Kỹ thuật PHOTON MAPPING trong sinh ảnh và ứng dụng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN





Vũ Phú Cƣờng





KỸ THUẬT PHOTON MAPPING TRONG SINH ẢNH
VÀ ỨNG DỤNG








LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên - 2010




1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN





Vũ Phú Cƣờng

KỸ THUẬT PHOTON MAPPING TRONG SINH ẢNH
VÀ ỨNG DỤNG
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 604801






LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH


NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

Thái Nguyên - 2010


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự sƣu tầm,
tra cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài.
Nội dung luận văn này chƣa từng đƣợc công bố hay xuất bản dƣới bất kỳ
hình thức nào và cũng không đƣợc sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên
cứu nào.
Phần mã nguồn của chƣơng trình sử dụng một số thƣ viện chuẩn và các
thuật toán và bản demo đƣợc các tác giả xuất bản công khai và miễn phí trên
mạng Internet.
Nếu sai tôi xin tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2010
Ngƣời cam đoan


Vũ Phú Cƣờng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình luận văn tốt nghiệp em đã gặp rất nhiều vấn đề phức tạp,
khó xử lý do đề tài mà em nghiên cứu là khá mới. Nhƣng đƣợc sự giúp đỡ tận
tình của các thầy, cô và các bạn luận văn của em đã hoàn thành đúng thời hạn
và đạt đƣợc kết quả tốt.
Lời đầu tiên em xin đƣợc trân thành cảm ơn sự giúp đỡ quí báu, sự
hƣớng dẫn nhiệt tình và sự chỉ bảo tận tụy của cô
TS. Nguyễn Thị Hồng Minh – Trƣờng ĐH QG Hà Nội.
Các thầy cô giáo công tác tại Khoa công nghệ thông tin – ĐHTN, cùng
tập thể các bạn học viên lớp cao học Khóa 7 đã luôn giúp đỡ và nhiệt tình chia
sẻ với em những kinh nghiệm học tập, nghiên cứu trong suốt khoá học.
.
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2010
Học viên



Vũ Phú Cƣờng



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1
LỜI CẢM ƠN 2
DANH MỤC CÁC HÌNH 5

PHẦN MỞ ĐẦU 6
Chƣơng 1 8
KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ SINH ẢNH 8
1.1 Khái quát về thực tại ảo 8
1.1.1 Thực tại ảo là gì? 8
1.1.2 Lịch sử ra đời và phát triển của thực tại ảo 9
1.1.3 Các thành phần chính trong thực tại ảo: 10
1.1.3. Ứng dụng của thực tại ảo 12
1.2. Sinh ảnh trong thực tại ảo 17
1.2.1. Sinh ảnh trong thực tại ảo 17
1.2.2. Photon mapping trong sinh ảnh 19
Chƣơng 2 21
MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG SINH ẢNH BỞI PHOTON
MAPPING 21
2.1. Thuật toán Photon mapping 21
2.1.1 Photon Tracing 23
2.1.2. Tối ƣu hóa bản đồ photon 26
2.3.3 Cây KD cân bằng (The balanced KD Tree) 27
2.2 Cấu trúc dữ liệu 30
2.2.1 Photon bóng 30
2.2.2 Toàn cảnh và tụ quang các photon 31
2.2.3 Cấu trúc dữ liệu không gian 31
2.3 Tính toán bức xạ từ các bản đồ Photon 32
2.3.1 Ƣớc tính bức xạ tại một bề mặt 32
2.3.2 Lọc (Filtering) 37
2.4 Sinh ảnh (Rendering) 39
2.4.1 Cơ sở khoa học 39
2.4.2 Phƣơng trình sinh ảnh (Equation Rendering) 39
2.4.3 Chiếu sáng trực tiếp 42
2.4.4 Phản chiếu và độ bóng phản xạ 44

2.4.5. Tính tụ quang (Caustics) 45
2.4.6 Phản xạ đa khuếch tán (Multiple diffuse reflections) 46
2.5.5 Lấy mẫu và thanh lọc 47
2.4.8 Tối ƣu hóa 48
Chƣơng 3 49
CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 49
3.1 Bài toán 49
3.2 Công cụ thiết kế và chức năng một số hàm trong chƣơng trình 49
3.2.1 Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình mã nguồn mở Processing 49
3.2.2 Chức năng một số hàm trong chƣơng trình 50
3.3 Thực nghiệm chƣơng trình và đánh giá kết quả 51
3.3.1 Thực nghiệm chƣơng trình 51


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4
3.3.2 Kết quả thực hiện 52
KẾT LUẬN 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO 58



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Mô phỏng các cơ cánh tay 7
Hình 1.2 Mô phỏng cấu trúc bộ não 8
Hình 1.3 Mô phỏng kiến trúc công trình 10

Hình 2.1 Bản đồ chiếu sáng 17
Hình 2.2: Xây dựng bản đồ photon tụ quang (a)
và bản đồ photon toàn cảnh (b). 21
Hình 2.3: Phân chia không gian sử dụng cây KD 23
Hình 2.4: Đơn giản hóa 2D cây KD
cho phân chia không gian trong hình 2.5 23
Hình 2.5: Tính bức xạ phản xạ (Jensen, 2001) 29
Hình 2.6: Sử dụng hình cầu (trái)
và hình đĩa (bên phải) xác định vị trí các photon 30
Hình 2.7: Truy tìm một tia qua một điểm ảnh 35
Hình 2.8: Đánh giá chính xác sự chiếu sáng trực tiếp 38
Hình 2.9: Sinh ảnh phản chiếu và bóng phản xạ 39
Hình 2.10: Sinh ảnh tụ quang 41
Hình 2.11: Tính toán gián tiếp khuếch tán ánh sáng với tầm quan trọng lấy
mẫu 42
Hình 3.1: Số lƣợng photon phát ra là 1000 48
Hình 3.2: Photon phát ra là 1500, nguồn sáng bên trên (a), bên phải (b) 48
Hình 3.3: Sử dụng ánh sáng trực tiếp (a),
sinh ảnh bằng Photon mapping (b) 49
Hình 3.4: Sinh ảnh với 4 nguồn sáng 49
Hình 3.5: Sinh ảnh với môi trƣờng tham gia 50
Hình 3.6: Vòng kim loại tụ quang 50




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6
PHẦN MỞ ĐẦU

Sự ra đời của đồ họa máy tính thực sự là cuộc cách mạng trong giao tiếp
giữa ngƣời dùng và máy tính. Với lƣợng thông tin trực quan, đa dạng và
phong phú đƣợc chuyển tải qua hình ảnh, các ứng dụng đồ họa máy tính đã lôi
cuốn nhiều ngƣời nhờ tính thân thiện, dễ dùng, kích thích khả năng sáng tạo
và tăng đáng kể hiệu suất làm việc.
Đồ họa máy tính ngày nay đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực khoa học, kĩ thuật, nghệ thuật, kinh doanh, quản lí, các ứng dụng đồ họa
rất đa dạng, phong phú và phát triển liên tục không ngừng. Ngày nay, hầu nhƣ
không có chƣơng trình ứng dụng nào mà không sử dụng kĩ thuật đồ họa để
làm tăng tính hấp dẫn của mình.
Trong đồ họa máy tính, Photon mapping là thuật toán chiếu sáng
trên toàn cảnh phát triển bởi Henrik Wann Jensen. Nó đƣợc sử dụng vào thực
tế mô phỏng sự tƣơng tác của ánh sáng với các đối tƣợng khác nhau. Đặc biệt,
nó có khả năng mô phỏng khúc xạ ánh sáng qua một chất trong suốt nhƣ
thủy tinh hoặc nƣớc, phản xạ khuếch tán giữa các đối tƣợng đƣợc chiếu sáng,
sự tán xạ ngầm của ánh sáng trong vật liệu mờ, và một số các tác dụng gây ra
bởi hạt vật chất nhƣ khói hoặc hơi nƣớc. Nó cũng có thể đƣợc mở rộng
để mô phỏng chính xác hơn của ánh sáng nhƣ sinh ảnh quang phổ.
Trong tự nhiên, một tia sáng đƣợc tạo ra bởi nguồn sáng chiếu đến một
bề mặt làm ngắt quãng quá trình của nó. Có thể tƣởng tƣợng tia sáng này nhƣ
một dòng photon. Trong chân không hoàn hảo, tia sáng này sẽ đi thẳng.
Trong hiện thực sẽ là hỗn hợp của các hiệu ứng khúc xạ, phản xạ, tán xạ.
Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật Photon mapping, trợ giúp cho việc nâng cao chất
lƣợng ảnh hoặc sinh ra các hình ảnh trung gian hoặc tƣơng lai trong một hệ


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7

thống biến đổi. Phục vụ cho các hoạt cảnh hoặc các ứng dụng chuyển động
tƣơng tác trong xử lý ảnh và thực tại ảo, ƣớc lƣợng đƣợc các điểm bề mặt hiệu
dụng, lƣu trữ đƣợc các thông tin có thể sử dụng lại của ánh sáng, giảm tải số
lƣợng tính toán. Và tất cả các tia sáng tạo ra sau các quá trình ấy sẽ đƣợc mô
tả lại để tạo nên các hình ảnh sống động nhƣ thật.
Bố cục của luận văn bao gồm: Phần mở đầu, ba chƣơng chính,
phần kết luận, tài liệu tham khảo. Cụ thể nhƣ sau
Chƣơng 1. Giới thiệu khái quát về thực tại ảo và sinh ảnh, các ứng dụng
của thực tại ảo. Phƣơng pháp sinh ảnh trong thực tại ảo và tổng quan về
phƣơng pháp photon mapping trong sinh ảnh.
Chƣơng 2. Trình bày thuật toán photon trong sinh ảnh, các cấu trúc
dữ liệu cần thiết cho các bản đồ photon, trong chƣơng này có trình bày cụ thể
về tính toán bức xạ từ các bản đồ photon, quá trình xây dựng phƣơng trình
sinh ảnh và việc tối ƣu hóa bản đồ photon.
Chƣơng 3. Mô tả bài toán sinh ảnh, giới thiệu công cụ hỗ trợ của
chƣơng trình sinh ảnh, ý chức năng của các hàm trong chƣơng trình. Thực
nghiệm chƣơng trình đƣa ra kết quả và đánh giá kết quả thu đƣợc.




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
Chƣơng 1

KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ SINH ẢNH

Công nghệ thông tin đã và đang xuất hiện trong mọi lĩnh vực của xã hội.
Tuy nhiên phần lớn các mô hình đƣợc xây dựng trên máy tính là hai chiều và

con ngƣời không thể tƣơng tác với các đối tƣợng trong mô hình đó nhƣ là ở
trong thế giới thực, những chƣơng trình nghiên cứu khắc phục nhƣợc điểm
này đã dẫn đến việc xuất hiện một lĩnh vực mới của Công nghệ thông tin đó là
thực tại ảo.
1.1 Khái quát về thực tại ảo
1.1.1 Thực tại ảo là gì?
Thực tại ảo là mô phỏng của môi trƣờng không gian ba chiều trên máy
tính, trong môi trƣờng mô phỏng đó con ngƣời có thể quan sát và thực hiện
những thao tác mà mình mong muốn. Với tất cả những gì có trong môi trƣờng
mô phỏng thông qua thiết bị đầu vào, kết quả trả lại là những thay đổi của môi
trƣờng đó mà con ngƣời có thể quan sát hay cảm nhận đƣợc thông qua các
thiết bị đầu ra.
Theo nhƣ định nghĩa trên có thể nhận ra các thành phần của thực tại ảo
là: môi trƣờng không gian ba chiều, mô hình tạo trên máy tính, sự tƣơng tác,
các thiết bị vào, ra. Thực tại ảo là một thế giới thực song lại ảo, vì một phần
của thế giới thực sẽ đƣợc tái tạo trên máy tính, thông qua các thiết bị đầu vào
con ngƣời có thể chìm đắm trong môi trƣờng không gian ba chiều và cho phép
con ngƣời có khả năng quan sát, tƣơng tác với môi trƣờng ảo đó. Những
tƣơng tác đó đều đƣợc chƣơng trình xử lý và thông qua thiết bị đầu ra sẽ đem


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9
lại cho con ngƣời cảm nhận về thay đổi của môi trƣờng ấy nhƣ trong thực tế
và tất cả mọi thứ diễn ra trong không gian ba chiều.
1.1.2 Lịch sử ra đời và phát triển của thực tại ảo
Khái niệm cơ bản về thực tại ảo có từ năm 1950, một hệ thống nguyên sơ
đầu tiên đƣợc tạo ra rất lâu trƣớc khi con ngƣời đặt chân lên mặt trăng.
Vào cuối những năm năm mƣơi có một ngƣời đàn ông ít đƣợc biết đến

có tên là Morton Heilig đã thiết kế ra hệ thống ảo đầu tiên. Ông đã phát triển
một thứ đƣợc gọi là Sensorama. Tƣơng tự nhƣ máy chò trơi ngày nay,
Sensorama đƣợc kết hợp với chiếu film, âm thanh, chuyển động, gió thậm chí
cả mùi vị khiến cho con ngƣời cảm thấy nhƣ trong thế giới thực hơn là đơn
giản chỉ xem.
Bất chấp sự hạn chế của công nghệ máy tính vào những năm sáu mƣơi,
một giáo sƣ về đồ hoạ máy tính có tên là Sutherland đã quản lý xây dựng
thành công hệ thống thực tại ảo cơ bản đầu tiên trên máy vi tính, nó đƣợc gọi
là ―Sword of Damocles‖ bao gồm: một màn hình máy tính, một hệ thống máy
điều chỉnh, một máy tính để làm mọi thứ. Máy tính thực hiện vẽ đƣờng thẳng
đen trắng của một hình cơ bản mà ngƣời ta có thể quan sát từ mọi góc. Mặc
dù nó đơn giản song nó đã đƣa ra khái niệm làm việc cơ bản về thực tại ảo và
cũng đặt nền móng cho nhiều sự cải tiến sau này. Sutherland đã giới thiệu
những nội dung chính của việc nhúng ngƣời xem vào thế giới mô phỏng và
cảm giác hoàn thiện về các thiết bị vào ra. Ông đã phát minh ra thuật ngữ
―The Ultimate Display‖ mô tả một hệ thống hiển thị cho đồ họa máy tính, cái
mà tuỳ theo sự điều chỉnh của ngƣời sử dụng sẽ đƣợc cập nhật để hiển thị cho
phù hợp. Kết quả là ngƣời sử dụng cảm thấy mình bị vây quanh hay bị chìm
vào một thế giới mà chỉ tồn tại trong máy vi tính.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10
Vào những năm bẩy mƣơi trung tâm nghiên cứu NASA bắt đầu triển
khai những ý tƣởng về thực tại ảo, họ đã xây dựng đƣợc một thiết bị mũ đội
đầu (Head Mounted Display) đơn giản đầu tiên. Điều đó khiến cho những
ngƣời say mê bắt đầu thiết kế hệ thống thực tại ảo cho riêng mình.
Những năm đầu của thập kỷ tám mƣơi không gian ảo ba chiều đã đƣợc
phát triển mà ở đó ngƣời dùng thao tác với các đối tƣợng 3D trong không gian

bằng tay. Năm 1984, NASA đã bắt đầu tiến hành dự án VIVED (Virtual
Visual Environment Display) và sau đó là dự án VIEW (Virtual Visual
Environment Workstation).
Hiện nay các công ty nhƣ Virtual I/O, Age, VitorMaxx Technologies và
Forte đang sản xuất các thiết bị mũ đội đầu, gang tay dữ liệu tốt hơn bất cứ
một sản phẩm nào do cá nhân nghiên cứu với giá cả hợp lí. Trƣớc tình hình
phát triển các công nghệ sản xuất thiết bị nhƣ hiện nay thì vấn đề chủ yếu của
thực tại ảo là xây dựng cho đƣợc các mô hình thực tại ảo nhƣ mong muốn.
1.1.3 Các thành phần chính trong thực tại ảo:
Một hệ thống trong thực tại ảo gồm có các thành phần chính sau [3]:
- Các ứng dụng (Nghiên cứu – Đào tạo – Thƣơng mại)
- Mô hình, mô phỏng
- Phần cứng, phần mềm
- Mạng liên kết
- Ngƣời dùng
- Ở đây chúng ta sẽ tập trung vào tìm hiểu phần cứng và phần mềm
của VR


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11
* Phần cứng:
+ Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh).
+ Các thiết bị đầu vào (Input devices): Bộ dò vị trí (position tracking)
để xác định vị trí quan sát. Bộ giao diện định vị (Navigation interfaces) để di
chuyển vị trí ngƣời sử dụng. Bộ giao diện cử chỉ (Gesture interfaces) nhƣ
găng tay dữ liệu (data glove) để ngƣời sử dụng có thể điều khiển đối tƣợng.
+ Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (nhƣ màn
hình, HDM, ) để nhìn đƣợc đối tƣợng 3D nổi. Thiết bị âm thanh (loa) để nghe

đƣợc âm thanh vòm (nhƣ Hi-Fi, Surround, ). Bộ phản hồi cảm giác (Haptic
feedback nhƣ găng tay, ) để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tƣợng. Bộ phản hồi
xung lực (Force Feedback) để tạo lực tác động nhƣ khi đạp xe,
* Phần mềm:
+ Phần mềm luôn là linh hồn của Thực tại ảo cũng nhƣ đối với bất cứ
một hệ thống máy tính hiện đại nào. Ta có thể dùng bất cứ ngôn ngữ lập trình
hay phần mềm đồ họa nào để mô hình hóa (modelling) và mô phỏng
(simulation) các đối tƣợng của VR. Ví dụ: nhƣ các ngôn ngữ (có thể tìm miễn
phí) OpenGL, C++, Java3D, VRML, X3D, hay các phần mềm thƣơng mại
nhƣ WorldToolKit, PeopleShop,
+ Phần mềm của bất kỳ Thực tại ảo nào cũng phải bảo đảm 2 công
dụng chính: Tạo hình và Mô phỏng. Các đối tƣợng của Thực tại ảo đƣợc mô
hình hóa nhờ chính phần mềm này hay chuyển sang từ các mô hình 3D (thiết
kế nhờ các phần mềm CAD khác nhƣ AutoCAD, 3D Studio,3D max, ). Sau
đó phần mềm Thực tại ảo phải có khả năng mô phỏng động học, động lực học,
và mô phỏng ứng xử của đối tƣợng.
Nói chung, các hệ thống thực tại ảo phải xử lý mội khối lƣợng lớn
thông tin (đa phần là các thông tin của các đối tƣợng 3D do đó tốn bộ nhớ và
đòi hỏi thời gian xử lý là thời gian thực), vì thế nó đòi hỏi một lƣợng tài


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
nguyên bộ nhớ RAM lớn và bộ xử lý cùng các thiết bị vào ra có tốc độ cao. Vì
vậy mặc dù bắt đầu nghiên cứu từ khá lâu, xong trong một số năm gần đây
thực tại ảo mới có đƣợc sự phát triền và mở rộng ứng dụng đáng kể.
1.1.3. Ứng dụng của thực tại ảo
Hai công ty VPL và Autodesk đã giới thiệu các thiết bị cho việc giao tiếp
với thế giới ảo ở hội trợ triển lãm thƣơng mại năm 1989. Đây là bƣớc đi

đầu tiên cho việc khám phá rộng rãi các lĩnh vực ứng dụng mới của thực tại
ảo.
Những lĩnh vực đang ứng dụng thực tại ảo một cách mạnh mẽ hiện nay
là: Y học, Giáo dục và khoa học, Công nghệ thông tin, Xây dựng, Giải trí,
Quốc phòng, Điện ảnh.
 Trong y học: Khi xã hội càng phát triển thì vấn đề sức khoẻ con ngƣời
càng đƣợc quan tâm hơn. Càng ngày ngƣời ta càng cố gắng tìm ra
các phƣơng pháp, các cách thức chữa trị bệnh cho con ngƣời ngày một tốt
hơn.
Hiện nay Công nghệ thông tin đang phát triển và những ứng dụng của nó
vào thực tế trở nên phổ biến, đồng thời những thành quả to lớn của nó đem lại
thì không ai có thể phủ nhận đƣợc, một trong các lĩnh vực mà ứng dụng
Công nghệ thông tin một cách hiệu quả hiện nay là y học.
Dƣới đây là một số hình ảnh minh hoạ về việc nghiên cứu và ứng dụng
Công nghệ thông tin trong y học:




Hình 1.1 Mô phỏng các cơ cánh tay


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13
Đây là dự án nghiên cứu của Châu Âu vào tháng 11 năm 1993, dự án này
cho phép xây dựng lại mô hình cánh tay của con ngƣời trong không gian 3D
từ những dữ liệu hình ảnh trong y học và mô phỏng tất cả sự thay đổi có thể
có của các bộ phận nhƣ sự co giãn cơ.

Hình 1.2 Mô phỏng cấu trúc bộ não
Đây là dự án nghiên cứu nhằm đƣa thực tại ảo vào việc chữa trị bệnh cho
con ngƣời. Bằng cách xây dựng một chƣơng trình mà cho phép các bác sĩ trên
khắp thế giới có thể cùng tham gia quan sát, thảo luận để đƣa ra phƣơng pháp
chữa trị hiệu quả nhất.
Trong y học con ngƣời còn gặp rất nhiều những vấn đề mà nếu không
có thực tại ảo thì không dễ tìm ra phƣơng pháp giải quyết: ví dụ nhƣ việc
cung cấp môi trƣờng thực hành cho việc nghiên cứu và học tập, đây cũng là
vấn đề bức xúc và gặp nhiều khó khăn hiện nay, chúng ta thiếu các mẫu để
thực tập phẫu thuật hay môi trƣờng thực để quan sát. Đôi khi vì khả năng con
ngƣời ví dụ nhƣ tầm quan sát của mắt chúng ta không thể quan sát đƣợc mạch
máu của chúng ta nhƣ thế nào hay cấu trúc lƣợc đồ gen của chúng ta ra sao


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14
hay trong phẫu thuật nhiều khi không thể thực hiện đƣợc do đối tƣợng thực
hiện không có điều kiện sức khoẻ để thực hiện ca phẫu thuật lớn.
Những vấn đề trên đƣợc giải quyết một cách hiệu quả khi có ứng dụng
thực tại ảo. Chỉ bằng cách xây dựng các mô hình thực tại ảo cần thiết cho các
đối tƣợng là chúng ta đã có ngay môi trƣờng quan sát, nghiên cứu thực tập tốt
thậm chí có thể nói là tốt hơn thực tế.
- Trong giáo dục và khoa học: Giáo dục con ngƣời là vấn đề hàng đầu
của mỗi quốc gia trên thế giới. Tìm hiểu, nghiên cứu nhằm đƣa ra phƣơng
pháp giáo dục hiệu quả đã khó, song còn có những vấn đề còn khó khăn hơn
đó là làm sao kích thích đƣợc niềm say mê học tập, nghiên cứu của con ngƣời
và tính tự giác, khả năng tƣ duy và tƣởng tƣợng của mỗi con ngƣời và làm sao
để cung cấp môi trƣờng học tập nghiên cứu tốt nhất nhằm phát huy hết những
khả năng của con ngƣời.

Theo nhƣ cách giáo dục truyền thống nhiều khi chúng ta không thể
cung cấp đƣợc môi trƣờng nghiên cứu học tập tốt, không khơi dậy đƣợc
niềm đam mê, hứng thú hay không thể phát huy hết đƣợc khả năng
tƣởng tƣợng và tƣ duy của con ngƣời làm cho hiệu quả giáo dục không cao.
Những chƣơng trình nhằm rèn luyện tƣ duy, những chƣơng trình rèn
luyện khả năng tƣởng tƣợng, những chƣơng trình cung cấp mô hình thực
nghiệm, những chƣơng trình kích thích trí tò mò là chƣa nhiều hay có thể
là chƣa nhiều chƣơng trình hiệu quả. Nguyên nhân là các chƣơng trình đƣợc
xây dựng chƣa có khả năng phát huy hết đƣợc sự cảm nhận của con ngƣời,
chƣa gây đƣợc ấn tƣợng sâu sắc về vấn đề cần truyền đạt cho đối tƣợng
cần truyền đạt, môi trƣờng truyền đạt không gây đƣợc trí tò mò.
Hiện nay có một xu hƣớng mới trong việc ứng dụng Công nghệ thông tin
trong giáo dục mà rất đƣợc quan tâm nghiên cứu và phát triển đó là xây dựng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15
mô hình thực tại ảo trên máy vi tính nhằm cung cấp các môi trƣờng học tập
và nghiên cứu. Những mô hình đƣợc xây dựng ở đây phải xây dựng làm sao
để chuyển tải đƣợc thực tế vào môi trƣờng mô phỏng đó, cung cấp khả năng
tƣơng tác của con ngƣời với môi trƣờng mô phỏng đó, có khả năng kích thích
cao với ngƣời tham gia. Qua những lần thực nghiệm này thì chúng ta sẽ ngày
càng đạt đƣợc hiệu quả cao hơn trong giảng dạy.
 Trong thiết kế xây dựng: Những chƣơng trình đồ họa mạnh nhất hiện
nay chủ yếu đƣợc phục vụ vào các lĩnh vực thiết kế và xây dựng nhƣ
AUCAD, AUTODEST, 3DMAX, SHAPRE,… Những chƣơng trình này đã
giúp cho những nhà thiết kế xây dựng giảm đƣợc rất nhiều chi phí về thời
gian và công sức thiết kế. Song hầu hết các chƣơng trình này mới chỉ dừng lại
ở mức các bản vẽ chứ chƣa thực sự tạo ra cho ngƣời ta cảm giác hay một cái

nhìn về những công trình mà họ thiết kế trên thực tế nó sẽ nhƣ thế nào.
Thực tại ảo tạo ra cho ngƣời ta cảm giác chìm đắm trong một không gian
nhƣ trên thực tế mà đã đƣợc xây dựng trên máy vi tính và sẽ giúp cho
chúng ta có thể có một cái nhìn chi tiết về công trình đã đƣợc thiết kế.
Dƣới đây là một số hình ảnh về ứng dụng của thực tại ảo trong xây dựng,
thiết kế và trang trí.








Hình 1.3 Mô phỏng kiến trúc công trình


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16
- Trong quốc phòng: Để binh lính không bị xa lạ, bỡ ngỡ với chiến trận
thì cần phải thƣờng xuyên có những lần tập trận, mà chi phí cho việc đó là rất
cao. Nếu sử dụng các mô hình thay thế, kèm theo âm thanh và tiếng động
cũng có thể tạo ra đƣợc một trận tập kích mà hiểu quả đạt đƣợc là nhƣ thật và
chi phí thì rất ít. Bên cạnh đó, để cho binh lính có thể tiếp xúc và hiểu biết về
các máy móc và thiết bị đắt tiền thì nên xây dựng các mô hình về thiết bị đó,
máy móc đó nhƣ vậy sẽ đảm bảo đƣợc tính phổ dụng rộng rãi.
Khi ứng dụng thực tại ảo vào trong quân sự thì hiệu quả kinh tế mà nó
mang lại là thực sự to lớn, ngƣời ta sẽ giảm đƣợc một lƣợng lớn kinh phí phục
vụ cho việc tập luyện hay thực hiện đƣợc những vấn đề mà trên thực tế khó có

thể thực hiện đƣợc hay những vấn đề trên thực tế phải áp dụng những quy tắc
an toàn nghiêm ngặt song vẫn có mối nguy hiểm lớn đến tính mạng và tài sản
của con ngƣời.
 Trong điện ảnh: Nhƣ chúng ta đã biết hiện nay điện ảnh là một lĩnh
vực đang lên ngôi, chắc hẳn ai trong chúng ta cũng đã từng xem phim và cũng
đã từng thƣởng thức những cảnh thú vị trong phim do các diễn viên, nhân vật
trong phim thể hiện. Và chúng ta chỉ có thể nghĩ rằng những điều đó chỉ có
thể có trong phim chứ không có trên thực tế. Đúng vậy những phim đƣợc coi
là hay nhất, đƣợc ƣa chuộng nhất hiện nay là những phim có những cảnh
ngoạn mục, hoành tráng. Một vài những năm gần đây những phim đó đã ứng
dụng thực tại ảo và những phƣơng pháp xử lý đồ họa mạnh tạo ra những
hiệu ứng, những cảnh mà trên thực tế không thể thực hiện đƣợc.
 Trong hội thảo từ xa: Các công việc đƣợc trao đổi giữa những ngƣời ở
các nơi khác nhau bằng cách chia sẻ thông tin thông qua mạng. Hội thảo từ
xa là một ứng dụng của mục đích này. Sự cảm nhận không gian và sử
dụng không gian cho việc gặp gỡ và trao đổi với nhau trong môi trƣờng ba
chiều có đặc điểm:
 Kích thích mạnh mẽ ngƣời tham gia trong hội thảo.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17
 Âm thanh vẫn giữ đƣợc tự nhiên.
 Có đƣợc các thao tác phối hợp nhƣ trong thế giới thực.
Nhƣ vậy thực tại ảo có ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống.
Qua đó cũng nhận thấy đƣợc ý nghĩa to lớn của việc ứng dụng thực tại ảo, bởi
những vấn đề khó khăn mà nếu không có thực tại ảo thì có thể nói là khó lòng
giải quyết hay nếu có giải quyết đƣợc thì hiệu quả cũng không cao và chi phí
sẽ rất tốn kém. Còn khi ứng dụng thực tại ảo vào thì những vấn đề đó trở nên

đơn giản hơn và hiệu quả mang lại thật sự to lớn kể cả vật chất lẫn tinh thần.
Thực tại ảo cung cấp một giao diện nhiều chiều giữa máy và con ngƣời, chính
nhờ điều này và kết hợp với các thiết bị khác nhau cho nên thực tại ảo tạo ra
những ứng dụng mà ở đó con ngƣời có một cách để xây dựng, thao tác dữ liệu
phức tạp một cách tự nhiên và thực tại ảo đƣợc sử dụng để mô phỏng thế giới
thực trong nhiều ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên để có đƣợc các mô hình thực
tại ảo nhƣ trên thì cần phải có một ngôn ngữ xây dựng chúng, chƣơng tiếp
theo sẽ tìm hiểu ngôn ngữ VRML để xây dựng mô hình thực tại ảo.
1.2. Sinh ảnh trong thực tại ảo
1.2.1. Sinh ảnh trong thực tại ảo
Trong đồ họa máy tính, rendering gọi tắt là sinh ảnh, là một quá trình
sinh tạo một hình ảnh từ một mô hình bằng cách sử dụng một chƣơng trình
ứng dụng phần mềm. Mô hình là mô tả của các đối tƣợng ba chiều bằng một
ngôn ngữ đƣợc định nghĩa chặt chẽ hoặc bằng một cấu trúc dữ liệu. Mô tả này
bao gồm các thông tin về hình học, điểm nhìn, chất liệu và bố trí ánh sáng của
đối tƣợng. Hình ảnh này có thể là một hình ảnh số (digital image) hoặc một
hình ảnh đồ họa điểm (raster graphics image). Thuật ngữ này có thể tƣơng
đồng với "quá trình một họa sĩ vẽ" một phong cảnh nào đấy. Thuật ngữ "sinh
ảnh" còn đƣợc dùng để chỉ quá trình tính toán các hiệu ứng trong một tập tin
biên tập phim để tạo kết quả video cuối cùng.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

18
Rendering là một trong các chủ đề con chính của đồ họa máy tính
ba chiều (3D computer graphics). Trong thực tiễn, nó luôn luôn có quan hệ
chặt chẽ với các chủ đề khác. Trong 'quy trình xử lý đồ họa' (graphics
pipeline), sinh ảnh là bƣớc quan trọng cuối cùng để tạo ra diện mạo kết cục
của các mô hình và hoạt hình. Với tính phức tạp của đồ họa máy tính

ngày càng tăng, từ năm 1970 đến nay, rendering đã trở thành một chủ đề riêng
biệt.
Sinh ảnh đƣợc sử dụng trong: trò chơi video và điện tử (computer and
video games), trong các chƣơng trình mô phỏng (simulators), trong điện ảnh
(movies) hay trong hiệu ứng đặc biệt (special effects) trên TV, và trong
hình tƣợng hóa thiết kế (design visualisation), mỗi cái áp dụng một cân bằng
giữa các đặc trƣng và kỹ thuật khác nhau. Hiện nay còn có nhiều sản phẩm
phần mềm đa dạng dùng cho việc sinh ảnh đồ họa. Một số đƣợc kết hợp trong
những bộ phần mềm tạo mô hình và làm phim hoạt họa, một số khác là những
phần mềm đứng riêng (stand-alone) và một số là những dự án nguồn mở tự do
(free open-source projects). Bên trong chúng, chƣơng trình sinh ảnh là một
chƣơng trình ứng dụng đƣợc thiết kế và xây dựng một cách cẩn trọng,
dựa trên một số kiến thức của các ngành: vật lý quang học, nhận thức thị giác
(visual perception), toán học và phát triển phần mềm.
Trong trƣờng hợp đồ họa 3D, việc sinh ảnh là một quá trình chậm chạp,
chẳng hạn nhƣ trong tiến trình sinh ảnh trƣớc (pre-rendering), hoặc trong việc
sinh ảnh trong thời gian thực (real time rendering). Sinh ảnh trƣớc là một
tiến trình đòi hỏi một khối lƣợng tính toán lớn, đặc biệt đƣợc dùng trong việc
tạo phim điện ảnh, trong khi đó, sinh ảnh trong thời gian thực thƣờng đƣợc sử
dụng trong các trò chơi điện tử 3D (3D video games), và phụ thuộc vào các
bộ điều hợp đồ họa (graphics cards) với bộ tăng tốc phần cứng 3D (3D
hardware accelerators).


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

19
1.2.2. Photon mapping trong sinh ảnh
Thuật toán photon mapping đƣợc phát triển 1993-1994 và các tài liệu đầu
tiên về phƣơng pháp này đƣợc xuất bản vào năm 1995. Nó là một thuật toán

đa năng có khả năng mô phỏng ánh sáng toàn cảnh bao gồm quang học,
khuếch tán phản xạ qua lại, và tham gia truyền thông trong những cảnh phức
tạp. Nó cung cấp sự linh hoạt tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp Monte Carlo ray
tracing chỉ sử dụng một phần nhỏ thời gian tính toán.
Thuật toán chiều sáng toàn cảnh dựa trên phƣơng thức bản đồ photon
gồm 2 vấn đề. Vấn đề đầu tiên là xây dựng bản đồ photon bằng cách phát ra
các photon từ các nguồn ánh sáng vào cảnh và lƣu trữ chúng trong một bản đồ
photon khi nó va đập phản chiếu các đối tƣợng. Thứ hai, sinh ảnh, sử dụng kỹ
thuật thống kê trên bản đồ photon để trích xuất thông tin về thông lƣợng đến
và phản ánh bức xạ tại bất kỳ điểm nào trong cảnh. Các bản đồ photon đƣợc
tách riêng từ các đại diện hình học của các cảnh. Đây là tính năng chính của
thuật toán, làm cho nó có khả năng mô phỏng chiều sáng toàn cảnh trong
những cảnh phức tạp có chứa hàng triệu điểm ảnh, minh họa hình học, và các
biện pháp phức tạp xác định đối tƣợng.
So với độ phát xạ phần tử hữu hạn, Photon mapping có lợi thế là không
cần phải chia lƣới. Các thuật toán độ phát xạ nhanh hơn trong các cảnh
khuếch tán đơn giản nhƣng lại là sự phức tạp của việc tăng cảnh, bản đồ
photon có xu hƣớng quy mô tốt hơn. Ngoài ra phƣơng pháp Photon mapping
còn xử lý bề mặt không khuếch tán và điểm tụ quang.
Lợi ích chính của Photon mapping so với những phƣơng pháp khác rất
hiệu quả, và yêu cầu chính của phƣơng pháp này là bộ nhớ dùng để lƣu trữ
thêm các photon.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

20
Lợi thế lớn của các bản đồ photon (trong thƣơng mại) là không có bằng
sáng chế về phƣơng pháp, bất cứ ai có thể thêm các bản đồ photon để sinh ảnh
của họ. Do đó một số hệ thống thƣơng mại đã sử dụng Photon mapping để

sinh ảnh tụ quang.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21
Chƣơng 2

MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG SINH ẢNH
BỞI PHOTON MAPPING

2.1. Thuật toán Photon mapping
Thuật toán lập bản đồ photon đƣợc phát minh bởi Henrik Wann Jensen.
Lập bản đồ photon ánh sáng từ sự tách rời hình học của cảnh và lƣu trữ
dữ liệu này trong một cấu trúc riêng biệt gọi là một bản đồ photon . Việc tách
các bản đồ photon từ đại diện hình học đơn giản hóa và cho phép đại diện cho
cảnh phức tạp.
Ý tƣởng của việc tách ánh sáng từ hình học của cảnh không phải là hoàn
toàn mới, bản đồ chiếu sáng lần đầu tiên đƣợc đề xuất bởi Arvo [4] nhƣ là một
bƣớc theo hƣớng này. bản đồ chiếu sáng Arvo tƣơng tự nhƣ một bản đồ kết
cấu nhƣng thay vì tịnh tiến hoặc nhiễu loạn nhiều vector pháp tuyến, nó mang
thông tin chiếu sáng. Bản đồ chiếu sáng bao gồm một mảng hình chữ nhật của
các điểm dữ liệu đặt vào một hình vuông 1 x 1 và ánh xạ lên bề mặt của đối
tƣợng. Một tia sáng va đập một bề mặt, độ lớn năng lƣợng đƣợc lƣu trữ trong
bốn điểm dữ liệu lân cận có trọng số nhƣ minh họa trong hình 2.1



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

22


Hình 2.1 Bản đồ chiếu sáng

Lập bản đồ chiếu sáng có những vấn đề tƣơng tự nhƣ phƣơng thức phần
tử hữu hạn. Vấn đề chính là tính toán độ phân giải của bản đồ. Sử dụng các
bản đồ chiếu sáng trong các mô hình phức tạp là khá tốn kém và cả khi sử
dụng nó trên các bề mặt bằng phẳng cũng rất khó nếu họ có thể đƣợc biểu
diễn bằng tham số.
Thuật toán của hai bản đồ chiếu sáng và Photon mapping thể hiện qua
hai giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên chiếu sáng cảnh và tạo ra các bản đồ. Giai
đoạn thứ hai giới thiệu cho ngƣời xem và sinh ảnh từ cảnh. Do đó ánh sáng
đầu tiên ánh sáng đƣợc phân tán xung quanh cảnh.
Tia đƣợc tạo ra
trong chiếu sáng
Bề mặt phản chiếu
Bề mặt
Năng lƣợng bị tiêu hao
thông qua phản xạ
khuếch tán
Bản đồ chiếu sáng


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

23
Tuy nhiên Photon mapping khác với bản đồ chiếu sáng là trong
Photon mapping không chỉ lƣu trữ các photon mà còn cả cƣờng độ chiếu sáng.
Photon A có một hƣớng, một địa điểm và một giá trị màu sắc. Mặt khác

các bản đồ chiếu sáng dựa hoàn toàn vào hình học của các đối tƣợng để có
thông tin về hƣớng. Thứ hai các photon không đƣợc lƣu trữ cố định trong một
hệ thống lƣới nhƣ đã làm với các bản đồ chiếu sáng. Sự phân bố của các
photon là không thống nhất và do đó đƣợc tách ra từ nhiều hình học. Các
photon trong chính nó chính là một điểm chứa dữ liệu.
2.1.1 Photon Tracing
Để lƣu giữ ánh sáng một cách riêng biệt từ hình học của cảnh, cấu trúc
photon là cần thiết. Đại diện cho thông lƣợng mỗi photon phải chứa các thông
tin về hƣớng của dòng năng lƣợng, lƣợng năng lƣợng và vị trí của các photon.
Một kiểu cấu trúc photon thể hiện trong C sẽ nhƣ sau:
struct
photon
{
float x,y,z; // position ( 3 x 32 bit floats )
float color[3]; // power ( 3 x 32 bit floats )
float vector[3]; // incident direction ( 3 x 32 bit floats )
short sortFlag; // flag used in kd-tree
}
Trong trƣờng hợp bộ nhớ là vấn đề cần quan tâm, photon có thể đƣợc
nén bằng cách chọn các photon đại diện lũy thừa bằng bốn byte bằng cách sử
dụng chia sẻ của Ward-RGB-định dạng số mũ và sử dụng tọa độ theo hƣớng
photon.
Phần đầu tiên của thuật toán photon mapping là photon tracing đƣợc
nghiên cứu bởi Jensen. Photon tracing là một quá trình phát photon từ