saùng thuoäc loaïi naøy coù maøu xaùc ñònh.
Nguoààn saùùng ñieååm (Point LS)
• Caùc tia saùng töø nguoàn saùng ñieåm toaû ra khaép nôi. Nhieàu
nguoàn saùng coù theå xaáp xæ toát baèng loaïi nguoàn saùng naøy.
Boùng ñeøn troøn laø moät ví duï.
• Höôùng cuûa caùc tia saùng seõ thay ñoåi vôùi caùc ñieåm khaùc
nhau treân beà maët. Nhö vaäy, ta phaûi tính vector chæ
phöông cho moãi ñieåm:
lp
lpd










−
−
=
• Trong ñoù kc, kl, kq laø caùc heä soá suy giaûm theo khoaûng
caùch d.
ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH
Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy Chieáu saùng vaø taïo boùng 7/14
Caùùc nguoààn saùùng khaùùc
• Spotlight (ñeøn pha):
♦ laø moät nguoàn saùng ñieåm nhöng aùnh saùng taäp trung theo
moät höôùng duy nhaát (ñeàn maøu trong saân khaáu).
♦ xaùc ñònh bôûi maøu saéc, vò trí nguoàn saùng, höôùng vaø caùc
tham soá khaùc ñònh nghóa möùc ñoä phuû saùng
• Nguoàn saùng vuøng (Area LS)
♦ Nguoàn saùng vuøng coù daïng moät vuøng 2 chieàu (thöôøng laø
polygon hay disk).
♦ Taïo ra caùc boùng dòu (soft shadow)
ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH
Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy Chieáu saùng vaø taïo boùng 8/14
Söïï phaûûn xaïï khuyeáách taùùn (difuse reflection)
• Giaû söû beà maët cuûa vaät theå hoaøn toaøn baèng phaúng. AÙnh
saùng khuyeách taùn töø beà maët naøy theo moïi höôùng seõ nhö
nhau.
Luaäät Lambert's Cosine
• Söï phaûn xaï khuyeách taùn tuaân theo luaät Lambert's
Cosine.
• Luaät Lambert's Cosine: naêng löôïng phaûn xaï khuyeách taùn
tæ leä thuaän vôùi cos cuûa goùc taïo bôûi tia saùng tôùi vaø normal
cuûa beà maët.
• Cöôøng ñoä saùng coù theå ñöôïc tính theo coâng thöùc:
trong ñoù, lightI laø cöôøng ñoä saùng cuûa aùnh saùng tôùi, kd laø
heä soá phaûn xaï (0 ≤ kd ≤ 1).
ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH
Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy Chieáu saùng vaø taïo boùng 9/14
Ví duïï veàà difuse reflection
• Ta chæ caàn xem xeùt caùc tia saùng coù goùc tôùi trong khoaûng
töø 00 ñeán 900 vì khi goùc lôùn hôn 900, naêng löôïng seõ baèng
0 do vaät theå caûn trôû. Sau ñaây laø moät soá hình aûnh chieáu
saùng maët caàu vôùi caùc tia saùng khaùc nhau:
Söïï phaûûn xaïï göông (specular reflection)
• Giaû söû beà maët cuûa vaät theå hoaøn toaøn baèng phaúng. AÙnh
saùng khuyeách taùn töø beà maët naøy theo moïi höôùng seõ nhö
nhau.
Luaäät Snell's
• Söï phaûn xaï göông hoaït ñoäng tuaân theo luaät Snell. Luaät
naøy ñöôïc phaùt bieåu nhö sau:
♦ Tia tôùi, tia phaûn xaï vaø normal cuûa maët naèm trong cuøng
moät maët phaúng.
♦ Goùc tôùi baèng goùc phaûn xaï.
ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH
Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy Chieáu saùng vaø taïo boùng 10/14
• Tuy nhieân, luaät Snell chæ ñuùng vôùi pheùp phaûn xaï göông
lyù töôûng, nghóa laø beà maët phaûi trôn, phaúng tuyeät ñoái.
Trong thöïc teá, seõ coù moät chuøm tia phaûn xaï tieäm caän hai
beân tia phaûn xaï lyù töôûng (xem hình treân).
• Noùi chung, ta coù theå giaû thieát phaàn lôùn naêng löôïng taäp
trung vaøo tia phaûn xaï lyù töôûng. Caøng xa tia naøy, löôïng
aùnh saùng phaûn xaï caøng ít.
Phong Illumination
• Moät haøm thoâng duïng duøng ñeå xaùc ñònh löôïng aùnh saùng
treân ñöôïc goïi laø Phong Illumination model:
( ) shinynlightspecular II φcos=
• Ta thaáy, cos(φ) cöïc ñaïi khi φ = 0 vaø trieät tieâu khi φ = 900.
nshiny laø heä soá trôn cuûa beà maët.
ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH
Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy Chieáu saùng vaø taïo boùng 11/14
Shading
• Laøm theá naøo söû duïng Illumination ñeå taïo ra moät aûnh ?
Flat Shading
• ÖÙng vôùi moãi polygon, tính moät Illumination
• Phöông phaùp naøy raát phuø hôïp vôùi caùc ñoái töôïng ñaõ ñöôïc
chieáu saùng bôûi caùc directional LS (ôû voâ cöïc).
ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH
Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy Chieáu saùng vaø taïo boùng 12/14
Gouraud Shading
• Laøm trôn ôû vuøng bieân giöõa caùc polygon döïa treân caùc
normal chung. Duøng phöông phaùp noäi suy.
• Thích hôïp khi shading caùc maët cong, gaây caûm giaùc toát
veà ñoä cong.
• Moãi caïnh polygon seõ ñöôïc tính Illumination 1 laàn.
• Duøng pheùp noäi suy song tuyeán tính thoâng qua vieäc queùt
moät scanline töø treân xuoáng.
ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH
Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy Chieáu saùng vaø taïo boùng 13/14
Phong Shading
• Moãi ñieåm phaûi tính toaùn moät laàn.
• Tính giaù trò xaáp xæ cuûa normal taïi moãi ñieåm treân beà maët
baèng phöông phaùp noäi suy song tuyeán tính töø normal taïi
caùc goùc.
• Noäi suy song tuyeán tính doïc theo scanline töø treân xuoáng:
ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH
Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy Chieáu saùng vaø taïo boùng 14/14