Kỹ thuật PHOTON MAPPING trong sinh ảnh và ứng dụng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (294.61 KB, 27 trang )
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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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
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
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
