Tài liệu Kỹ thuật photon mapping trong sinh ảnh và ứng dụng

0 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Vũ Phú Cường 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 Cường 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 NGƯỜI HƯỚNG 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 sưu tầm, tra cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài. Nội dung luận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất kỳ hình thức nào và cũng không được sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu nào. Phần mã nguồn của chương trình sử dụng một số thư viện chuẩn và các thuật toán và bản demo được 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 Người cam đoan Vũ Phú Cường 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. Nhưng được sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô và các bạn luận văn của em đã hoàn thành đúng thời hạn và đạt được kết quả tốt. Lời đầu tiên em xin được trân thành cảm ơn sự giúp đỡ quí báu, sự hướng dẫn nhiệt tình và sự chỉ bảo tận tụy của cô TS. Nguyễn Thị Hồng Minh – Trường 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 Cường Kỹ thuật Photon mapping trong sinh ảnh và ứng dụng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................................1 LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................................2 DANH MỤC CÁC HÌNH....................................................................................................5 PHẦN MỞ ĐẦU...................................................................................................................6 Chương 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 Chương 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 ưu 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 Ước 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 Phương 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 ưu hóa...............................................................................................................48 Chương 3.............................................................................................................................49 CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM.................................................................................49 3.1 Bài toán.....................................................................................................................49 3.2 Công cụ thiết kế và chức năng một số hàm trong chương 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 chương trình.............................................................50 3.3 Thực nghiệm chương trình và đánh giá kết quả...................................................51 3.3.1 Thực nghiệm chương trình......................................................................................51 Kỹ thuật Photon mapping trong sinh ảnh và ứng dụng 3.3.2 Kết quả thực hiện....................................................................................................52 KẾT LUẬN.........................................................................................................................56 TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................58 Kỹ thuật Photon mapping trong sinh ảnh và ứng dụng 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 lượng 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 trường tham gia..................................................50 Hình 3.6: Vòng kim loại tụ quang..................................................................50 Kỹ thuật Photon mapping trong sinh ảnh và ứng dụng PHẦN MỞ ĐẦU Sự ra đời của đồ họa máy tính thực sự là cuộc cách mạng trong giao tiếp giữa người dùng và máy tính. Với lượng thông tin trực quan, đa dạng và phong phú được chuyển tải qua hình ảnh, các ứng dụng đồ họa máy tính đã lôi cuốn nhiều người 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 được 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 như không có chương 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 được sử dụng vào thực tế mô phỏng sự tương tác của ánh sáng với các đối tượng khác nhau. Đặc biệt, nó có khả năng mô phỏng khúc xạ ánh sáng qua một chất trong suốt như thủy tinh hoặc nước, phản xạ khuếch tán giữa các đối tượng được 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 như khói hoặc hơi nước. Nó cũng có thể được mở rộng để mô phỏng chính xác hơn của ánh sáng như sinh ảnh quang phổ. Trong tự nhiên, một tia sáng được tạo ra bởi nguồn sáng chiếu đến một bề mặt làm ngắt quãng quá trình của nó. Có thể tưởng tượng tia sáng này như 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 lượng ảnh hoặc sinh ra các hình ảnh trung gian hoặc tương lai trong một hệ Kỹ thuật Photon mapping trong sinh ảnh và ứng dụng thống biến đổi. Phục vụ cho các hoạt cảnh hoặc các ứng dụng chuyển động tương tác trong xử lý ảnh và thực tại ảo, ước lượng được các điểm bề mặt hiệu dụng, lưu trữ được các thông tin có thể sử dụng lại của ánh sáng, giảm tải số lượng tính toán. Và tất cả các tia sáng tạo ra sau các quá trình ấy sẽ được mô tả lại để tạo nên các hình ảnh sống động như thật. Bố cục của luận văn bao gồm: Phần mở đầu, ba chương chính, phần kết luận, tài liệu tham khảo. Cụ thể như sau Chương 1. Giới thiệu khái quát về thực tại ảo và sinh ảnh, các ứng dụng của thực tại ảo. Phương pháp sinh ảnh trong thực tại ảo và tổng quan về phương pháp photon mapping trong sinh ảnh. Chương 2. Trình bày thuật toán photon trong sinh ảnh, các cấu trúc dữ liệu cần thiết cho các bản đồ photon, trong chương này có trình bày cụ thể về tính toán bức xạ từ các bản đồ photon, quá trình xây dựng phương trình sinh ảnh và việc tối ưu hóa bản đồ photon. Chương 3. Mô tả bài toán sinh ảnh, giới thiệu công cụ hỗ trợ của chương trình sinh ảnh, ý chức năng của các hàm trong chương trình. nghiệm chương trình đưa ra kết quả và đánh giá kết quả thu được. Kỹ thuật Photon mapping trong sinh ảnh và ứng dụng Thực Chương 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 được xây dựng trên máy tính là hai chiều và con người không thể tương tác với các đối tượng trong mô hình đó như là ở trong thế giới thực, những chương trình nghiên cứu khắc phục nhược 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 trường không gian ba chiều trên máy tính, trong môi trường mô phỏng đó con người có thể quan sát và thực hiện những thao tác mà mình mong muốn. Với tất cả những gì có trong môi trường mô phỏng thông qua thiết bị đầu vào, kết quả trả lại là những thay đổi của môi trường đó mà con người có thể quan sát hay cảm nhận được thông qua các thiết bị đầu ra. Theo như định nghĩa trên có thể nhận ra các thành phần của thực tại ảo là: môi trường không gian ba chiều, mô hình tạo trên máy tính, sự tương 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 được tái tạo trên máy tính, thông qua các thiết bị đầu vào con người có thể chìm đắm trong môi trường không gian ba chiều và cho phép con người có khả năng quan sát, tương tác với môi trường ảo đó. Những tương tác đó đều được chương trình xử lý và thông qua thiết bị đầu ra sẽ đem Kỹ thuật Photon mapping trong sinh ảnh và ứng dụng lại cho con người cảm nhận về thay đổi của môi trường ấy như 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 được tạo ra rất lâu trước khi con người đặt chân lên mặt trăng. Vào cuối những năm năm mươi có một người đàn ông ít được biết đến có tên là Morton Heilig đã thiết kế ra hệ thống ảo đầu tiên. Ông đã phát triển một thứ được gọi là Sensorama. Tương tự như máy chò trơi ngày nay, Sensorama được kết hợp với chiếu film, âm thanh, chuyển động, gió thậm chí cả mùi vị khiến cho con người cảm thấy như trong thế giới thực hơn là đơn giản chỉ xem. Bất chấp sự hạn chế của công nghệ máy tính vào những năm sáu mươi, một giáo sư 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 được 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 đường thẳng đen trắng của một hình cơ bản mà người ta có thể quan sát từ mọi góc. Mặc dù nó đơn giản song nó đã đưa 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 người 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 người sử dụng sẽ được cập nhật để hiển thị cho phù hợp. Kết quả là người sử dụng cảm thấy mình bị vây quanh hay bị chìm vào một thế giới mà chỉ tồn tại trong máy vi tính. Kỹ thuật Photon mapping trong sinh ảnh và ứng dụng Vào những năm bẩy mươi trung tâm nghiên cứu NASA bắt đầu triển khai những ý tưởng về thực tại ảo, họ đã xây dựng được một thiết bị mũ đội đầu (Head Mounted Display) đơn giản đầu tiên. Điều đó khiến cho những người say mê bắt đầu thiết kế hệ thống thực tại ảo cho riêng mình. Những năm đầu của thập kỷ tám mươi không gian ảo ba chiều đã được phát triển mà ở đó người dùng thao tác với các đối tượng 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 như 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. Trước tình hình phát triển các công nghệ sản xuất thiết bị như hiện nay thì vấn đề chủ yếu của thực tại ảo là xây dựng cho được các mô hình thực tại ảo như 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 – Thương mại) - Mô hình, mô phỏng - Phần cứng, phần mềm - Mạng liên kết - Người dùng - Ở đây chúng ta sẽ tập trung vào tìm hiểu phần cứng và phần mềm của VR Kỹ thuật Photon mapping trong sinh ảnh và ứng dụng * 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 người sử dụng. Bộ giao diện cử chỉ (Gesture interfaces) như găng tay dữ liệu (data glove) để người sử dụng có thể điều khiển đối tượng. + Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (như màn hình, HDM,..) để nhìn được đối tượng 3D nổi. Thiết bị âm thanh (loa) để nghe được âm thanh vòm (như Hi-Fi, Surround,..). Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback như găng tay,..) để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tượng. Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để tạo lực tác động như khi đạp xe,... * Phần mềm: + Phần mềm luôn là linh hồn của Thực tại ảo cũng như 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 tượng của VR. Ví dụ: như các ngôn ngữ (có thể tìm miễn phí) OpenGL, C++, Java3D, VRML, X3D, ...hay các phần mềm thương mại như 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 tượng của Thực tại ảo được mô hình hóa nhờ chính phần mềm này hay chuyển sang từ các mô hình 3D (thiết kế nhờ các phần mềm CAD khác như 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 tượng. Nói chung, các hệ thống thực tại ảo phải xử lý mội khối lượng lớn thông tin (đa phần là các thông tin của các đối tượng 3D do đó tốn bộ nhớ và đòi hỏi thời gian xử lý là thời gian thực), vì thế nó đòi hỏi một lượng tài Kỹ thuật Photon mapping trong sinh ảnh và ứng dụng 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 được 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 thương mại năm 1989. Đây là bước 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 người càng được quan tâm hơn. Càng ngày người ta càng cố gắng tìm ra các phương pháp, các cách thức chữa trị bệnh cho con người 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 được, một trong các lĩnh vực mà ứng dụng Công nghệ thông tin một cách hiệu quả hiện nay là y học. Dưới 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 Kỹ thuật Photon mapping trong sinh ảnh và ứng dụng 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 người 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 như sự co giãn cơ. Hình 1.2 Mô phỏng cấu trúc bộ não Đây là dự án nghiên cứu nhằm đưa thực tại ảo vào việc chữa trị bệnh cho con người. Bằng cách xây dựng một chương trình mà cho phép các bác sĩ trên khắp thế giới có thể cùng tham gia quan sát, thảo luận để đưa ra phương pháp chữa trị hiệu quả nhất. Trong y học con người còn gặp rất nhiều những vấn đề mà nếu không có thực tại ảo thì không dễ tìm ra phương pháp giải quyết: ví dụ như việc cung cấp môi trường 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 trường thực để quan sát. Đôi khi vì khả năng con người ví dụ như tầm quan sát của mắt chúng ta không thể quan sát được mạch máu của chúng ta như thế nào hay cấu trúc lược đồ gen của chúng ta Kỹ thuật Photon mapping trong sinh ảnh và ứng dụng ra sao hay trong phẫu thuật nhiều khi không thể thực hiện được do đối tượng thực hiện không có điều kiện sức khoẻ để thực hiện ca phẫu thuật lớn. Những vấn đề trên được 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 tượng là chúng ta đã có ngay môi trường 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 người là vấn đề hàng đầu của mỗi quốc gia trên thế giới. Tìm hiểu, nghiên cứu nhằm đưa ra phương pháp giáo dục hiệu quả đã khó, song còn có những vấn đề còn khó khăn hơn đó là làm sao kích thích được niềm say mê học tập, nghiên cứu của con người và tính tự giác, khả năng tư duy và tưởng tượng của mỗi con người và làm sao để cung cấp môi trường học tập nghiên cứu tốt nhất nhằm phát huy hết những khả năng của con người. Theo như cách giáo dục truyền thống nhiều khi chúng ta không thể cung cấp được môi trường nghiên cứu học tập tốt, không khơi dậy được niềm đam mê, hứng thú hay không thể phát huy hết được khả năng tưởng tượng và tư duy của con người làm cho hiệu quả giáo dục không cao. Những chương trình nhằm rèn luyện tư duy, những chương trình rèn luyện khả năng tưởng tượng, những chương trình cung cấp mô hình thực nghiệm, những chương trình kích thích trí tò mò là chưa nhiều hay có thể là chưa nhiều chương trình hiệu quả. Nguyên nhân là các chương trình được xây dựng chưa có khả năng phát huy hết được sự cảm nhận của con người, chưa gây được ấn tượng sâu sắc về vấn đề cần truyền đạt cho đối tượng cần truyền đạt, môi trường truyền đạt không gây được trí tò mò. Hiện nay có một xu hướng mới trong việc ứng dụng Công nghệ thông tin trong giáo dục mà rất được quan tâm nghiên cứu và phát triển đó là xây dựng Kỹ thuật Photon mapping trong sinh ảnh và ứng dụng mô hình thực tại ảo trên máy vi tính nhằm cung cấp các môi trường học tập và nghiên cứu. Những mô hình được xây dựng ở đây phải xây dựng làm sao để chuyển tải được thực tế vào môi trường mô phỏng đó, cung cấp khả năng tương tác của con người với môi trường mô phỏng đó, có khả năng kích thích cao với người tham gia. Qua những lần thực nghiệm này thì chúng ta sẽ ngày càng đạt được hiệu quả cao hơn trong giảng dạy.  Trong thiết kế xây dựng: Những chương trình đồ họa mạnh nhất hiện nay chủ yếu được phục vụ vào các lĩnh vực thiết kế và xây dựng như AUCAD, AUTODEST, 3DMAX, SHAPRE,… Những chương trình này đã giúp cho những nhà thiết kế xây dựng giảm được rất nhiều chi phí về thời gian và công sức thiết kế. Song hầu hết các chương trình này mới chỉ dừng lại ở mức các bản vẽ chứ chưa thực sự tạo ra cho người ta cảm giác hay một cái nhìn về những công trình mà họ thiết kế trên thực tế nó sẽ như thế nào. Thực tại ảo tạo ra cho người ta cảm giác chìm đắm trong một không gian như trên thực tế mà đã được xây dựng trên máy vi tính và sẽ giúp cho chúng ta có thể có một cái nhìn chi tiết về công trình đã được thiết kế. Dưới 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 Kỹ thuật Photon mapping trong sinh ảnh và ứng dụng - Trong quốc phòng: Để binh lính không bị xa lạ, bỡ ngỡ với chiến trận thì cần phải thường 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 được một trận tập kích mà hiểu quả đạt được là như 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 như vậy sẽ đảm bảo được 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, người ta sẽ giảm được một lượng lớn kinh phí phục vụ cho việc tập luyện hay thực hiện được những vấn đề mà trên thực tế khó có thể thực hiện được 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 người.  Trong điện ảnh: Như 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 thưởng 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 được coi là hay nhất, được ưa 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 phương pháp xử lý đồ họa mạnh tạo ra những hiệu ứng, những cảnh mà trên thực tế không thể thực hiện được.  Trong hội thảo từ xa: Các công việc được trao đổi giữa những người 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 trường ba chiều có đặc điểm:  Kích thích mạnh mẽ người tham gia trong hội thảo. Kỹ thuật Photon mapping trong sinh ảnh và ứng dụng  Âm thanh vẫn giữ được tự nhiên.  Có được các thao tác phối hợp như trong thế giới thực. Như vậy thực tại ảo có ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống. Qua đó cũng nhận thấy được 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 được 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 người, 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 người có một cách để xây dựng, thao tác dữ liệu phức tạp một cách tự nhiên và thực tại ảo được sử dụng để mô phỏng thế giới thực trong nhiều ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên để có được các mô hình thực tại ảo như trên thì cần phải có một ngôn ngữ xây dựng chúng, chương 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 chương trình ứng dụng phần mềm. Mô hình là mô tả của các đối tượng ba chiều bằng một ngôn ngữ được 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 tượng. 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 tương đồng với "quá trình một họa sĩ vẽ" một phong cảnh nào đấy. Thuật ngữ "sinh ảnh" còn được dùng để chỉ quá trình tính toán các hiệu ứng trong một tập tin biên tập phim để tạo kết quả video cuối cùng. Kỹ thuật Photon mapping trong sinh ảnh và ứng dụng 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 bước 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 được sử dụng trong: trò chơi video và điện tử (computer and video games), trong các chương trình mô phỏng (simulators), trong điện ảnh (movies) hay trong hiệu ứng đặc biệt (special effects) trên TV, và trong hình tượng hóa thiết kế (design visualisation), mỗi cái áp dụng một cân bằng giữa các đặc trưng 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 được 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, chương trình sinh ảnh là một chương trình ứng dụng được 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 trường hợp đồ họa 3D, việc sinh ảnh là một quá trình chậm chạp, chẳng hạn như trong tiến trình sinh ảnh trước (pre-rendering), hoặc trong việc sinh ảnh trong thời gian thực (real time rendering). Sinh ảnh trước là một tiến trình đòi hỏi một khối lượng tính toán lớn, đặc biệt được dùng trong việc tạo phim điện ảnh, trong khi đó, sinh ảnh trong thời gian thực thường được 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). Kỹ thuật Photon mapping trong sinh ảnh và ứng dụng