Bài giảng illumination & Shading

Nội dung text: Bài giảng illumination & Shading

1. Illumination & Shading 1
2. Khơng gian màu RGB • Mơ tả màu sắc bằng 3 thành phần Red, Green, Blue. • Mỗi màu được biểu diễn bằng tổ hợp 3 màu Red, Green, Blue. B Cyan(0,1,1) White(1,1,1) Blue(0,0,1) Magenta(1,0,1) G Yellow(1,1,0) Black(0,0,0) Red(1,0,0) R 2
3. Khơng gian màu RGB (cont.) Yellow Green Red Cyan Magenta Red-Green-Blue Color Cube Blue Red(1,0,0) + Blue(0,0,1) = Magenta(1,0,1) Grey Level 3
4. Gamma Correction ❖ Màn hình máy tính (cũng như TV) khơng cĩ sự tương ứng tuyến tính giữa giá trị màu và cường độ sáng của thiết bị hiển thị gây bởi lớp photpho trên màn hình. ❖ Cơng nghệ truyền hình sử dụng hằng số gamma (1.8 đến 2.6, thường dùng là 2.222) để hiệu chỉnh độ chênh lệch. CorrectedValue = Value1.0 / GammaCorrection Value CorrectedValue 4
5. Thuật ngữ Illumination: sự di chuyển của năng lượng từ nguồn sáng đến bề mặt vật thể Lưu ý: chiếu sáng trực tiếp và gián tiếp Lighting: tính tốn cường độ sáng của điểm trên bề mặt Shading: gán màu cho pixel 5
6. Các thành phần của chiếu sáng • Nguồn sáng – Direct – Indirect • Tính chất của bề mặt vật thể – Color – Tính chất: • Position • Orientation • Shape • Microgeometry (smooth, rough, in-between) 6
7. Tính chất của tia sáng Màu Tính chất hình học: – Vị trí - Position – Hướng - Orientation – Dạng Shape Directional attenuation 7
8. Tơ bĩng Tính tốn màu và cường độ ánh sáng khi rời khỏi bề mặt vật thể và đi vào mắt. Màu của tia sáng mà mắt cảm nhận được là tổng hợp: • Màu của bề mặt vật thể. • Màu của bất kì tia sáng nào phản xạ ra khỏi vật thể. • Màu của bất kì tia sáng nào khúc xạ qua khỏi vật thể. 8
9. Tơ bĩng (cont.) Để tính tốn màu trong quá trình tơ bĩng, người ta quan tâm : • hướng của tia sáng • tính chất bề mặt vật thể. Khi tia sáng tuơng tác với mặt vật thể, tơ bĩng xác định ánh sáng sẽ được lan truyền đến mắt như thế nào: • sự phản chiếu ánh sáng – specular : phụ thuộc vào hướng của tia sáng. • sự khuếch tán ánh sáng – diffuse : giống nhau theo mọi hướng, khơng phụ thuộc vào hướng của tia sáng. Phản chiếu và khuếch tán ánh sáng đều tồn tại trong phản xạ (reflection) và khúc xạ (transmission) ánh sáng. 9
10. Tơ bĩng (cont.) Ánh sáng đi từ nguồn trực tiếp hay gián tiếp => Cĩ 8 loại nguồn sáng khác nhau. Để đơn giản quá trình tính tốn, ta phải loại bỏ một số nguồn sáng khơng quan trọng => mất độ chính xác của hình ảnh tạo ra, nhưng gần giống với tự nhiên. • Khơng quan tâm đến tần số ánh sáng • Sự phản xạ và khúc xạ giữa các vật thể được loại bỏ • Khoảng cách 10
11. Tơ bĩng (cont.) Tần số ánh sáng Trong sự tương tác giữa vật thể và tia sáng, tần số ánh sáng ảnh hưởng đến màu của vật thể. Ví dụ, lăng kính sẽ bẻ cong ánh sáng theo những góc khác nhau tùy thuộc vào tần số của từng thành phần ánh sáng. Do đó, việc không xem xét tần số ánh sáng sẽ làm một số hiệu ứng của ánh sáng bị mất. 11
12. Tơ bĩng (cont.) Sự phản xạ và khúc xạ Sự phản xạ và khúc xạ giữa các vật thể cung cấp nguồn sáng trong hầu hết các khung cảnh. Bởi vì nhiều vật thể phản xạ ánh sáng khuếch tán, chúng tạo ra vô số những nguồn sáng không định hướng đến các vật thể khác trong khung cảnh. Các nguồn sáng đó có thể đi vào mắt người quan sát và do đó chúng ta có thể thấy được. Bởi vì sự phức tạp của việc tính toán sự chiếu sáng không định hướng từ những vật thể khác trong khung cảnh, hầu hết các mô hình tô bóng thay thế sự phân phối ánh sáng giữa các vật thể bằng ánh sáng ambient. Nếu không có gì thay thế cho sự chiếu sáng không định huớng thì các vật thể nào mà không được chiếu sáng trực tiếp từ nguồn sáng sẽ có màu đen và không được nhìn thấy. Aùnh sáng ambient cung cấp một lượng ánh sáng nhỏ cho phép những vật thể bị che khuất có thể nhìn thấy được. 12
13. Tơ bĩng (cont.) Khoảng cách Ánh sáng di chuyển trong khơng gian sẽ giảm cường độ, tỉ lệ theo bình phương khoảng cách. Một số mơ hình tơ bĩng khơng quan tâm đến khoảng cách giữa nguồn sáng và vật thể. Do đĩ, tất cả vật thể trong khung cảnh đều nhận một cường độ sáng như nhau. 13
14. Tơ bĩng (cont.) Tối ưu tính tốn Sau khi thực hiện việc đơn giản hóa việc tính toán màu, chúng ta quan tâm đến 4 loại nguồn sáng chính sau: – Aùnh sáng ambient. – Aùnh sáng phản xạ khuếch tán diffuse (reflection). – Aùnh sáng phản chiếu specular reflection. – Aùnh sáng khúc xạ refraction. 14
15. Ánh sáng Ambient Ánh sáng ambient chỉ là sự đơn giản hóa sự chiếu sáng giữa các vật thể. Tia sáng ambient trong khung cảnh tương tác với vật thể từ mọi hướng và phản xạ theo mọi huớng. Cường độ của ánh sáng ambient phản xạ vào mắt độc lập với hướng mắt nhìn và hướng của nguồn sáng. 15
16. Ánh sáng Ambient (cont.) Aùnh sáng ambient có thể tính toán theo 2 cách: Ia = ka * Il – Il là cường độ của nguồn sáng – ka hằng số hấp thụ ánh sáng ambient. Hằng số ka xác định ánh sáng ambient sẽ được phản xạ từ bề mặt vật thể nhiều hay ít . Phương pháp này cho ánh sáng ambient phản xạ từ bề mặt vật thể là hàm theo màu của nguồn sáng, không phải là màu của vật thể. 16
17. Ánh sáng Ambient (cont.) Aùnh sáng ambient có thể tính toán theo cách khác mang hiệu ứng thực hơn: Ia = ka * IO – IO là cường độ màu của bề mặt vật thể – ka hằng số hấp thụ ánh sáng ambient, thơng thường là 0.4. Với phương pháp này, vật thể trong khung cảnh nếu chỉ được chiếu sáng bởi ánh sáng ambient thì có màu tối hơn màu thật của nó. 17
18. Ánh sáng Ambient (cont.) Aùnh sáng ambient có thể tính toán theo cách khác mang hiệu ứng thực hơn: Ia = ka * IO – IO là cường độ màu của bề mặt vật thể – ka hằng số hấp thụ ánh sáng ambient, thơng thường là 0.4. Với phương pháp này, vật thể trong khung cảnh nếu chỉ được chiếu sáng bởi ánh sáng ambient thì có màu tối hơn màu thật của nó. ka = 0.0, 0.2, 0.4, 0.6. 18
19. Ánh sáng Ambient (cont.) Phương trình trước được áp dụng cho ánh sáng đơn. Chúng ta áp dụng nó cho 3 thành phần RGB riêng biệt: IaRed = kaRed * IoRed IaGreen = kaGreen * IoGreen IaBlue = kaBlue * IoBlue Để cho đơn giản, chúng ta cho các hằng số hấp thụ kaRed, kaGreen, kaBlue bằng nhau, mặc dù hầu hết các bề mặt vật thể hấp thụ các tần số ánh sáng khác nhau ở những mức độ khác nhau. 19
20. Phản xạ khuếch tán – Diffuse Reflection Aùnh sáng phản xạ khuếch tán phản xạ ánh sáng theo mọi hướng. Sự phân phối của ánh sáng phản xạ khuếch tán từ bề mặt vật thể không phụ thuộc vào vị trí của người quan sát. Vì thế, chúng ta không quan tâm đến hướng của mắt nhìn. 20
21. Luật Lambert’s cosine Sự phản xạ ánh sáng dựa trên luật Lambert’s cosine: Năng lượng phản xạ bởi bề mặt vật thể từ một nguồn sáng cĩ định hướng tỉ lệ với cosine gĩc tạo bởi hướng của ánh sáng và vectơ trực chuẩn của bề mặt. Cường độ phản xạ phụ thuộc vào hướng của bề mặt và nguồn sáng, nhưng khơng phụ thuộc vào vị trí quan sát (view-independent). Quả cầu theo các hướng nguồn sáng khác nhau: 21
22. Tính tốn ánh sáng Diffuse Gĩc giữa pháp vectơ N của bề mặt và ánh sáng tới L gọi là gĩc tới θ: L N  Id = kd  Il cosθ Trong thực tế, ta dùng tích vơ hướng với N và L được chuẩn hĩa: Id = kd  Il (LN) 22
23. Tính tốn ánh sáng Diffuse (cont.) Như ở trên, phương trình đơn sắc phải được áp dụng cho các thành phần RGB. Hằng số kd (hấp thu ánh sáng) có những giá trị khác nhau đối với màu sắc. Trên thực tế, người ta sử dụng công thức sau: kdRed = kd’ * IoRed kdGreen = kd’ * IoGreen kdBlue = kd’ * IoBlue Trong đó kd’ là hằng số hấp thụ được dùng trong 3 trường hợp và Io là màu của vật thể. Theo trực giác, phương trình này cho thấy ánh sáng hấp thụ bởi bề mặt vật thể phụ thuộc vào màu của tia sáng và màu của vật thể. Ví dụ, nếu ánh sáng trắng phản xạ từ vật thể màu đỏ, ánh sáng phản xạ sẽ có màu đỏ bởi vì thành phần màu Blue và Green bị hấp thụ bởi bề mặt vật thể. Đối với những khung cảnh có nhiều nguồn chiếu sáng, chúng ta tổng cộng tất cả các phân phối của ánh sáng khuếch tán. 23
24. Tính tốn ánh sáng Diffuse (cont.) Do muốn kết quả gần giống với thực tế hơn, chúng ta thay đổi công thức trên một ít. Đầu tiên, chúng ta định nghĩa khái niệm mới “Brilliance”, được dùng để giới hạn hiệu ứng của ánh sáng khuếch tán. Nói một cách khác, Brilliance gia tăng sự tác động của ánh sáng khuếch tán gần vector trực chuẩn (và giảm sự phân phối ánh sáng nhanh chóng khi góc giữa tia sáng tới và vector trực chuẩn gia tăng). Vì vậy, công thức trên được thay đổi như sau: Brilliance Id = Il * kd * (N . L) Brilliance = 8.0, 4.0, 2.0, 1.0 24
25. Phản xạ phản chiếu - Specular reflection Aùnh sáng phản chiếu có từ những bề mặt bằng phẳng. Nếu bề mặt vật thể đủ phẳng, ánh sáng phản chiếu xuất hiện. Aùnh sáng phản chiếu xuất hiện trên bề mặt vật thể như là một mảng ánh sáng nhỏ của nguồn sáng phản xạ lại. Nếu bề mặt càng phẳng thì sự phản chiếu càng tăng. Aùnh sáng phản chiếu không mang màu của bề mặt vật thể bởi vì ánh sáng phản chiếu tương tác với vật thể không bị hấp thụ và phản xạ từ bề mặt vật thể như trường hợp ánh sáng khuếch tán. 25
26. Luật Snell – Tia sáng tới (incoming) và tia phản xạ (reflected) cùng nằm trên mặt phẳng chứa pháp vectơ của bề mặt vật thể. – Gĩc phản xạ bằng với gĩc tới: l = r L N R l r – L: tia sáng tới – R: tia phản xạ – N: pháp vectơ – R = 2 * N * (L . N) – L 26
27. Tính tốn vetơ phản chiếu R +L = (2(NL))N L N R l r R = (2(NL))N−L 27
28. Tính tốn ánh sáng phản chiếu n Is = ks  Il (cos) Khi vector R và V trùng nhau, ánh sáng phản chiếu cực đại xảy ra. Góc giữa hai tia càng lớn thì hiệu ứng càng thấp. L N R V l r  28
29. Ánh sáng phản chiếu (cont.) n = 5.0, 10.0, 20.0, 40.0 29
30. Khúc xạ phản chiếu – Specular Transmission Ánh sáng đi xuyên qua bề mặt vật thể trong suốt hay bán trong suốt. Khi chúng ta nhìn qua vật thể trong suốt, chúng ta nhận thấy rằng ánh sáng bị bẻ cong. Aùnh sáng bị bẻ cong khi đi qua môi trường có mật độ khác nhau, khi đó tốc độ ánh sáng thay đổi. Mức độ bẻ cong ánh sáng tùy thuộc vào mật độ của môi trường IOR. Đó là hiệu ứng khi bạn nhìn con cá trong môi trường nước. Con cá không ở vị trí mà bạn nhìn thấy mà ở một vị trí khác do ánh sáng bị bẻ cong. 30
31. Luật Snell – Tia sáng tới (incoming) và tia khúc xạ (refracted) cùng nằm trên mặt phẳng chứa pháp vectơ của bề mặt vật thể. – Gĩc khúc xạ và gĩc tới tị lệ với nhau: L n2 = = n21 R n1 L N IOR=n1 l – L: tia sáng tới – T: tia khúc xạ  r IOR=n2 – N: pháp vectơ T – C = L . N 2 2 T = n21 *V + (n12 *C − 1+ n21 *(C −1))* N 31
32. Tính tốn ánh sáng khúc xạ Ánh sáng khúc xạ được tính giống như ánh sáng phản chiếu: n' Ist = kst  Il (V.T) 32
33. Tổng hợp các loại ánh sáng Kết hợp ánh sáng ambient, khuếch tán, phản chiếu, khúc xạ có dạng : Brilliance I = ka * Io + Il * Io * kd’ * (N . L) + n n’ Il * ks * (R . V) + Il * kst * (T . V) Tổng hợp các ánh sáng trên được gọi là tơ bĩng địa phương – local shading. 33
34. Đệ qui trong tơ bĩng – Recursive Shading Màu tại một điểm trên bề mặt vật thể do tia đi từ mắt nhìn thấy là sự kết hợp của: 1. Sự tương tác của những tia sáng xuất phát từ tất cả các nguồn sáng trong khung cảnh và bề mặt vật thể. Sự tương tác này được tính toán trong phương trình tô bóng và được xem như là tô bóng địa phương. 2. Sự phân phối màu tạo bởi tia phản xạ đi vào mắt. 3. Sự phân phối màu tạo bởi tia khúc xạ đi qua bề mặt vật thể vào mắt. 34
35. Đệ qui trong tơ bĩng – Recursive Shading (cont.) 35