Bài giảng Chiếu sáng và tạo bóng Illimination and shading

ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 1/14 CHIẾÁU SÁÙNG VÀØ TẠÏO BÓÙNG ILLUMINATION AND SHADING Light source Illumination Shading ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 2/14 Thuậät ngữõ dùøng trong Computer graphics • Illumination: sự chuyển tải dòng ánh sáng từ nguồn sáng đến các điểm trong không gian một cách trực tiếp hay gián tiếp. • Lighting: qui trình tính toán độ sáng phản xạ từ một đối tượng 3D. • Shading: qui trình gán một giá trị màu cho 1 pixel. Light source (LS) • Các thuộc tính của nguồn sáng: ♦ Phổ phát sáng (màu sắc) ♦ Thuộc tính hình học (vị trí, hướng) ♦ Độ suy giảm định hướng • Nhìn thấy một vật thể = nhìn thấy ánh sáng đến từ các bề mặt của vật thể. • Ánh sáng này xuất phát từ các nguồn sáng khác nhau xung quanh vật thể. Nếu vật thể là trong suốt (không phản xạ) ta chỉ có thể thấy ánh sáng xuất phát từ các nguồn sáng nằm ngay sau vật thể. • Có 2 loại nguồn sáng cơ bản: ♦ Các nguồn tự phát sáng (mặt trời, các bóng đèn, ..) ♦ Các nguồn sáng phản chiếu (các vật thể được chiếu sáng bởi các nguồn tự phát sáng như bức tường, gương, ...). ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 3/14 • Khi kích thước của nguồn sáng nhỏ so với kích thước của vật thể được chiếu sáng ta gọi nó là nguồn sáng điểm. • Các nguồn sáng không thuộc loại này được gọi là các nguồn sáng phân bố (ví dụ ngọn đèn nêon nằm ở gần vật thể). • Chúng ta sẽ chủ yếu xét bài toán tạo bóng với các nguồn sáng điểm. Illumination • Mục đích: ♦ Mô hình trong máy tính để mô phỏng …
Sự phát sáng tại các nguồn sáng
Sự tán xạ tại các bề mặt
Sự thu nhận tại camera (eye) ♦ Các điều mong đợi từ những mô hình này …
Đúng đắn, chính xác
Ngắn gọn, súc tích
Hiệu quả trong tính toán ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 4/14 • Illumination gồm hai thành phần: ♦ Các nguồn sáng ♦ Đặc tính của các mặt trong 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 bởi hầu hết các hệ đồ hoạ: ♦ Chỉ có direct illumination từ nguồn tự phát sáng đến các nguồn sáng phản chiếu. ♦ Bỏ qua thuộc tính hình học của các nguồn tự phát sáng. Chỉ quan tâm đến thuộc tính hình học của các nguồn sáng phản chiếu. Khi chưa qua Illumination Khi đã áp dụng Illumination ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 5/14 Nguồàn sáùng xung quanh (Ambient LS) • Ngay khi các đối tượng không được chiếu sáng trực tiếp, ta vẫn có thể nhìn thấy chúng. Nguyên nhân là đối tượng vẫn được chiếu sáng bởi ảnh sáng phản xạ từ các đối tượng gần nó theo khắp mọi hướng. Phương pháp thường dùng để mô hình loại ánh sáng này là dùng một nguồn sáng xung quanh. • Nguồn sáng xung quanh không có thuộc tính không gian cũng như hướng. Lượng ánh sáng xung quanh đến với mọi vật là như nhau. Ánh sáng xung quanh này có thể có màu sắc xác định. • Lượng ánh sáng xung quanh được phản xạ bởi một đối tượng độc lập với vị trí và hướng của nó trong không gian. Thuộc tính của các bề mặt thường được dùng để xác định lượng ánh sáng xung quanh được phản xạ này. Nguồàn sáùng định hướùng (Directional LS) • Tất cả các tia sáng từ nguồn sáng định hướng đều ssong nhau và không có tâm phát sáng (origin). Điều này có nghĩa nguồn sáng đặt ở vô cực (Mặt trời là một ví dụ). ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 6/14 • Hướng từ một bề mặt đến nguồn sáng là thông tin quan trọng để tính ánh sáng phản chiếu từ mặt. Với một nguồn sáng định hướng, hướng này là cố định cho mọi đối tượng. • Mỗi nguồn sáng thuộc loại này có màu xác định. Nguồàn sáùng điểåm (Point LS) • Các tia sáng từ nguồn sáng điểm toả ra khắp nơi. Nhiều nguồn sáng có thể xấp xỉ tốt bằng loại nguồn sáng này. Bóng đèn tròn là một ví dụ. • Hướng của các tia sáng sẽ thay đổi với các điểm khác nhau trên bề mặt. Như vậy, ta phải tính vector chỉ phương cho mỗi điểm: lp lpd




− − = • Trong đó kc, kl, kq là các hệ số suy giảm theo khoảng cách d. ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 7/14 Cáùc nguồàn sáùng kháùc • Spotlight (đèn pha): ♦ là một nguồn sáng điểm nhưng ánh sáng tập trung theo một hướng duy nhất (đền màu trong sân khấu). ♦ xác định bởi màu sắc, vị trí nguồn sáng, hướng và các tham số khác định nghĩa mức độ phủ sáng • Nguồn sáng vùng (Area LS) ♦ Nguồn sáng vùng có dạng một vùng 2 chiều (thường là polygon hay disk). ♦ Tạo ra các bóng dịu (soft shadow) ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 8/14 Sựï phảûn xạï khuyếách táùn (difuse reflection) • Giả sử bề mặt của vật thể hoàn toàn bằng phẳng. Ánh sáng khuyếch tán từ bề mặt này theo mọi hướng sẽ như nhau. Luậät Lambert's Cosine • Sự phản xạ khuyếch tán tuân theo luật Lambert's Cosine. • Luật Lambert's Cosine: năng lượng phản xạ khuyếch tán tỉ lệ thuận với cos của góc tạo bởi tia sáng tới và normal của bề mặt. • Cường độ sáng có thể được tính theo công thức: trong đó, lightI là cường độ sáng của ánh sáng tới, kd là hệ số phản xạ (0 ≤ kd ≤ 1). ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 9/14 Ví dụï vềà difuse reflection • Ta chỉ cần xem xét các tia sáng có góc tới trong khoảng từ 00 đến 900 vì khi góc lớn hơn 900, năng lượng sẽ bằng 0 do vật thể cản trở. Sau đây là một số hình ảnh chiếu sáng mặt cầu với các tia sáng khác nhau: Sựï phảûn xạï gương (specular reflection) • Giả sử bề mặt của vật thể hoàn toàn bằng phẳng. Ánh sáng khuyếch tán từ bề mặt này theo mọi hướng sẽ như nhau. Luậät Snell's • Sự phản xạ gương hoạt động tuân theo luật Snell. Luật này được phát biểu như sau: ♦ Tia tới, tia phản xạ và normal của mặt nằm trong cùng một mặt phẳng. ♦ Góc tới bằng góc phản xạ. ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 10/14 • Tuy nhiên, luật Snell chỉ đúng với phép phản xạ gương lý tưởng, nghĩa là bề mặt phải trơn, phẳng tuyệt đối. Trong thực tế, sẽ có một chùm tia phản xạ tiệm cận hai bên tia phản xạ lý tưởng (xem hình trên). • Nói chung, ta có thể giả thiết phần lớn năng lượng tập trung vào tia phản xạ lý tưởng. Càng xa tia này, lượng ánh sáng phản xạ càng ít. Phong Illumination • Một hàm thông dụng dùng để xác định lượng ánh sáng trên được gọi là Phong Illumination model: ( ) shinynlightspecular II φcos= • Ta thấy, cos(φ) cực đại khi φ = 0 và triệt tiêu khi φ = 900. nshiny là hệ số trơn của bề mặt. ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 11/14 Shading • Làm thế nào sử dụng Illumination để tạo ra một ảnh ? Flat Shading • Ứng với mỗi polygon, tính một Illumination • Phương pháp này rất phù hợp với các đối tượng đã được chiếu sáng bởi các directional LS (ở vô cực). ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 12/14 Gouraud Shading • Làm trơn ở vùng biên giữa các polygon dựa trên các normal chung. Dùng phương pháp nội suy. • Thích hợp khi shading các mặt cong, gây cảm giác tốt về độ cong. • Mỗi cạnh polygon sẽ được tính Illumination 1 lần. • Dùng phép nội suy song tuyến tính thông qua việc quét một scanline từ trên xuống. ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 13/14 Phong Shading • Mỗi điểm phải tính toán một lần. • Tính giá trị xấp xỉ của normal tại mỗi điểm trên bề mặt bằng phương pháp nội suy song tuyến tính từ normal tại các góc. • Nội suy song tuyến tính dọc theo scanline từ trên xuống: ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 14/14