GIÁO TRÌNH ĐỒ HỌA MÁY TÍNH_CHIẾU SÁNG VÀ TẠO BÓNG potx

ĐỒ HỌA MÁY TÍNH
Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 1/14
C
CC
C
C
CC
C
H
HH
H
H
HH
H
I
II
I
I
II
I
E
EE
E
E
EE
E
Á
ÁÁ
Á
Á
ÁÁ

Á
U
UU
U
U
UU
U
S
SS
S
S
SS
S
A
AA
A
A
AA
A
Ù
ÙÙ
Ù
Ù
ÙÙ
Ù
N
NN
N
N
NN

N
G
GG
G
G
GG
G
V
VV
V
V
VV
V
A
AA
A
A
AA
A
Ø
ØØ
Ø
Ø
ØØ
Ø
T
TT
T
T
TT

T
A
AA
A
A
AA
A
Ï
ÏÏ
Ï
Ï
ÏÏ
Ï
O
OO
O
O
OO
O
B
BB
B
B
BB
B
O
OO
O
O
OO

O
Ù
ÙÙ
Ù
Ù
ÙÙ
Ù
N
NN
N
N
NN
N
G
GG
G
G
GG
G
I
II
I
I
II
I
L
LL
L
L
LL

L
L
LL
L
L
LL
L
U
UU
U
U
UU
U
M
MM
M
M
MM
M
I
II
I
I
II
I
N
NN
N
N
NN

N
A
AA
A
A
AA
A
T
TT
T
T
TT
T
I
II
I
I
II
I
O
OO
O
O
OO
O
N
NN
N
N
NN

N
A
AA
A
A
AA
A
N
NN
N
N
NN
N
D
DD
D
D
DD
D
S
SS
S
S
SS
S
H
HH
H
H
HH

H
A
AA
A
A
AA
A
D
DD
D
D
DD
D
I
II
I
I
II
I
N
NN
N
N
NN
N
G
GG
G
G
GG

G
L
L
i
i
g
g
h
h
t
t
s
s
o
o
u
u
r
r
c
c
e
e
I
I
l
l
l
l
u

u
m
m
i
i
n
n
a
a
t
t
i
i
o
o
n
n
S
S
h
h
a
a
d
d
i
i
n
n
g

g
ĐỒ HỌA MÁY TÍNH
Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 2/14
T
T
h
h
u
u
a
a
ä
ä
t
t
n
n
g
g
ư
ư
õ
õ
d
d
u
u
ø
ø
n

n
g
g
t
t
r
r
o
o
n
n
g
g
C
C
o
o
m
m
p
p
u
u
t
t
e
e
r
r
g

g
r
r
a
a
p
p
h
h
i
i
c
c
s
s
• 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 trò màu cho 1 pixel.
L
L
i
i
g
g
h

h
t
t
s
s
o
o
u
u
r
r
c
c
e
e
(
(
L
L
S
S
)
)
• Các thuộc tính của nguồn sáng:
♦ Phổ phát sáng (màu sắc)
♦ Thuộc tính hình học (vò trí,
hướng)
♦ Độ suy giảm đònh 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.
I
I
l
l
l
l
u
u
m
m
i
i
n

n
a
a
t
t
i
i
o
o
n
n
• 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 (vò trí, hướng, cấu trúc vi mô)
 Độ hấp thu
• Một số giới hạn qui đònh 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
N
N
g
g
u
u
o
o
à
à
n
n
s
s
a
a
ù
ù
n
n
g
g
x

x
u
u
n
n
g
g
q
q
u
u
a
a
n
n
h
h
(
(
A
A
m
m
b
b
i
i
e
e
n

n
t
t
L
L
S
S
)
)
• 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 đònh.
• Lượng ánh sáng xung quanh được phản xạ bởi một đối
tượng độc lập với vò trí và hướng của nó trong không
gian. Thuộc tính của các bề mặt thường được dùng để
xác đònh lượng ánh sáng xung quanh được phản xạ này.
N
N
g
g
u
u
o

o
à
à
n
n
s
s
a
a
ù
ù
n
n
g
g
đ
đ
ò
ò
n
n
h
h
h
h
ư
ư
ơ
ơ
ù

ù
n
n
g
g
(
(
D
D
i
i
r
r
e
e
c
c
t
t
i
i
o
o
n
n
a
a
l
l
L

L
S
S
)
)
• Tất cả các tia sáng từ nguồn sáng đònh hướng đều ssong
nhau và không có tâm phát sáng (origin). Điều này có
nghóa 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 đònh hướng, hướng này là cố đònh cho mọi
đối tượng.
• Mỗi nguồn sáng thuộc loại này có màu xác đònh.
N
N
g
g
u
u
o
o
à
à
n
n
s
s
a

a
ù
ù
n
n
g
g
đ
đ
i
i
e
e
å
å
m
m
(
(
P
P
o
o
i
i
n
n
t
t
L

L
S
S
)
)
• 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
lp
d
H
H
H
H
H
−
−
=
• Trong đó k
c
, k
l
, k
q
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
C
C
a
a
ù
ù
c
c
n
n
g
g
u
u
o
o
à
à
n
n
s
s
a
a
ù
ù
n
n

g
g
k
k
h
h
a
a
ù
ù
c
c
• Spotlight (đèn pha):
♦ là một nguồn sáng điểm nhưng ánh sáng tập trung theo
một hướng duy nhất (đền màu trong sân khấu).
♦ xác đònh bởi màu sắc, vò trí nguồn sáng, hướng và các
tham số khác đònh nghóa 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 dòu (soft shadow)
ĐỒ HỌA MÁY TÍNH
Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 8/14
S
S
ư
ư
ï
ï
p

p
h
h
a
a
û
û
n
n
x
x
a
a
ï
ï
k
k
h
h
u
u
y
y
e
e
á
á
c
c
h

h
t
t
a
a
ù
ù
n
n
(
(
d
d
i
i
f
f
u
u
s
s
e
e
r
r
e
e
f
f
l

l
e
e
c
c
t
t
i
i
o
o
n
n
)
)
• 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.
L
L
u
u
a
a
ä
ä
t
t
L
L

a
a
m
m
b
b
e
e
r
r
t
t
'
'
s
s
C
C
o
o
s
s
i
i
n
n
e
e
• 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,
light
I
là cường độ sáng của ánh sáng tới, k
d
là
hệ số phản xạ (0 ≤ k
d
≤ 1).
ĐỒ HỌA MÁY TÍNH
Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 9/14
V
V
í
í
d
d
u
u
ï
ï
v
v
e
e
à

à
d
d
i
i
f
f
u
u
s
s
e
e
r
r
e
e
f
f
l
l
e
e
c
c
t
t
i
i
o

o
n
n
• Ta chỉ cần xem xét các tia sáng có góc tới trong khoảng
từ 0
0
đến 90
0
vì khi góc lớn hơn 90
0
, 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:
S
S
ư
ư
ï
ï
p
p
h
h
a
a
û
û
n
n
x

x
a
a
ï
ï
g
g
ư
ư
ơ
ơ
n
n
g
g
(
(
s
s
p
p
e
e
c
c
u
u
l
l
a

a
r
r
r
r
e
e
f
f
l
l
e
e
c
c
t
t
i
i
o
o
n
n
)
)
• 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.
L
L

u
u
a
a
ä
ä
t
t
S
S
n
n
e
e
l
l
l
l
'
'
s
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, nghóa 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.
P
P
h
h
o
o
n
n
g
g
I
I
l
l
l
l
u
u
m
m
i
i
n
n

a
a
t
t
i
i
o
o
n
n
• Một hàm thông dụng dùng để xác đònh lượng ánh sáng
trên được gọi là Phong Illumination model:
()
shiny
n
lightspecular
II
φ
cos=
• Ta thấy, cos(
φ
) cực đại khi
φ
= 0 và triệt tiêu khi
φ
= 90
0
.
n
shiny

là hệ số trơn của bề mặt.
ĐỒ HỌA MÁY TÍNH
Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Chiếu sáng và tạo bóng 11/14
S
S
h
h
a
a
d
d
i
i
n
n
g
g
• Làm thế nào sử dụng Illumination để tạo ra một ảnh ?
F
F
l
l
a
a
t
t
S
S
h
h

a
a
d
d
i
i
n
n
g
g
• 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
G
G
o
o
u
u
r
r
a
a
u
u
d
d
S

S
h
h
a
a
d
d
i
i
n
n
g
g
• 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
P
P
h
h
o
o
n
n

g
g
S
S
h
h
a
a
d
d
i
i
n
n
g
g
• Mỗi điểm phải tính toán một lần.
• Tính giá trò 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