(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu hiệu ứng bóng đổ từ hai nguồn sáng trong biểu diễn vật thể 3d

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG

NGUYỄN THỊ HỒNG HẠNH

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG BĨNG ĐỔ TỪ HAI NGUỒN SÁNG
TRONG BIỂU DIỄN VẬT THỂ 3D

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Ngun 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG

NGUYỄN THỊ HỒNG HẠNH

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG BĨNG ĐỔ TỪ HAI NGUỒN SÁNG
TRONG BIỂU DIỄN VẬT THỂ 3D

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 8480101
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học: TS. VŨ ĐỨC THÁI

Thái Nguyên 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


3

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thị Hồng Hạnh
Sinh ngày: 09/08/1984
Học viên lớp cao học CHK16A - Trường Đại học Công nghệ Thông tin
& Truyền thông - Đại học Thái Nguyên.
Xin cam đoan: Đề tài “ Nghiên cứu hiệu ứng bóng đổ từ hai nguồn
sáng trong biểu diễn vật thể 3D”do TS. Vũ Đức Thái hướng dẫn là cơng trình
nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ
rõ ràng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :


4

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự động
viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo hướng dẫn TS. Vũ Đức
Thái, luận văn với Đề tài “ Nghiên cứu hiệu ứng bóng đổ từ hai nguồn sáng
trong biểu diễn vật thể 3D”.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn TS. Vũ Đức Thái đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tơi
hồn thành luận văn này.
Ban Giám hiệu, khoa Cơng nghệ thơng tin, phịng Đào tạoTrường Đại
học Công nghệ Thông tin và Truyền thông đã giúp đỡ tơi trong q trình học
tập cũng như thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động
viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập, thực hiện
và hoàn thành luận văn này.
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 07 năm 2019
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Hồng Hạnh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN



download by :

5

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MƠ PHỎNG VÀ BÀI TỐN HIỂN THỊ MƠ
HÌNH 3D .....................................................................................................................4
1.1. Tổng quan về Thực tại ảo. ....................................................................................4
1.1.1. Thực tại ảo. ....................................................................................................4
1.1.2. Các sản phẩm của Thực tại ảo .......................................................................5
1.2. Mơi trường và ngơn ngữ lập trình ........................................................................8
1.2.1. Cơng cụ, phần mềm sử dụng .........................................................................8
1.2.2. Bài tốn mơ phỏng thực tại ảo ....................................................................10
1.2.3. Ứng dụng thực tại ảo trong trưng bày ảo ....................................................12
1.3. Kết luận ..............................................................................................................14
CHƯƠNG 2. MỘT SỐ KỸ THUẬT HIỂN THỊ MƠ HÌNH 3D .............................16
2.1. Ánh sáng ......................................................................................................16
2.2. Một số đơn vị đo lường ánh sáng ................................................................18
2.3. Hàm phân phối phản xạ hai chiều (BRDF) .................................................22
2.4. Nguồn sáng và phân loại nguồn sáng ..........................................................25
2.5. Phương trình chiếu sáng ..............................................................................27
2.6. Thuật toán Occlusion – Culling ..................................................................28
2.7. Thuật tốn Bump Mapping .........................................................................33
2.8. Kỹ thuật biểu diễn bóng đổ .........................................................................45
2.9. Phát triển bài tốn ứng dụng .......................................................................51
Chương 3. MƠ PHỎNG HIỆU ỨNG BÓNG ĐỔ TỪ HAI NGUỒN SÁNG
TRONG BIỂU DIỄN VẬT THỂ 3D ........................................................................53
3.1. Bài tốn mơ phỏng hiện vật tại bảo tàng .....................................................53

3.1.1. Yêu cầu với thực nghiệm ............................................................................54
3.1.2. Xây dựng cơ sở dữ liệu mô phỏng ..............................................................55
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN



download by :


6

3.2. Phân tích, lựa chọn cơng cụ ........................................................................55
3.3. Một số kết quả thực nghiệm tối ưu mơ hình ...............................................56
3.4. Kết luận .......................................................................................................61
KẾT LUẬN ...............................................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................63

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây thực tại ảo là một lĩnh vực được quan tâm phát
triển, nó đang ngày càng chứng tỏ vai trị của mình trong sự phát triển của cơng

nghệ thơng tin nói riêng và các lĩnh vực của đời sống, xã hội nói chung. Hiện
nay thực tại ảo đang được ứng dụng phổ biến trong nhiễu lĩnh vực khác nhau
như là Quân sự, giáo dục, kỹ thuật - xây dựng, giải trí, vv…
Trong các ứng dụng đồ họa ba chiều thời gian thực nói chung và trong các
ứng dụng trưng bày ảo nói riêng là tạo ra những hình ảnh chân thật. Ánh sáng
là yếu tố quan trọng và có ảnh hưởng nhiều đến việc biểu diễn bề mặt đối tượng,
đây là yếu tố mà mọi ứng dụng ba chiều đều khơng thể bỏ qua. Việc tính tốn
ảnh hưởng của ánh sáng lên biểu diễn bề mặt đối tượng được thể hiện thơng
qua hai hiệu ứng chính đó là hiệu ứng bóng bề mặt (Shading) và hiệu ứng bóng
đổ (Shadow).
Bóng đổ là một phần của thế giới thực, đi đôi với ánh sáng là bóng, chúng
ln xuất hiện cùng nhau khơng thể tách rời vì vậy tính tốn hiệu ứng bóng là
một cơng việc khơng thể thiếu trong các hệ thống thực tại ảo và trưng bày ảo.
Vì vậy em lựa chọn luận văn với đề tài “Nghiên cứu hiệu ứng bóng đổ từ
hai nguồn sáng trong biểu diễn vật thể 3D” và cụ thể mô tả lại một số hiện vật
trong bảo tàng, qua đó khách tham quan có thể đến bảo tàng, xem và hiểu biết
thông tin về các hiện vật, v.v…
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là kỹ thuật chiếu sáng, các kỹ thuật biểu diễn sự
biến đổi của đối tượng dưới sự tác động của ánh sáng và điều kiện môi trường
trong lĩnh vực thực tại ảo và đồ họa ba chiều.
Phạm vi nghiên cứu các kỹ thuật mô phỏng, hiển thị dữ liệu 3D trong thực
tại ảo. Nghiên cứu các kỹ thuật tính tốn bản đồ chiếu sáng và ứng dụng kết
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN



download by :

2

hợp bản đồ chiếu sáng cho các ứng dụng trưng bày ảo. Và nghiên cứu tập trung
vào vấn đề xác định và mơ phỏng bóng của một vật thể được chiếu từ hai nguồn
sáng, nguồn sáng có thể di chuyển, thay đổi theo các phương khác nhau, cường
độ khác nhau; vật thể có kết cấu chiếm chỗ khơng gian khác nhau…
3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu lý thuyết, thu thập, phân tích các tài liệu có liên quan của đề
tài.
Mô phỏng được sự ảnh hưởng của các nguồn sáng vào biểu diễn bề mặt
của đối tượng ba chiều. Mục tiêu cụ thể là nghiên cứu các kỹ thuật chiếu sáng
và hiệu ứng bóng bề mặt của vật thể trưng bày trong không gian ba chiều.
Lựa chọn các vật thể và khơng gian thích hợp để phân tích các hình ảnh
thực tiễn làm cơ sở đối chứng cho kết quả cài đặt
Vận dụng thuật toán cài đặt chương trình mơ phỏng thể hiệu ứng tạo bóng
của một số vật thể dưới tác động của hai nguồn sáng.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của đề tài luận văn được sử dụng là kết hợp giữa
nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể:
a. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
Thu thập tài liệu, đọc hiểu các kiến thức cơ bản về Đồ họa máy tính, Thực
tại ảo; Nghiên cứu một số kỹ thuật mô phỏng, hiển thị dữ liệu 3D về hiệu ứng
bóng đổ từ hai nguồn sáng.
b. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu ảnh 3D về hiệu ứng bóng đổ từ hai
nguồn sáng.
Nghiên cứu, đánh giá và lựa chọn phương pháp, giải pháp công nghệ cài
đặt thử nghiệm với một số mẫu dữ liệu.
5. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :


3

Phát triển thuật tốn mơ phỏng 3D vào các ứng dụng cụ thể (mô phỏng
hiện tượng tự nhiên, trưng bày, hoạt hình)
Hỗ trợ cho Bảo tàng văn hóa các dân tộc Việt Nam trưng bày hiện vật.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MƠ PHỎNG VÀ BÀI TỐN
HIỂN THỊ MƠ HÌNH 3D
1.1. Tổng quan về Thực tại ảo.
1.1.1. Thực tại ảo.
Thực tại ảo (Virtual reality_VR) là một hệ thống mơ phỏng trong đó đồ họa
máy tính được sử dụng để tạo ra một thế giới "như thật". Hơn nữa, thế giới
"nhân tạo" này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tín hiệu
vào) của người sử dụng (nhờ hành động, lời nói,..). Điều này xác định một đặc
tính chính của VR, đó là tương tác thời gian thực. Thời gian thực ở đây có nghĩa

là máy tính có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay
đổi ngay lập tức thế giới ảo. Người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn
hình ngay theo ý muốn và bị thu hút bởi sự mô phỏng này. Tương tác và khả
năng thu hút của VR góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm, cảm giác trở thành
một phần của hành động trên màn hình mà người sử dụng đang trải nghiệm.
Nhưng VR còn đẩy cảm giác này "thật" hơn nữa nhờ tác động lên tất cả các
kênh cảm giác của con người.

Hình 1.1: Một hệ thống VR tại Viện Fraunhofer (CHLB Đức)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


5

1.1.2 Ứng dụng của Thực tại ảo.
Tại các nước phát triển, chúng ta có thể nhận thấy VR được ứng dụng
trong mọi lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch,... và
đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu- Giáo dục- Thương mại-dịch vụ.
Y học, du lịch là lĩnh vực ứng dụng truyền thống của VR. Bên cạnh đó
VR cũng được ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí, du lịch ảo (Virtual
Tour), bất động sản... Trong lĩnh vực quân sự, VR cũng được ứng dụng rất
nhiều ở các nước phát triển. Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, cũng
có một số ứng dụng mới nổi lên trong thời gian gần đây của VR như: VR ứng
dụng trong sản xuất, VR ứng dụng trong ngành rôbốt, VR ứng dụng trong hiển
thị thông tin (thăm dị dầu mỏ, hiển thị thơng tin khối, ứng dụng cho ngành du
lịch, ứng dụng cho thị trường bất động sản....) VR có tiềm năng ứng dụng vơ

cùng lớn. Có thể nói tóm lại một điều: Mọi lĩnh vực "có thật" trong cuộc sống
đều có thể ứng dụng "thực tế ảo" để nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn.
1.1.2. Các sản phẩm của Thực tại ảo
Thực tế ảo (Virtual reality) đưa người xem đến một môi trường được giả
lập hoàn toàn bằng 3D, nhằm đem lại những trải nghiệm thực tế nhất cho người
xem như họ đang ở trong chính khơng gian đó. Ngồi thị giác, mơi trường Thực
tế ảo được tích hợp thêm giác quan khác như thính giác (âm thanh), cảm nhận
về khơng gian, di chuyển, cầm nắm vật thể. Một số các sản phẩm của thực tại
ảo là:
 Trải nghiệm nhà mẫu ảo
– Dễ dàng thu hút khách hàng ở xa, xóa bỏ rào cản địa lý.
– Giúp khách hàng có cái nhìn tổng quan và chi tiết về dự án.
– Khách hàng có thể di chuyển, đi lại trong khơng gian nhà mẫu
– Hình ảnh đẹp, khám phá dưới nhiều góc nhìn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


6

Hình 1.2: Khám phá khơng gian dựán Bất Động Sản tại bất kỳ đâu.
 Trải nghiệm du lịch khám phá
– Trải nghiệm ấn tượng đem đến sức hút lớn cho khách hàng.
– Giúp khách hàng dễ dàng đưa ra lựa chọn phù hợp và nhanh chóng.
– Hình ảnh đẹp, chống ngợp.

Hình 1.3: Trải nghiệm du lịch tới mọi nơi trên thế giới.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


7

 Trải nghiệm nội thất
Tương tác với mọi đồ vật trong không gian ảo với trải nghiệm như thật.
– Trải nghiệm hấp dẫn giúp thu hút khách hàng.
– Giúp khách hàng có cảm nhận chân thực và dễ đưa ra quyết định mua
hàng.
– Dễ dàng xem từng chi tiết, cầm nắm các vật dụng.
– Hình ảnh đẹp và chân thực.
 Trải nghiệm không gian cửa hàng trưng bày mẫu xe
Cửa hàng trưng bày mẫu xe sẽ được chụp và số hóa thành khơng gian ảo
và tích hợp lên kính Thực tế ảo. Giúp khách hàng có thể di chuyển, tương tác
với không gian này dù ở bất cứ đâu.
– Thể hiện góc nhìn tồn cảnh, khơng bị hạn chế góc nhìn
– Đi lại trải nghiệm từng góc cạnh của khơng gian cửa hàng
– Cung cấp thông tin chi tiết về từng mẫu xe.

Hình 1.4: Cửa hàng trưng bày ơtơ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :


8

 Trải nghiệm lái xe thực tế ảo
Ứng dụng công nghệ VR cho phép khách hàng có thể đi lại và tương tác
để khám phá đầy đủ chi tiết và thiết kế tuyệt đẹp của một chiếc xe. Cũng trong
không gian đó, người dùng có thể mở và đóng từng cửa, khởi động và thay đổi
cấp, màu của xe như chính mình đang lái trên một chiếc siêu xe thật sự.
– Gây ấn tượng với khách hàng trong sự kiện ra mắt mẫu xe mới.
– Gia tăng trải nghiệm của người dùng đối với sản phẩm
– Thúc đẩy người dùng tương tác với thương hiệu của doanh nghiệp và
có khả năng tiếp tục với quá trình bán hàng.

Hình 1.5: Khám phá không gian xe
1.2. Môi trường và ngôn ngữ lập trình
1.2.1. Cơng cụ, phần mềm sử dụng
 3DS max.
3DS Max là một ứng dụng mạnh, tích hợp các mơ hình 3 chiều, hoạt
cảnh, và tạo cảnh 3D (rendering). Môi trường dễ học của nó cho phép các nghệ
sĩ nhanh chóng tạo dựng một cách nhanh chóng các sản phẩm. 3DS Max thường
được sử dụng để tạo phim và các đoạn video nghệ thuật, phát triển game, thiết
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :

9

kế sản phẩm đa phương tiện multimedia… 3DS Max là đang dẫn đầu các phần
mềm trong lĩnh vực thiết kế trực quan, phát triển game, thiết kế các hiệu ứng
ảo và đào tạo.
Khóa học hướng dẫn các bạn từ làm chủ giao diện, thao tác điều khiển
sau đó tiến tới làm việc với qui trình chuẩn của một sản phẩm 3D tĩnh là:
Modelling (dựng hình) – Mapping&Shading (Gán vật liệu) – Lighting (thiết lập
ánh sáng) – Rendering (kết xuất ảnh).

Hình 1.6:Giao diện phần mềm 3DS max
 Thư viện xử lý đồ họa OpenGL.
OpenGL( Open Graphics Library ) là một tiêu chuẩn kỹ thuật đồ họa có
mục đích định ra một giao diện lập trình ứng dụng (tiếng Anh: API) đồ họa 3
chiều. OpenGL cho phép phát triển các ứng dụng đồ họa sử dụng nhiều ngơn
ngữ lập trình khác nhau nhưC/C++, Java, Delphi,v.v…, tuy nhiên OpenGL
cũng có thể được dùng trong các ứng dụng đồ họa 2 chiều. Giao diện lập trình
này chứa khoảng 250 hàm để vẽ các cảnh phức tạp từ những hàm đơn giản. Nó
được dùng rộng rãi trong các trị chơi điện tử. Ngồi ra nó cịn dùng trong các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


10

ứng dụng CAD, thực tế ảo, mô phỏng khoa học, mơ phỏng thơng tin, phát triển

trị chơi. Khơng gian trong OpenGL được miêu tả qua hình học xạ ảnh. Một
điểm trong khơng gian này có tất cả bốn tọa độ. Cách thể hiện các điểm trong
không gian bằng 4 tọa độ cho phép xử lý các điểm vô tận một cách tổng qt.
1.2.2. Bài tốn mơ phỏng thực tại ảo
VR là một hệ mơ phỏng có tương tác hai chiều và xử lý thời gian thực,
đặc biệt với kỹ thuật Stereo 3D cho phép người quan sát được chìm đắm trong
khơng gian ảo. Để xây dựng hệ VR thì việc xây dựng mơ hình 3D là khâu
quan trọng đầu tiên. Cho đến nay, nhìn chung có 2 xu hướng để thực hiện mơ
phỏng hình 3D:
 Cách thứ nhất: thể hiện các mơ hình 3D nhờ các ngơn ngữ lập trình
truyền thống như C#, Cách này khơng địi hỏi sự chạy đua về cơng nghệ cũng
như cấu hình mạnh của phần cứng, hơn nữa nó có thể thực hiện các mơ phỏng
phức tạp địi hỏi sự chính xác cao.Tuy nhiên nó khơng được nhiều người sử
dụng vì đó khơng phải là cơng việc đơn giản, nó địi hỏi trình độ lập trình cao,
các thuật tốn phức tạp, mất nhiều thời gian và nhất là rất khó trong việc tạo ra
những cảnh rộng lớn. Mặc dù ít được ưa thích nhưng đơi khi nó lại là lựa chọn
duy nhất cho những ai muốn mơ phỏng chính xác các hiện tượng thiên nhiên
đúng với bản chất của nó. Tuy nhiên nó chỉ phù hợp với những mơ phỏng có
quy mơ nhỏ, phù hợp với việc học tập.
 Cách thứ hai: sử dụng các công cụ mô phỏng đã được xây dựng sẵn.
Cách này khơng địi hỏi trình độ lập trình cao, khơng tốn nhiều thời gian thực
hiện, nó phù hợp với các mơ phỏng có tính chất mơ hình khơng u cầu độ
chính xác cao. Một nhược điểm là nó yêu cầu cấu hình hệ thống mạnh để cài
đặt và chạy chương trình, nhất là khi kết xuất. Tuy nhiên, hiện nay cách này
đang rất phổ biến, rất được ưa chuộng, nhất là trong các công việc làm Game
3D, Web3D, Phim 3D.v.v... Một số bộ cơng cụ mơ phỏng thơng dụng là:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :


11

3DsMax, Maya, Autocad, Painter3D, VirtualML, Softimage, Renderman,
Houdili, Lightware, Flash.v.v...
Trạng thái đối tượng mơ phỏng có 2 dạng chính: mơ phỏng tĩnh và mô
phỏng động.
 Mô phỏng tĩnh: Là dạng mô phỏng chỉ thể hiện được mơ hình tĩnh,
trong kết quả mơ phỏng khơng có sự chuyển động, khơng có sự biến đổi. Đây
là dạng mô phỏng thường chỉ áp dụng cho các vật tĩnh. Đây là dạng mô phỏng
đơn giản nhất.
 Mô phỏng động: mô phỏng động được tách thành 2 loại, đó là mơ
phỏng động theo thời gian thực và mô phỏng động không theo thời gian thực:
- Mô phỏng động theo thời gian thực: là dạng mô phỏng đối tượng có
sự chuyển động hoặc có tính chất thay đổi theo thời gian, khơng gian, và khi có
tương tác thì hệ phải đáp ứng sự kiện đó trong một khoảng thời gian nhất định
(q thời gian đó thì kết quả khơng cịn có ý nghĩa). Đây là dạng mơ phỏng
phức tạp nhất, khó khăn nhất. Nhưng đó lại là một đặc tính của Virtual Reality.
- Mơ phỏng động khơng theo thời gian thực: Đây là dạng mô phỏng
không quan tâm tới thời gian đáp ứng của yêu cầu. Nó phù hợp cho xây dựng
các hệ mơ phỏng khơng có sự tương tác nhiều, không cần đáp ứng thời gian.
Để thực hiện mơ phỏng sự vật ta lại có 2 phương pháp chính: Phương
pháp giả mơ phỏng và phương pháp mô phỏng thật.
 Phương pháp giả mô phỏng là ta dùng các kỹ thuật xử lý ảnh để tạo ra
những đối tượng và những hiệu ứng giả đánh lừa mắt nhìn của con người. Ví
dụ, như biến đổi ảnh khơng gian 2D thành hình ảnh của vật như trong khơng
gian 3D, hay các phương pháp Texture.
 Phương pháp mô phỏng thật là dùng các kỹ thuật tạo đối tượng và hiệu

ứng dựa trên cơ sở khoa học là các thuật tốn biểu diễn tính chất vật lý của đối
tượng và các hàm biến đổi để thể hiện đối tượng một cách chính xác.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


12

Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, vì thế tuỳ vào
mức độ quan trọng của đối tượng trong hệ mà ta có thể chọn phương pháp phù
hợp để xây dựng.
1.2.3. Ứng dụng thực tại ảo trong trưng bày ảo
Trưng bày ảo là một lĩnh vực đã và được ứng dụng trong giải quyết nhiều
vấn đề của đời sống thực tế. Trong bảo tàng, trưng bày ảo được ứng dụng để
tạo ra các phòng trưng bày ảo, qua đó khách tham quan có thể đến bảo tàng,
xem và hiểu biết thông tin về các hiện vật, v.v. của bảo tàng mà không cần đến
tận nơi. Trong thương mại đặc biệt là thương mại điện tử, trưng bày ảo là nơi
cho phép các nhà sản xuất, nhà kinh doanh, v.v. giới thiệu quảng bá sản phẩm
của mình đến người tiêu dùng một cách đầy đủ và chính xác. Trong lĩnh vực
văn hóa nghệ thuật, trưng bày ảo chính là một công cụ hữu hiệu để các nghệ sỹ
giới thiệu và quảng bá sản phẩm tinh thần của mình đến với độc giả. Trong hầu
hết các lĩnh vực của thực tế chúng ta đều có thể tìm thấy một vấn đề có thể ứng
dụng, sử dụng trưng bày ảo như là một công cụ trực tiếp hoặc gián tiếp để giả
quyết vấn đề đó. Thời gian gần đây với sự phát triền mạnh mẽ của các công
nghệ Thực tại ảo, Thực tại ảo trộn, Thực tại tăng cường, đã tạo một khả năng
phát triển mạnh mẽ cho việc phát triển và ứng dụng của trưng bày ảo. Với sự
hỗ trợ của các cơng nghệ mới này, người ta có thể đưa những hiện vật ảo ra

ngồi khơng gian thực để người tham quan có thể xem thậm chí là tương tác và
sử dụng hiện vật ảo đó như thật. Qua đó, giải quyết được nhiều vấn đề như:
thiếu hiện vật, bảo quản hiện vật trong bảo tàng hoặc các vấn đề về kinh tế (chi
phí làm sản phẩm mẫu) trong thương mại.
Để xây dựng các ứng dụng thực tế sử dụng cơng nghệ trưng bày ảo có
rất nhiều vấn đề được đặt ra cần nghiên cứu và giả quyết ví dụ như: vấn đề về
xây dựng và tối ưu hóa mơ hình để có thể sử dụng được, vấn đề về quản lý

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


13

thông tin bao gồm cả các thông tin về vị trí trưng bày của từng hiện vật, vấn đề
về tính tốn va trạm gữa hiện vật ảo với mơi trường thật, v.v.
Một trong những vấn đề quan trọng cần nghiên cứu để xây dựng các ứng
dụng trưng bày ảo đó là ảnh hưởng của môi trường đến biểu diễn bề mặt đối
tượng đặc biệt là ảnh hưởng của ánh sáng thông qua các nguồn sáng đến biểu
diễn bề mặt đối tượng. Ảnh hưởng của nguồn sáng lên biển diễn bề mặt đối
tượng như đã biết gồm hai phần chính do là ảnh hưởng đến việc hiển thị đối
tượng và ảnh hưởng thứ hai là làm thay đổi bề mặt đối tượng. Ảnh hưởng của
nguồn sáng lên hiển thị đối tượng thơng qua chiếu sáng là việc khơng thể thiếu
được vì phải có chiếu sáng thì mời có đồ họa ba chiều và trưng bày ảo đồng
thời trưng bày ảo có một số đặc điểm riêng biệt của nó vì vậy nghiên cứu về
chiếu sáng và chiếu sáng trong trưng bày ảo là một vấn đề cần thiết. Trên thực
tế các đối tượng thay đổi theo thời gian do đó nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn

sáng và các điều kiện môi trường đến bề mặt đối tượng khơng chỉ có tác đụng
làm tăng chất lượng hình ảnh của ứng dụng trưng bày ảo mà các kết quả nghiên
cứu này cịn có thể sử dụng làm công cụ để trợ giúp cho việc trưng bày đối
tượng thực làm để cho chúng ít bị thay đổi, phá hủy theo thời gian dưới sự tác
động của ánh sáng và môi trường.
Ứng dụng các kết quả đã nghiên cứu vào xây dựng một phần mềm trưng
bày ảo cho một số hiện vật tại Bảo tàng Văn hóa các dân tộc Việt Nam tại TP
Thái Nguyên với các lý thuyết phân tích về tác động của mơi trường lên hiện
vật.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


14

 Một số ứng dụng trong đồ họa 3D
Đồ hoạ 3D đang được nghiên cứu ứng dụng trong mọi lĩnh vực một cách
mạnh mẽ hiện nay là: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch,
địa ốc... và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu - Giáo dục - Thương mại - dịch
vụ. Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, cũng có một số ứng dụng mới
nổi lên trong thời gian gần đây của đồ hoạ 3D như: đồ hoạ 3D ứng dụng trong
sản suất, trong ngành rơbốt, trong hiển thị thơng tin (thăm dị dầu mỏ, hiển thị
thông tin khối, …) đồ hoạ 3D có tiềm năng ứng dụng vơ cùng lớn. Có thể nói:
Mọi lĩnh vực “có thật” trong cuộc sống đều có thể ứng dụng “thực tế ảo” để
nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn.
Một lĩnh vực đầy hứa hẹn là việc sử dụng trưng bày ảo 3D trong giáo

dục - giải trí, cụm từ này đang được sử dụng rộng rãi, nó thể hiện cho một nền
giáo dục hiện đại khơng theo khn phép truyền thống, điều đó có nghĩa là vừa
có thể học và vừa có thể giải trí trong khi học sinh đang tham gia một kịch bản
nhập vai nào đó hoặc có thể tham gia một trị chơi... trên thực tế tương tác nhập
vai có thể nắm bắt được sự chú ý của người sử dụng hệ thống, cùng một lúc có
thể cung cấp nhiều thơng tin không giống như phương pháp trước đây khi sử
dụng hệ thống khơng phải là đa phương tiện. Ngồi ra, trưng bày ảo 3D là một
cách thể hiện rất hiện đại của sự tương tác giữa người dùng và máy tính nó
khơng dừng lại ở việc người dùng chỉ sử dụng máy tính với những mục đích
cho cơng việc, mà nó cịn mở ra vơ vàn những thứ hấp dẫn khác với người sử
dụng hệ thống mà người dùng như đang hóa thân thành nhân vật đượckhám
phá nhiều nơi mà mình chưa biết.
1.3. Kết luận
Có thể nói ứng dụng thực tại ảo vào đời sống giải quyết được rất nhiều
vấn đề, bởi những vấn đề khó khăn mà nếu khơng có thực tại ảo thì có thể nói
là khó lịng mà giải quyết, hay nếu có thể giải quyết được thì hiệu quả khơng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


15

cao và chi phí sẽ rất tốn kém. Cịn khi ứng dụng thực tại ảo vào, thì những vấn
đề đó trở lên hết sức đơn giản, và hiệu quả của nó mang lại thì thực sự là to lớn,
kể cả vật chất lẫn tinh thần.
Từ những kiến thức về thực tại ảo và nhu cầu thực tế, luận văn thực hiện
nghiên cứu xây dựng chương trình mơ phỏng sự tạo bóng của một vật thể dưới

tác động chiếu sáng từ hai nguồn sáng, hình ảnh mơ phỏng là khơng gian trưng
bày trong bảo tàng Văn hóa các dân tộc Việt Nam tại thành phố Thái Nguyên.
Chương 2 sẽ trình bày các kiến thức về lý thuyết, thuật toán sử dụng trong cài
đặt mơ phỏng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


16

CHƯƠNG 2. MỘT SỐ KỸ THUẬT HIỂN THỊ MƠ HÌNH 3D
MỘT SỐ KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG
Chiếu sáng là một việc có vai trị quan trọng trong các bài tốn trưng bày
nói chung và trưng bày bảo tàng nói riêng. Có ánh sáng con người mới có thể
quan sát các hiện vật và không gian trưng bày một cách rõ ràng được. Sự bố trí
về vị trí, màu sắc, cường độ của từng nguồn sáng trong không gian theo một
trật tự nhất định sẽ làm tăng hiệu quả trưng bày của từng hiện vật cũng như tạo
ra một bối cảnh thống nhất với những vị trí nhấn, nhả thơng qua đó tạo ra ấn
tượng tích cực với người xem vì vậy làm tăng hiệu quả của công tác trưng bày.
2.1. Ánh sáng
Ánh sáng một loại bức xạ, nó có thể được hiểu, giải thích theo hai tính
chất vật lý, thứ nhất là tính chất sóng điện từ trường (quang học sóng), thứ hai
là tính chất hạt (quang học hạt). Đi đơi với ánh sáng là bóng có ánh sáng thì
mới có bóng, và bóng là sự thể hiện của ánh sáng. Ánh sáng truyền đi trong
không gian khi đến một bề mặt nó tương tác với bề mặt, sự tương tác này được
thể hiện thơng qua hai hiệu ứng chính là “bóng bề mặt”, và “bóng đổ” có thể

gọi chung chúng là bóng. Hiệu ứng “bóng bề mặt” xảy ra khi ánh sáng đến bề
mặt, và phản xạ lại môi trường một lượng ánh sáng nhất định theo các hướng
khác nhau, trong đó có một phần đến được mắt, tác động lên hệ thần kinh thị
giác, vì vậy chúng ta quan sát được đối tượng. Theo định luật truyền thẳng ánh
sáng khi đến một bề mặt khơng trong suốt thì bị cản lại, và không thể tiếp tục
được truyền đi theo hướng đến, vì vậy mọi điểm phía sau sẽ khơng có sự chiếu
sáng từ nguồn sáng hiện tượng như vậy được gọi là hiệu ứng “bóng đổ”.
Trong quang học sóng, ánh sáng là một loại sóng điện từ trường do đó
nó cũng tuân theo các định luật của sóng như định luật truyền thẳng, định luật
phản xạ, khúc xạ, vvv. Trong trường hợp này năng lượng của ánh sáng được
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN



download by :


17

thể hiện hiện bằng các dao động điện từ trường. Hướng dao động điện trường
và từ trường vng góc với nhau tạo ra cách ánh sáng truyền đi trong không
gian. Loại ánh sáng có thành phần sóng điện trường (từ trường) giao động trên
một mặt phẳng cố định được gọi là ánh sáng “phân cực tuyến tính”, hoặc đơn
giản là “phân cực”. Dựa vào đặc tính phân cực của ánh sáng khi đi qua một số
loại vật liệu nhất định mà người ta đã xây dựng lên các hệ thống hiển thị hình
ảnh 3D, ví dụ như hệ thống máy chiếu 3D, ti vi 3D, kính 3D vv... Sự xuất hiện
của các thiết bị này là một trong những động lực quan trọng nhất tạo nên sự
phát triển của lĩnh vực VR hiện nay.
Trong quang học hạt, năng lượng ánh sáng được thể hiện dưới hình thức
của các hạt photon dịch chuyển trong không gian với vận tốc ánh sáng. Mỗi

photon mang một mức năng lượng nhất định, mức năng lượng này phụ thuộc
vào tần số hay độ dài bước sóng của ánh sáng.
Khả năng quan sát của con người với mỗi loại ánh sáng là khác nhau,
bằng thực nghiệm người ta đã chứng minh con người có khả năng nhìn được
ánh sáng với bước sóng nằm trong khoảng (380nm - 780nm), ánh sáng có bước
sóng lớn hơn được gọi là hồng ngoại, và nhỏ hơn là tử ngoại đây là những loại
ánh sáng mà con người khơng có khả năng quan sát được.Khả năng nhìn của
con người với mỗi loại ánh sáng trong khoảng nhìn được là khơng giống nhau.
Hình 2.1 là đồ thị thể hiện khả năng quan sát của con người với từng mức sóng
cụ thể của ánh sáng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


18

Hình 2.1. Khả năng quan sát của con người tương ứng với từng mức sóng
Trong đồ họa 3D tính chất sóng - hạt của ánh sáng được trừu tượng hóa
thơng qua các quy luật, việc xây dựng các quy luật này phần lớn dựa vào các
quy luật hình học, và các quy luật quang học. Các phần nội dung dưới đây sẽ
trình bày một số quy luật quan trọng, nhưng trước tiên để hiểu được các quy
luật này chúng ta hãy xem xét một số đơn vị sử dụng trong việc đo lường ánh
sáng [8], [9], [10], [13].
2.2.

Một số đơn vị đo lường ánh sáng

Ánh sáng là một loại bức xạ điện từ trường do đó một phép đo lường ánh
sáng cũng là một phép đo lường bức xạ. Dưới đây là một số đơn vị đo lường
được sử dụng phổ biến trong các nguyên tắc xây dựng hình ảnh.

 Góc khối:
Góc khối là một khái niệm được sử dụng trong Tốn học và Vật lý để
nói tới các góc trong không gian ba chiều tương ứng giữa một vật thể với một
điểm cho trước, nó tương tự với khái niệm góc sử dụng trong mặt phẳng hai
chiều. Góc khối được sử dụng để ước lượng độ lớn của vật thể tính từ một điểm
quan sát cho trước, ví dụ một vật thể nhỏ nhưng được đặt gần điểm quan sát
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN



download by :


19

vẫn có thể có góc khối lớn hơn một vật thể có kích thước lớn nhưng được đặt
xa điểm quan sát. Góc khối thường được ký hiệu là ω, đơn vị chuẩn của nó là
steradian (ký hiệu "sr").
Độ lớn của góc khối được xác định bằng tỷ lệ giữa diện tích S của hình
chiếu vật thể lên một hình cầu có tâm là điểm quan sát với bình phương bán
kính R của hình cầu đó:


S
R2

(1.1)

Như vậy nếu S = R² ta có ω = 1 steradian. Như vậy steradian là đơn vị
khơng có thứ ngun, tương tự với đơn vị radian của góc hai chiều. Góc khối
của tồn bộ mặt cầu có độ lớn là 4πsr, góc khối của bán cầu có độ lớn là 2π sr.
Góc khối cịn có hai đơn vị khơng chính thức khác là độ vng (deg²), và diện
tích tỉ lệ (tỉ lệ của diện tích hình chiếu với diện tích tồn mặt cầu chiếu):
deg²=(180/π)2.(sr) và diện tích tỉ lệ = 1/4π.(sr).
Mặc dù khơng phải là một đơn vị sử dụng trực tiếp để đo lường ánh sáng
nhưng góc khối lại được sử dụng như một thành phần trong nhiều đơn vị đo
lường, và các quy tắc của ánh sáng [6], [7], [8].

 Năng lượng bức xạ (Radiant Energy)
Năng lượng bức xạ: hiểu đơn giản là lượng năng lượng (công) được vận
chuyển thông qua ánh sáng. Nó thường được ký hiệu là Q, và đo bằng joule [J
= Ws = Nm= kgm2s-2].Năng lượng bức xạ phụ thuộc vào số lượng photon và
tần số (mức năng lượng) của các photon.

 Thông lượng bức xạ (Radiant Flux) hay Công xuất bức xạ (Radiant
Power)
Công xuất bức xạ được ký hiệu là Φ, được định nghĩa là lượng năng
lượng bức xạ trên mỗi đơn vị thời gian, đơn vị đo lường của nó là watt [W].
Φ = ∫ 𝑊(𝜆)𝑑𝜆;

𝑑𝑜

Φ𝑛ℎì𝑛 𝑡ℎấ𝑦 = ∫𝑡𝑖𝑚 𝑊(𝜆)𝑑𝜆

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :