Kỹ thuật PHOTON MAPPING trong sinh ảnh và ứng dụng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

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

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn

4

3.3.2 Kết quả thực hiện ................................................................................................... 52

KẾT LUẬN........................................................................................................................ 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 58