Bài giảng Đồ họa máy tính - Chiếu sáng và tạo bóng

ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH

CHIEÁU SAÙNG VAØ TAÏO BOÙNG

Á Ù Ø Ï Ù

ILLUMINATION AND SHADING

Light source

Illumination

Shading

Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy

Chieáu saùng vaø taïo boùng 1/14

ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH

Thuaät ngöõ duøng trong Computer graphics

õ ø

ä

• 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, ...).

Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy

Chieáu saùng vaø taïo boùng 2/14

ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH

• 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

Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy

Chieáu saùng vaø taïo boùng 3/14

ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH

• 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

Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy

Chieáu saùng vaø taïo boùng 4/14

ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH

Nguoàn saùng xung quanh (Ambient LS)

à

ù

• 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.

Nguoàn saùng ñònh höôùng (Directional LS)

à

ù

• 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).

Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy

Chieáu saùng vaø taïo boùng 5/14

ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH

• 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.

Nguoàn saùng ñieåm (Point LS)

à

ù

å

• 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

H

p − l

H

phöông cho moãi ñieåm: ^d⁼

H

p − l

• Trong ñoù k_c, k_l, k_qlaø caùc heä soá suy giaûm theo khoaûng

caùch d.

Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy

Chieáu saùng vaø taïo boùng 6/14

ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH

Caùc nguoàn saùng khaùc

ù

à

ù

• 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)

Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy

Chieáu saùng vaø taïo boùng 7/14

ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH

Söï phaûn xaï khuyeách taùn (difuse reflection)

ï

û

ï

á

ù

• 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.

Luaät Lambert's Cosine

ä

• 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:

I_light

trong ñoù,

laø cöôøng ñoä saùng cuûa aùnh saùng tôùi, k_dlaø

heä soá phaûn xaï (0 ≤ k_d≤ 1).

Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy

Chieáu saùng vaø taïo boùng 8/14

ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH

Ví duï veà difuse reflection

ï à

• Ta chæ caàn xem xeùt caùc tia saùng coù goùc tôùi trong khoaûng

töø 0⁰ñeán 90⁰vì 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:

Söï phaûn xaï göông (specular reflection)

ï

û

ï

• 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.

Luaät Snell's

ä

• 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.

Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy

Chieáu saùng vaø taïo boùng 9/14

ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH

• 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:

n_shiny

I_specular= I_light

(

cosφ

)

• Ta thaáy, cos(φ) cöïc ñaïi khi φ = 0 vaø trieät tieâu khi φ = 90⁰.

n_shinylaø heä soá trôn cuûa beà maët.

Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy

Chieáu saùng vaø taïo boùng 10/14

ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH

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).

Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy

Chieáu saùng vaø taïo boùng 11/14

ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH

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.

Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy

Chieáu saùng vaø taïo boùng 12/14

ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH

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:

Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy

Chieáu saùng vaø taïo boùng 13/14

ÑOÀ HOÏA MAÙY TÍNH

Döông Anh Ñöùc, Leâ Ñình Duy

Chieáu saùng vaø taïo boùng 14/14