Bài giảng Ray Tracing

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PPT | Số trang:55

Thêm vào BST

Báo xấu

78
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Ray Tracing cung cấp cho các bạn những kiến thức về ưu điểm của Ray Tracing; điều kiện áp dụng thuật toán Ray Tracing; tính chất của Ray Tracing; mô hình tạo ảnh của Ray tracing; phương pháp tạo ảnh; Lighting model và một số nội dung khác.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Ray Tracing

Ray Tracing 1
Giới thiệu  Các nhà khoa học đồ họa máy tính luôn muốn tạo được những hình ảnh như thật như trong tự nhiên. Điều đó có thể đạt được khi ngày nay máy tính đã trở nên mạnh hơn, những thiết bị xuất nhập đồ họa trở nên phổ biến.  Vì thế không ai không bị gây ấn tượng khi những gì họ thấy trong phim khoa học viễn tưởng thực chất là do máy tính tạo ra. Đối với những công việc cần có mô hình phức tạp và tốn công để vẽ thì bây giờ có thể mô hình hóa trên máy tính với những chi tiết phức tạp nhưng lại cho ra những kết quả hết sức trung thực. 2
Giới thiệu (cont.)  Nền tảng để máy tính xây dựng các hình ảnh chính là cách mô hình hình học chính xác các hình ảnh đó. Hiện nay có nhiều thuật giải đã được phát hiện dùng để hiển thị cho nhiều mô hình toán học hiển thị mặt cong: mặt tham số hóa, các mặt bậc ba, các mặt dạng ẩn…  Sự khác nhau giữa các thuật giải này chính là sự khác nhau về mặt hình học của đối tượng cần được hiển thị. Vì vậy đối với mỗi loại đối tượng khác nhau cần có một phương pháp hiển thị khác nhau tương ứng. 3
Ưu điểm Khắc phục được nhược điểm trên, Ray Tracing là phương pháp tổng quát rất hữu hiệu để hiển thị các mặt cong bởi vì: – là tính đơn giản của thuật toán, – sử dụng nguyên lý quang hình nên tạo ra những hình ảnh rất giống thực tế, – áp dụng cho nhiều loại mặt cong. 4
Điều kiện áp dụng thuật toán Ray Tracing Để áp dụng thuật toán Ray Tracing cho các mặt cong thì ta phải xác định được 2 điều: – giao điểm của một đường thẳng với một mặt cong – pháp vector tại một điểm trên mặt cong. Những mặt cong nào thỏa mãn 2 điều kiện này thì có thể áp dụng phương pháp Ray Tracing để hiển thị. 5
Tính chất của Ray Tracing  Ray tracing là phương pháp để tạo ra những hình ảnh giống như thật: – sự tương tác giữa ánh sáng và bóng tối với các vật thể được thể hiện giống như ta thấy trong tự nhiên. – sự kết hợp đơn giản của các hiệu ứng như bóng, sự phản xạ, khúc xạ. – mô phỏng theo đường đi giữa tia sáng và vật thể theo quy luật của quang hình học.  Những gì (hình ảnh) mà chúng ta thấy được là sự tổ hợp màu của hàng tỉ tia sáng đi vào mắt chúng ta.  Vì vậy, Ray Tracing đề ra phương pháp để tính toán màu sắc của tia sáng. 6
Tính chất của Ray Tracing Eyepoint Screen Scene 7
Mô hình tạo ảnh của Ray Tracing Nguồn sáng Tia này giao với Vật thể một vật thể. Màu của điểm ảnh tương ứng tùy thuộc vào màu của vật thể và những yếu Tương ứng tố khác. giữa View Plane và Buffer Buffer lưu trữ hình ảnh. Viewpoint Location View Tia này không giao với vật thể nào. Plane 8 Màu của điểm ảnh tương ứng được xác định bởi màu nền.
Mô hình tạo ảnh của Ray tracing • Mô hình tạo ảnh của Ray Tracing, bao gồm: – light source (nguồn sáng), – object (vật thể), – viewing geometry (tầm nhìn). • Light source bao gồm các thuộc tính vị trí và màu sắc. • Object có các thuộc tính: màu sắc, vị trí, độ phản xạ, khúc xạ, phương trình mặt, vectơ trực chuẩn. • Viewing geomeotry (tầm nhìn) được định nghĩa phức tạp hơn. Thực chất, tầm nhìn xác định vị trí mắt người nhìn, hướng của mắt sẽ nhìn tới và vùng nào trong không gian mà mắt sẽ nhìn thấy 3 chiều thông qua một cửa sổ gọi là viewplane. 9
Viewing Geometry View Plane Mắt Mắt Up Direction Right Location Không gian vật thể phía sau View Plane View Plane 10
Viewing Geometry Chúng ta sử dụng 4 vector để định nghĩa viewing geomeotry:  Location: xác định vị trí của mắt trong hoạt cảnh 3 chiều. Vị trí của mắt được xác định trong cùng hệ tọa độ với các vật thể.  Direction: định nghĩa bởi một vector từ vị trí mắt điểm giữa của viewplane. Độ lớn của vector này xác định khoảng cách giữa mắt và viewplane.  Up: vector có gốc là điểm giữa của viewplane và ngọn là điểm giữa của cạnh trên viewplane.  Right: vector có gốc là điểm giữa của viewplane và ngọn là điểm giữa của cạnh phải viewplane. 11
Phương pháp tạo ảnh  Trên thực tế, tia sáng xuất phát từ nguồn sáng, đi vào hoạt cảnh 3 chiều, sau khi tương tác với các vật thể tia sáng đi ra khỏi hoạt cảnh, có thể được mắt nhìn thấy hoặc không.  Phương pháp này thường được gọi là Ray Tracing thuận và phải tính toán rất nhiều.  Sở dĩ như vậy là vì khi muốn tạo hình ảnh của hoạt cảnh ta phải xây dựng hàng tỉ tia sáng (có thể hơn thế nữa) đi từ nguồn sáng mà chỉ có một số ít có hướng đi đúng qua viewplane và tới mắt người xem.  Như thế máy tính PC không thể trong thời gian ngắn hoàn thành được công việc đồ sộ như vậy. 12
Phương pháp tạo ảnh (cont.)  Bằng cách thay phương pháp đi của tia sáng, ta được một kỹ thuật tạo ảnh nhanh chóng hơn nhiều thường được gọi là Ray Casting hay Ray Tracing ngược.  Ý tưởng của phương pháp này là cho tia sáng xuất phát từ vị trí mắt và đi qua từng điểm trên viewplane vào hoạt cảnh 3 chiều.  Khi tia sáng tương tác với các vật thể trong hoạt cảnh, điểm trên viewplane (và điểm màu trên buffer) tương ứng với tia sáng đó sẽ có màu của giao điểm của vật thể gần nhất mà tia sáng tương tác. 13
Ray Casting Eyepoint Screen Scene 14
Lighting model Màu sắc của một điểm trên vật thể bị ảnh hưởng bởi những yếu tố sau đây:  Giữa điểm đó và nguồn sáng có vật thể nào che khuất hay không, nếu không nó được chiếu sáng hoàn toàn.  Sự phản xạ của bề mặt vật thể. Điển hình là cái gương nó phản xạ hoàn toàn các tia sáng tới. Cái gương không hề có màu của nó mà mang màu của những tia sáng đi tới.  Sự khúc xạ ánh sáng của bề mặt vật thể. Ví dụ khi nhìn miếng thủy tinh ta không hề thấy màu của miếng thủy tinh mà chỉ thấy màu của những vật thể phía sau nó. 15
Shadow – Bóng Đường thẳng nối giao điểm và nguồn sáng giao với vất thể khác. 16
Inter-object reflections – Phản xạ Tạo tia sáng phản xạ ra khỏi vật thể, Nếu nó tương tác với vật thể khác thì tính toán màu sắc của nó và phối hợp màu với giao điểm đầu tiên. 17
Refraction – Khúc xạ Vật thể trong suốt bẻ cong ánh sáng khi đi qua nó sin n2 n1 2 i sin r n1 18
Recursive ray tracing - Đệ qui 19
Lighting model (cont.) • Do vậy để tính màu tại một điểm ta phải tổng hợp màu: – màu do nguồn sáng (local shading), – màu do tia phản xạvà màu do tia khúc xạ mang tới (recursive shading). • Hai màu do tia phản xạ và khúc xạ tạo nên có được bằng cách xây dựng thêm hai tia phản xạ và khúc xạ và tiếp tục tính màu của hai tia trên bằng phương pháp trên. Đây được gọi là sự đệ qui trong cách xây dựng màu của vật thể. 20