Tài liệu Nghiên cứu vài hiệu ứng bóng và ánh sáng trong xây dựng các ứng dụng thực tại ảo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trịnh Xuân Hùng NGHIÊN CỨU MỘT SỐ HIỆU ỨNG BÓNG VÀ ÁNH SÁNG TRONG XÂY DỰNG CÁC ỨNG DỤNG THỰC TẠI ẢO Ngành Chuyên ngành Mã số : Công nghệ thông tin : Công nghệ phần mềm : 60 48 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Đỗ Năng Toàn Hà Nội - 2011 1 MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................... 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................ 3 PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 4 Chƣơng 1: SƠ LƢỢC VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ HIỆU ỨNG BÓNG - ÁNH SÁNG ... 6 1.1. THỰC TẠI ẢO VÀ ỨNG DỤNG ................................................................... 6 1.1.1. Khái niệm .................................................................................................. 6 1.1.2. Lịch sử phát triển ....................................................................................... 7 1.1.3. Lĩnh vực ứng dụng ................................................................................... 10 1.1.4. Xây dựng hệ thống thực tại ảo.................................................................. 15 1.2. BÓNG - ÁNH SÁNG .................................................................................... 16 1.2.1. Khái niệm ................................................................................................ 17 1.2.2. Các đơn vị sử dụng trong đo lƣờng ánh sáng ............................................ 19 1.2.3. Hàm phân phối phản xạ hai chiều (BRDF) ............................................... 23 1.2.4. Nguồn sáng và phân loại nguồn sáng ....................................................... 28 1.2.5. Phƣơng trình tô bóng ............................................................................... 29 Chƣơng 2: MỘT SỐ HIỆU ỨNG BÓNG - ÁNH SÁNG TRONG ỨNG DỤNG THỰC TẠI ẢO.......................................................................................................... 31 2.1. HIỆU ỨNG BÓNG BỀ MẶT ........................................................................ 31 2.1.1 Ánh sáng nền (Ambient) ........................................................................... 32 2.1.2. Sự phản xạ sáng khuếch tán (Diffuse) ...................................................... 33 2.1.3. Sự phản xạ ánh sáng trên gƣơng (Specular).............................................. 34 2.1.4. Các mô hình tổng hợp .............................................................................. 35 2.1.5. Các phƣơng pháp tô bóng trong đồ họa 3D(Shader) ................................. 36 2.1.6. Cài đặt cài đặt các phƣơng pháp tô bóng trong đồ họa 3D ........................ 41 2 2.2. HIỆU ỨNG BÓNG ĐỔ ................................................................................. 44 2.2.1. Tạo bóng đổ bằng bóng khối .................................................................... 45 2.2.2 Tạo bóng đổ bằng bản đồ bóng (Shadow Mapping) .................................. 53 Chƣơng 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ......................................................... 58 3.1. BÀI TOÁN .................................................................................................... 58 3.2. CÀI ĐẶT CHƢƠNG TRÌNH ........................................................................ 58 3.2. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM ............................................................................ 60 PHẦN KẾT LUẬN.................................................................................................... 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 66 4 PHẦN MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, thực tại ảo là một lĩnh vực đƣợc quan tâm phát triển, nó đang ngày càng chứng tỏ vai trò của mình trong sự phát triển của công nghệ thông tin nói riêng và các lĩnh vực của đời sống, xã hội nói chung. Hiện nay thực tại ảo đang đƣợc ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau, có thể kể đến nhƣ: Quân sự, giáo dục, kỹ thuật - xây dựng, giải trí vv... Một trong những yêu cầu quan trọng của các ứng dụng thực tại ảo là phải thể hiện theo thời gian thực các hiệu ứng bóng - ánh sáng. Mỗi hiệu ứng bóng - ánh sáng lại có những mô hình, phƣơng pháp thể hiện khác nhau. Ty vậy, chƣa có một mô hình cũng nhƣ phƣơng pháp nào phù hợp cho mọi đối tƣợng, mọi hiệu ứng. Do đó, việc tìm hiểu và nghiên cứu các hiệu ứng bóng - ánh sáng và bản chất của chúng là một việc cần thiết, có ý nghĩa trong xây dựng và phát triển các ứng dụng thực tại ảo nói riêng và ứng dụng mô phỏng nói chung. Xuất phát từ hoàn cảnh đó, luận văn lựa chọn đề tài “Nghiên cứu một số hiệu ứng bóng và ánh sáng trong xây dựng các ứng dụng thực tại ảo” nhằm hệ thống hóa các mô hình, phƣơng pháp thể hiện hiệu ứng bóng – ánh sáng trong ứng dụng thực tại ảo nói riêng và trong các ứng dụng mô phỏng thời gian thực nói chung. Cấu trúc của luận văn bao gồm “Phần mở đầu”, “Phần kết luận” và ba chƣơng nội dung, cụ thể: Chương 1: Sơ lƣợc về thực tại ảo và hiệu ứng bóng - ánh sáng. Phần này trình bầy những vấn đề cơ bản về thực tại ảo, ứng dụng thực tại ảo, đồng thời cũng đề cập đến một số lý thuyết cơ bản về ánh sáng, nguồn sáng, và các mô hình của chúng từ đó làm cơ sở cho các nội dung đƣợc trình bày trong “Chương 2”. Chương 2: Một số hiệu ứng bóng - ánh sáng trong ứng dụng thực tại ảo. Đây là chƣơng nội dung chính của luận văn. Nó tập trung trình bày hai hiệu ứng chính của ánh sáng khi đến và tƣơng tác với bề mặt đối tƣợng đó là “hiệu ứng bóng bề mặt”, và “hiệu ứng bóng đổ”. Với mỗi loại hiệu ứng đều có những phƣơng pháp, mô hình thể hiện khác nhau, mà phần nội dung này của luận văn cũng đề cập đến. 5 Chương 3: Chƣơng trình thử nghiệm. Đây là chƣơng học viên giới thiệu về một chƣơng trình thử nghiệm “Huấn luyện bắn súng” đƣợc xây dựng nhằm thể hiện cho các kết quả đã đƣợc trình bày, tổng hợp trong luận văn. 6 Chƣơng 1: SƠ LƢỢC VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ HIỆU ỨNG BÓNG - ÁNH SÁNG 1.1. THỰC TẠI ẢO VÀ ỨNG DỤNG 1.1.1. Khái niệm Thực tại ảo (Virtual Reality-VR) là một thuật ngữ mới xuất hiện phát triển mạnh trong vòng vài năm trở lại đây, đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực nhƣ y tế, giáo dục, kiến trúc, quân sự, du lịch, giải trí,... Hiện nay, có nhiều định nghĩa về Thực tại ảo, một trong các định nghĩa đƣợc chấp nhận rộng rãi là của C.Burdea và P.Coiffet thì có thể hiểu VR tƣơng đối chính xác nhƣ sau: VR-Thực tại ảo là một hệ thống giao diện cấp cao giữa Ngƣời sử dụng và Máy tính. Hệ thống này mô phỏng các sự vật và hiện tƣợng theo thời gian thực có tƣơng tác với ngƣời sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác. Đó là 5 giác quan gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác và vị giác [1], [2]. Hình 1.1. Giao diện giữa ngƣời sử dụng và hệ thống máy tính 3D Hay nói một cách cụ thể VR là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hoá không gian ba chiều với sự hỗ trợ của các thiết bị đa phƣơng tiện hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng bằng máy tính - Môi trƣờng ảo (Virtual Environment) để đƣa ngƣời ta vào một thế giới nhân tạo với không gian nhƣ thật. Trong thế giới ảo này, 7 ngƣời sử dụng không còn đƣợc xem nhƣ ngƣời quan sát bên ngoài, mà đã thực sự trở thành một phần của hệ thống. Thế giới nhân tạo này không tĩnh tại mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn của ngƣời sử dụng qua những cử chỉ, hành động, vv... Tức là ngƣời sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ. Một cách lý tƣởng, ngƣời sử dụng có thể tự do chuyển động trong không gian ba chiều, tƣơng tác với các vật thể ảo, quan sát và khảo cứu thế giới ảo ở những góc độ khác nhau về mặt không gian. Ngƣợc lại, môi trƣờng ảo lại có những phản ứng tƣơng ứng với mỗi hành động của ngƣời sử dụng, tác động vào các giác quan nhƣ thị giác, thính giác, xúc giác của ngƣời sử dụng trong thời gian thực làm ngƣời sử dụng có cảm giác nhƣ đang tồn tại trong một thế giới thực [1], [2]. 1.1.2. Lịch sử phát triển Mặc dù Thực tại ảo đƣợc mô tả nhƣ một công nghệ mới mang tính cách mạng, nhƣng ý tƣởng về việc nhúng ngƣời sử dụng vào một môi trƣờng nhân tạo đã ra đời từ rất sớm. Thuật ngữ “Thực tại ảo” mới đƣợc quan tâm trong một vài năm gần đây xong nó lại có lịch sử từ khá lâu. Cách đây hơn 40 năm một nhà làm phim có tên là Morton Heilig ngƣời Mỹ đã đƣa ra một ý tƣởng tại sao không đƣa con ngƣời bƣớc sang một thế giới khác với ý tƣởng là hệ thống mô phỏng bay (Flight Simulation). Sử dụng các hệ thống này ngƣời quan sát có cảm giác ảnh đang sống động ngay trƣớc mắt mình. Tuy nhiên, do không có sự hỗ trợ về tài chính do đó Heilig đã không thể hoàn thành ƣớc mơ của mình. Xong anh cũng đã tạo ra đƣợc một thiết bị mô phỏng, nó đƣợc gọi là "Sensorrama Simulator", thiết bị này đƣợc công bố vào khoảng đầu những năm 1960. 8 Hình 1.2. Thiết bị mô phỏng Sensorrama-1960. Thiết bị này sử dụng hình ảnh 3D, thu đƣợc từ camera 35mm kết hợp thành một camera chính. Nó bao gồm có một hệ thống âm thanh kết hợp với những cảnh quay 3 chiều thực sự. Ngƣời nhìn có thể cƣỡi một chiếc xe máy, có thể cảm thấy gió khi chuyển động, thậm chí họ có thể cảm thấy những đoạn đƣờng có ổ gà. Mặc dù đây là một cái máy tƣơng đối đơn giản, và thô sơ xong nó đã mở ra nhiều ý tƣởng nghiên cứu mới chƣa từng có trên thế giới. Năm 1966 Ivan Sutherland một sinh viên tốt nghiệp Trƣờng Utah tiếp tục nghiên cứu vấn đề Heilig đã bỏ dở. Sutherland cho rằng cảnh quay tƣơng tự không đáp ứng đƣợc yêu cầu thực tế. Anh ta bắt đầu một ý tƣởng của một bộ tăng tốc đồ hoạ, một phần quan trọng trong mô phỏng thực tại hiện đại và đã chế tạo đƣợc hệ thống thiết bị hiển thị đội đầu (Head Mounted Display-HMD) có thể kết nối tới máy tính. Năm 1970, Sutherland tiếp tục phát triển phần cứng của HMD tại trƣờng đại học Utah, làm cho nó hoàn thiện hơn có màn hình là màn hình màu. 9 Hình 1.3. Thiết bị mô phỏng HMD-1970 của Ivan Sutherland Cũng trong khoảng thời gian này Myron Kreuger đã phát triển một thiết bị có tên VIDEOPLACE. Thiết bị này sử dụng một màn hình lớn đối diện với ngƣời dùng. Trên màn hình hiển thị cái bóng ngƣời dùng. Hệ thống cũng có khả năng hiển thị nhiều ngƣời sử dụng trên cùng một màn hình. Hình 1.4. Thiết bị VIDEOPLACE-1970 của Myron Kreuger Những ý tƣởng này đƣợc hai nhà khoa học Mỹ ở NASA là Fisher và McGreevy kết hợp lại trong một dự án có tên là “Trạm làm việc ảo” (Visual Workstation) vào năm 1984. Cũng từ đó NASA phát triển thiết bị Hiển thị đội đầu có tính thƣơng mại đầu tiên, đƣợc gọi là màn hình môi trƣờng trực quan (Visual Environment Display), thiết kế dựa trên mẫu hình mặt nạ lặn với các màn hình quang học mà ảnh đƣợc cung cấp bởi hai thiết bị truyền hình cầm tay Sony Watchman. Sự phát triển của thiết bị này đã thành công ngoài dự đoán, bởi NASA đã sản xuất đƣợc một thiết bị HMD có giá chấp nhận đƣợc trên thị trƣờng và nhƣ vậy ngành công nghiệp Thực tại ảo đã ra đời. 10 Hình 1.5. Thiết bị HMD-1984 của NASA Nhƣng đặc biệt công nghệ VR từ những năm 90 trở lại đây đƣợc phát triển mạnh mẽ và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực nhƣ: nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đào tạo cũng nhƣ thƣơng mại, giải trí,.. tiềm năng kinh tế, cũng nhƣ tính lƣỡng dụng trong dân dụng và quân sự của nó [1], [2]. 1.1.3. Lĩnh vực ứng dụng Cũng nhƣ nhiều ngành công nghệ khác, VR chỉ thực sự đƣợc phát triển ứng dụng rộng rãi trong những năm gần đây nhờ vào sự phát triển của tin học (phần mềm và phần cứng). Ngày nay VR đã trở thành một ngành công nghiệp và thị trƣờng VR tăng trƣởng hàng năm khoảng 21% và dự tính đạt khoảng 3,4 tỷ $ năm 2005 (theo Machover, 2004). Theo thống kê của Gartner (tổ chức nghiên cứu thị trƣờng toàn cầu), VR đứng đầu danh sách 10 công nghệ chiến lƣợc năm 2009. Thị trƣờng VR tại Mỹ trong các lĩnh vực giáo dục phẫu thuật y khoa và một số lĩnh vực khác đƣợc ƣớc đạt 290 triệu USD vào năm 2010 (theo Neurovr.org). Ứng dụng của thực tại ảo có thể thấy đƣợc rất nhiều trong thế giới hàng ngày của chúng ta. Xét về khía cạnh ứng dụng một số lĩnh vực ứng dụng chính đang có khuynh hƣớng phát triển mạnh mẽ nhất chúng ta có thể kể đến một số lĩnh vực sau:  Xây dựng và thiết kế kiến trúc Một trong những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu nhất của VR là thiết kế kiến trúc. Khả năng mô hình hoá thế giới thực của công nghệ VR dƣờng nhƣ đáp ứng một cách tự nhiên mục tiêu của ngành thiết kế kiến trúc đƣa ra mô hình trực quan nhất. Ví dụ, công trình thiết kế cầu mong muốn trong tƣơng lai: 11 Hình 1.6. Mô phỏng trong thiết kế kiến trúc cầu 3D Việc xây dựng các mô hình không gian kiến trúc với đầy đủ mô tả trực quan về các hình khối kiến trúc của một căn nhà, cách bố trí nội thất bên trong, thậm chí hoa văn cửa sổ hay màu sơn của tƣờng, cùng với khả năng cho phép khách hàng tự do tham quan, khảo sát căn nhà của họ trong tƣơng lai theo nhiều góc độ và vị trí, từ phòng này sang phòng khác thực sự đem lại hiệu quả trực quan mang tính cách mạng trong lĩnh vực mang nhiều đặc điểm nghệ thuật này. Hình 1.7. Mô phỏng thiết kế kiến trúc nhà ở 3D  Giáo dục và Đào tạo Phát triển trên nền công nghệ và kỹ thuật cao, VR tích hợp những đặc tính làm cho bản thân nó có những tiềm năng vƣợt trội. Cho ngƣời sử dụng cảm nhận sự hiện diện của mình trong môi trƣờng do máy tính tạo ra bằng khả năng tƣơng tác, tự trị (Autonomy) của ngƣời dùng trong môi trƣờng ảo, cũng nhƣ bằng những phản hồi tức 12 thời, trực quan từ phía môi trƣờng ảo tới các giác quan của ngƣời sử dụng. Vì vậy, thực tại ảo đã đang trở thành một công cụ hữu hiệu trong giáo dục, đặc biệt là một phƣơng tiện giáo dục và đào tạo hết sức mạnh đối với một số ngành nghề chi phí tốn kém và nguy hiểm đòi hỏi phải thực hành, ví dụ nhƣ: huấn luyện tập nhảy dù, tập lái xe,..v.v... thì việc ứng dụng VR là cực kỳ cần thiết. Hình 1.8. Ứng dụng công nghệ VR trong huấn luyện tập nhảy dù Tất cả những đặc tính này khiến công nghệ VR trở nên rất phù hợp cho các ứng dụng có tính chất giáo dục hay đào tạo. Tính chất trực quan của bài giảng đƣợc nâng cao một bƣớc làm tăng sự hứng thú trong học tập cũng nhƣ khả năng ghi nhớ các khái niệm quan trọng trong bài giảng. Từ đó, học viên nắm bắt đƣợc nhanh chóng và có ý thức hơn với những tính huống đã đƣợc học.  Y học Y học là một trong những lĩnh vực ứng dụng nhiều tiềm năng trong công nghệ VR. Cho đến nay, trên thế giới ứng dụng của VR vào y học là khá phong phú, xong lĩnh vực nổi bật và thiết thực nhất là việc áp dụng thành công nghệ VR là giả lập giải phẫu (Surgical Simulation). Trên cơ sở các kỹ thuật đồ hoạ máy tính và Thực tại ảo, hệ thống đào tạo y học này bao gồm hai bộ phận cơ bản: Khối tƣơng tác ba chiều là mô hình sinh thể ảo cho phép ngƣời sử dụng thực hiện các thao tác giải phẫu thông qua các dụng cụ giải phẫu ảo; Khối giao diện ngƣời dùng hai chiều cung cấp những thông tin phản hồi trực quan từ mô hình trong quá trình giải phẫu cũng nhƣ những thông tin hƣớng dẫn trong phiên đào tạo. 13 Hình 1.9. Ứng dụng công nghệ VR trong đào tạo phẫu thuật ảo Phƣơng pháp đào tạo có tính tƣơng tác cao này mang nhiều ƣu điểm so với các phƣơng pháp truyền thống nhƣ thực hành trên mô hình plastic hay trên bệnh nhân thực. Thứ nhất, khác với phƣơng pháp dùng mô hình plastic, sinh thể giải phẫu ảo có khả năng cung cấp những thông tin phản hồi sinh học một cách tự nhiên nhƣ một sinh thể sống thực, chẳng hạn nhƣ sự thay đổi về nhịp tim, huyết áp,… Điều này tạo cho học viên có cảm giác đang trải qua một ca mổ trong một tình huống thực. Thứ hai, khác với thực hành trên bệnh nhân thật, những sai lầm của học viên trong quá trình thực tập không phải trả giá bằng những thƣơng tổn thực trên cơ thể ngƣời bệnh. Điều này cũng làm giảm áp lực lên học viên khi thực hiện phẫu thuật ảo. Từ đó, giúp họ tự tin và chủ động hơn trong học tập. Phƣơng pháp này còn cho phép các bác sĩ không ngừng nâng cao trình độ tay nghề, kỹ năng đặt ra những giả định về tình huống bệnh nhân, cập nhật những dữ liệu bệnh lý mới để thực hiện kỹ thuật mới trong điều trị. Bác sĩ cũng có thể tự lập kế hoạch mổ thử trên bệnh nhân ảo trƣớc khi mổ trên bệnh nhân thật do đó làm tăng mức độ an toàn và hiệu quả điều trị, giảm thiểu sai lầm rủi ro đáng tiếc xảy ra.  Thương mại - Du lịch Trong thƣơng mại đặc biệt là trong ngành quảng cáo công nghệ VR đang có một vị trí quan trọng. Nó giúp khách hàng tiếp cận gần hơn tới hàng hóa để có thể đánh giá chất lƣợng mà không cần có hàng trực tiếp,…Trong du lịch các công ty có thể cho khách xem trƣớc khách sạn, nhà hàng và ngắm nhìn một phần quang cảnh địa phƣơng nơi khách sắp đến du lịch…Tiêu biểu là Công ty Giải pháp CNTT & Truyền thông DAGINET là Công ty tại việt nam cung cấp ra thị trƣờng Việt Nam Giải pháp VR Virtual Reality 360 trên trang web http://www.vr360.vn. 14 Hình 1.10. Ứng dụng công nghệ VR trong Du lịch  Giải trí Giải trí hiện nay đây là ngành đạt đƣợc nhiều thành tựu và lợi nhuận về tài chính. Trong giải trí nó có thể chia làm hai lĩnh vực chính đó là điện ảnh và game. Trong điện ảnh ngày nay với sự phát triển của kỹ thuật và công nghệ mô phỏng ngƣời ta đã có thể xây dựng các bộ phim 3D. Khi xem các phim này các bạn sẽ có cảm giác nhƣ thể bạn là một nhân vật của bộ phim chứ không phải bạn đang xem phim. Có thể kể đến các phim nhƣ “Ma trận”, “Chú Chuột Đầu Bếp”, “Đi Tìm Nê Mô” vv.. đặc biệt là bộ phim gần đây có tên “Avatar”, đây là bộ phim có doanh thu cao nhất thời đại, ƣớc tính doanh thu của bộ phim này khoảng gần 3 tỷ USD. Hình 1.11 Các logo phim dùng 3D ảo. Trong lĩnh vực Game có rất nhiều công ty đang sản xuất ra các trò chơi có sử dụng công nghệ VR. Các trò chơi sẽ cho bạn có cảm giác nhƣ đang thực sự tham gia vào một vai diễn mà bạn đảm nhiệm trong trò chơi. Số lƣợng ngƣời bị cuốn hút theo các trò chơi nhƣ vậy đặc biệt là giới trẻ tăng theo cấp số nhân, đánh dấu tiềm năng thƣơng mại to lớn của công nghệ VR trong lĩnh vực này. 15 Hình 1.12. Hệ thống trong lĩnh vực giải trí 3D Hình 1.12 là hình ảnh của một trò chơi đua xe, một ứng dụng giải trí khá phổ biến của VR. Với hệ thống nhƣ vậy ngƣời sử dụng có thể dùng nó để tập lái xe máy hoặc thử cảm giác mạnh khi tham gia các chƣơng trình đua xe. Tƣơng tự nhƣ khi đi xe thật hệ thống sẽ nghiêng khi chúng ta vào cua, sẽ xóc khi đi trên những đoạn đƣờng gồ ghề, âm thanh, hình ảnh của hệ thống cũng đƣợc thể hiện khá trung thực bằng công nghệ đồ họa 3D theo thời gian thực [1], [2], [3]. 1.1.4. Xây dựng hệ thống thực tại ảo Ta biết rằng hệ thống thực tại ảo là một hệ thống tƣơng tác thời gian thực, bao gồm hai phần chính đó là: hệ thống phần cứng đảm nhiệm công việc tƣơng tác giữa ngƣời sử dụng và hệ thống (hệ thống này tác động lên các giác quan của ngƣời sử dụng, đồng thời cũng có thể tiếp cũng nhận tác động từ ngƣời sử dụng), phần thứ hai đó là hệ thống phần mềm, chịu trách nhiệm điều khiển sự tƣơng tác giữa ngƣời sử dụng và hệ thống theo những kịch bản nhất định. Nhƣ vậy việc xây dựng một hệ thống thực tại ảo phải bao gồm hai phần chính đó là: Xây dựng hệ thống phần cứng, và xây dựng hệ thống phần mềm tƣơng tác dựa trên hệ thống phần cứng đã có. Việc thiết kết, xây dựng một hệ thống phần cứng mới hoàn toàn là một việc bất khả thi, do đó ngƣời ta thƣờng thiết kết, xây dựng các hệ thống phần cứng thực tại ảo dựa trên các thiết bị đã đƣợc cung cấp trên thị trƣờng, chỉ những phần cứng có yêu cầu đặc biệt thì mới cần, có sự đầu tƣ, thiết kế riêng. Các phần cứng phổ dụng trong lĩnh vực Thực tại ảo có thể kể đến: Các thiết bị liên quan đến việc hiển thị nhƣ: màn hình 3D, máy chiếu 3D, các thiết bị đội đầu HMD vv... 16 Các thiết bị liên quan đến tƣơng tác giữa ngƣời sử dụng và hệ thống nhƣ: chuột không gian (Space Mouse), bóng không gian (Space Ball), găng tay dữ liệu (Data Glove), áo dữ liệu, hệ thống định vị, hệ thống theo dõi vv.. Xét về khía cạnh phần mềm, ứng dụng thực tại ảo cũng là một phần mềm do đó quá trình xây dựng và phát triển nó cũng phải tuân theo quy trình xây dựng và phát triển phần mềm, có nghĩa là quá trình đó phải bao gồm các pha từ khảo sát (xác định bài toán), phân tích (làm rõ yêu cầu), thết kế hệ thống, xây dựng kiểm thử và triển khai chƣơng trình. Tuy nhiên ứng dụng thực tại ảo cũng có những đặc thù riêng của nó. Thông thƣờng các đối tƣợng trong hệ thống thực tại ảo là sự mô phỏng lại hình dạng hành vi của các đối tƣợng trong đời sống thực trên một - một số khía cạnh nhất định (đặc biệt là khía cạnh hình học và vật lý học). Do đó, trong mỗi khâu của quá trình này phải bổ sung thêm một số công việc nhất định. Với xác định bài toán, ngoài việc xác định rõ yêu cầu đề bài cũng phải làm rõ một số vấn đề nhƣ kịch bản chung của hệ thống, kịch bản hoạt động, kịch bản phân vai, kịch bản giao tiếp cho từng nhân vật, đối tƣợng trong hệ thống. Với ca phân tích chúng ta cũng phải bổ sung thêm một số công việc nhƣ, phân tích, xác định các nhân vật của hệ thống, phác thảo hình dạng các nhân vật trong hệ thống, cũng nhƣ các hành động của từng đối tƣợng, nhân vật trong hệ thống. Việc này có thể thực hiện bằng tay trên giấy hoặc trên máy tính bởi các họa sỹ 2D. Ca thiết kế phải bổ sung thêm các quá trình đó là thiết kế mô hình cho từng nhân vật, thiết kế chuyển động cho từng nhân vật cụ thể. Có thể thực hiện đƣợc công việc này theo hai cách tiếp cận, thứ nhất là sử dụng các thiết bị quét 3D và các thiết bị tạo hoạt hình dựa trên các mô hình thật, thứ hai có thể sử dụng các phần mềm chuyên dụng để xây dựng và tạo hoạt hình cho từng nhân vật, việc này đƣợc thực hiện bởi các họa sỹ 3D, các phần mềm chuyên dụng sử dụng trong, thiết kế, xây dựng mô hình có thể kể nhƣ 3DSMax, Maya, Zbrush vv… [1] , [2] , [3] , [4], [5]. 1.2. BÓNG - ÁNH SÁNG Thực tại ảo là một lĩnh vực tƣơng đối mới, nhƣng lĩnh vực cơ sở quan trọng bậc nhất của nó phải kể đến đó là lĩnh vực tổng hợp và dựng hình (trong không gian 3D). Chúng ta biết rằng dựng hình là một quá trình biến đổi, nó sử dụng các quy tắc của hình học, vật lý nhằm tạo ra những hình ảnh con ngƣời có thể hiểu đƣợc. Để thực hiện đƣợc công việc phức tạp này ngƣời lập trình phải hiểu và xâu chuỗi lại một loạt những kiến thức trong các lĩnh vực khác nhau từ toán học, vật lý, nghệ thuật cho đến tâm lý, sinh học và khoa học máy tính. Kết hợp những nguyên tắc gần nhƣ không liên quan, 17 sắp xếp chúng để tạo ra những chƣơng trình tổng hợp hình ảnh là một công việc khó khăn và vô cùng phức tạp. Phần lớn các công việc của lĩnh vực dựng hình dựa trên các kết quả nghiên cứu từ các lĩnh vực khác. Việc liệt kê tất cả những đóng góp này vƣợt quá phạm vi của luận văn, do đó trong phần dƣới đây chúng tôi chỉ đề cập đến một số kết quả lý thiết về ánh sáng và các mô hình chiếu sáng. Đây là những lý thuyết chủ yếu, nó là cơ sở để mô hình hóa, thể hiện các hiệu ứng bóng - ánh sáng nói chung và hiệu ứng bóng - ánh sáng trong thực tại ảo nói riêng. 1.2.1. Khái niệm Ánh sáng: là một loại bức xạ, nó có thể đƣợc hiểu, giải thích theo hai tính chất vật lý, thứ nhất là tính chất sóng điện từ trƣờng (quang học sóng), thứ hai là tính chất hạt (quang học hạt). Bóng: trên thực tế bóng và ánh sáng là hai vấn đề liên quan mật thiết với nhau “có ánh sáng thì mới có bóng và bóng là sự thể hiện của ánh sáng”. Ánh sáng truyền đi trong không gian khi đến một bề mặt nó tƣơng tác với bề mặt, sự tƣơng tác này đƣợc thể hiện thông qua hai hiệu ứng chính là “bóng bề mặt” và “bóng đổ” có thể gọi chung chúng là bóng. Hiệu ứng “bóng bề mặt” xảy ra khi ánh sáng đến bề mặt và phản xạ lại môi trƣờng một lƣợng ánh sáng nhất định theo các hƣớng khác nhau, trong đó có một phần đến đƣợc mắt, tác động lên hệ thần kinh thị giác, vì vậy chúng ta quan sát đƣợc đối tƣợng. Theo định luật truyền thẳng ánh sáng khi đến một bề mặt không trong suốt thì bị cản lại và không thể tiếp tục đƣợc truyền đi theo hƣớng đến, vì vậy mọi điểm phía sau sẽ không có sự chiếu sáng từ nguồn sáng hiện tƣợng nhƣ vậy đƣợc gọi là hiệu ứng “bóng đổ”. Trong quang học sóng, ánh sáng là một loại sóng điện từ trƣờng do đó nó cũng tuân theo các định luật của sóng nhƣ định luật truyền thẳng, định luật phản xạ, khúc xạ, vv... Trong trƣờng hợp này năng lƣợng của ánh sáng đƣợc thể hiện hiện bằng các dao động điện từ trƣờng. Hƣớng dao động điện trƣờng và từ trƣờng vuông góc với nhau tạo ra cách ánh sáng truyền đi trong không gian. Loại ánh sáng có thành phần sóng điện trƣờng (từ trƣờng) giao động trên một mặt phẳng cố định đƣợc gọi là ánh sáng “phân cực tuyến tính”, hoặc đơn giản là “phân cực”. Dựa vào đặc tính phân cực của ánh sáng khi đi qua một số loại vật liệu nhất định mà ngƣời ta đã xây dựng lên các hệ thống hiển thị hình ảnh 3D, ví dụ nhƣ hệ thống máy chiếu 3D, ti vi 3D, kính 3D vv... Sự xuất hiện của các thiết bị này là một trong những động lực quan trọng nhất tạo nên sự phát triển của lĩnh vực VR hiện nay. 18 Trong quang học hạt, năng lƣợng ánh sáng đƣợc thể hiện dƣới hình thức của các hạt photon dịch chuyển trong không gian với vận tốc ánh sáng. Mỗi photon mang một mức năng lƣợng nhất định, mức năng lƣợng này phụ thuộc vào tần số hay độ dài bƣớc sóng của ánh sáng. Khả năng quan sát của con ngƣời với mỗi loại ánh sáng là khác nhau, bằng thực nghiệm ngƣời ta đã chứng minh con ngƣời có khả năng nhìn đƣợc ánh sáng với bƣớc sóng nằm trong khoảng (380nm - 780nm), ánh sáng có bƣớc sóng lớn hơn đƣợc gọi là hồng ngoại và nhỏ hơn là tử ngoại đây là những loại ánh sáng mà con ngƣời không có khả năng quan sát đƣợc. Khả năng nhìn của con ngƣời với mỗi loại ánh sáng trong khoảng nhìn đƣợc là không giống nhau. Hình 1.13 là đồ thị thể hiện khả năng quan sát của con ngƣời với từng mức sóng cụ thể của ánh sáng. Hình 1.13. Khả năng quan sát của con ngƣời tƣơng ứng với từng mức sóng Trong đồ họa 3D tính chất sóng - hạt của ánh sáng đƣợc trừu tƣợng hóa thông qua các quy luật, việc xây dựng các quy luật này phần lớn dựa vào các quy luật hình học và các quy luật quang học. Các phần nội dung dƣới đây sẽ trình bày một số quy luật quan trọng, nhƣng trƣớc tiên để hiểu đƣợc các quy luật này chúng ta hãy xem xét một số đơn vị sử dụng trong việc đo lƣờng ánh sáng [6], [7], [8], [11]. 19 1.2.2. Các đơn vị sử dụng trong đo lường ánh sáng Ánh sáng là một loại bức xạ điện từ trƣờng do đó một phép đo lƣờng ánh sáng cũng là một phép đo lƣờng bức xạ. Dƣới đây là một số đơn vị đo lƣờng đƣợc sử dụng phổ biến trong các nguyên tắc xây dựng hình ảnh. Đầu tiên chúng ta hãy xét đến một đơn vị không sử dụng trực tiếp trong đo lƣờng ánh sáng đó là góc khối.  Góc khối. Góc khối là một khái niệm đƣợc sử dụng trong Toán học và Vật lý để nói tới các góc trong không gian ba chiều tƣơng ứng giữa một vật thể với một điểm cho trƣớc, nó tƣơng tự với khái niệm góc sử dụng trong mặt phẳng hai chiều. Góc khối đƣợc sử dụng để ƣớc lƣợng độ lớn của vật thể tính từ một điểm quan sát cho trƣớc, ví dụ một vật thể nhỏ nhƣng đƣợc đặt gần điểm quan sát vẫn có thể có góc khối lớn hơn một vật thể có kích thƣớc lớn nhƣng đƣợc đặt xa điểm quan sát. Góc khối thƣờng đƣợc ký hiệu là ω, đơn vị chuẩn của nó là steradian (ký hiệu "sr"). Độ lớn của góc khối đƣợc xác định bằng tỷ lệ giữa diện tích S của hình chiếu vật thể lên một hình cầu có tâm là điểm quan sát với bình phƣơng bán kính R của hình cầu đó: S R2 (1.1) Nhƣ vậy nếu S = R² ta có ω = 1 steradian. Nhƣ vậy steradian là đơn vị không có thứ nguyên, tƣơng tự với đơn vị radian của góc hai chiều. Góc khối của toàn bộ mặt cầu có độ lớn là 4π sr, góc khối của bán cầu có độ lớn là 2π sr. Góc khối còn có hai đơn vị không chính thức khác là độ vuông (deg²), và diện tích tỉ lệ (tỉ lệ của diện tích hình chiếu với diện tích toàn mặt cầu chiếu): deg²=(180/π)2.(sr) và diện tích tỉ lệ = 1/4π.(sr). 20 Hình 1.14. Góc khối trong hệ tọa độ cầu Với hệ tọa độ cầu xét một hình cầu bán kính r, góc khối cho một đơn vị diện tích mặt dS rất nhỏ của hình cầu có góc thiên đỉnh θ và góc phƣơng vị ϕ (Hình 1.14). Ta có: dS r 2 .d .sin .d r.d .r sin .d (1.2) Nhƣ vậy: dω = sinθ dϕ .dθ (1.3) Khi tính tích phân dω theo biến θ và ϕ , ta thu đƣợc góc khối của một hình nón có góc α: 2 d 0 sin d 0 2 sin d 2 ( cos ) 0 2 (1 cos ) (1.4) 0 Mặc dù không phải là một đơn vị sử dụng trực tiếp để đo lƣờng ánh sáng nhƣng góc khối lại đƣợc sử dụng nhƣ một thành phần trong nhiều đơn vị đo lƣờng, và các quy tắc của ánh sáng [6], [7], [8].  Năng lượng bức xạ (Radiant Energy) Năng lƣợng bức xạ: hiểu đơn giản là lƣợng năng lƣợng (công) đƣợc vận chuyển thông qua ánh sáng. Nó thƣờng đƣợc ký hiệu là Q, đo bằng joule [J = Ws = Nm = kgm2s-2]. Năng lƣợng bức xạ phụ thuộc vào số lƣợng photon và tần số (mức năng lượng) của các photon.