Bài giảng Công nghệ đồ họa và hiện thực ảo - Bài 13: Chiếu sáng và tạo bóng bề mặt - Trịnh Thành Trung

©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
Trịnh Thành Trung 
trungtt@soict.hust.edu.vn 
Bài 13 
CHIẾU SÁNG VÀ 
TẠO BÓNG BỀ MẶT 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
- 
NỘI DUNG 
1. Chiếu sáng 
i. Ánh sáng môi trường 
ii. Ánh sáng khuếch tán 
iii. Ánh sáng gương 
iv. Mô hình ánh sáng Phong 
2. Tạo bóng bề mặt 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
- 
KHÁI NIỆM 
1 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Nhờ vào đâu mắt có 
thể cảm nhận ánh 
sáng? 
– Yếu tố sinh lý: 
• Cấu tạo mắt 
– Yếu tố vật lý: 
• Tính chất của ánh 
sáng 
• Tính chất của bề 
mặt 
Khái niệm 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Tương tự một chiếc 
camera: 
– Có rất nhiều cảm 
biến hình ảnh phía 
sau mắt 
– Mắt có thể cảm nhận 
được ánh sáng từ 
nhiều nguồn khác 
nhau 
– Tương tự như công 
nghệ CMOS hoặc 
CCD 
Cấu tạo của mắt 
Các thông tin nhận được từ mắt 
sẽ được gửi đến não bộ để xử lý 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
- 
THẢO LUẬN 
• Chiếc váy có màu gì 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Ánh sáng có thể thay đổi màu sắc của 
một điểm trên vật thể 
• Những yếu tố ảnh hưởng đến màu sắc 
của vật thể: 
1. Vị trí của điểm mẫu 
2. Vị trí của nguồn sáng 
3. Màu sắc và cường độ ánh sáng 
4. Véc-tơ camera 
5. Véc-tơ pháp tuyến của bề mặt tại điểm mẫu 
6. Đặc điểm vật lý của đối tượng (mô hình phản 
xạ, màu sắc...) 
Tính chất ánh sáng 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
Ảo giác về màu sắc 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Một số định nghĩa: 
– Rọi sáng (Illumination): Là sự vận chuyển của năng 
lượng từ nguồn sáng đến bề mặt hoặc điểm 
• bao gồm chiếu sáng trực tiếp và gián tiếp 
– Chiếu sáng (Lighting): Quá trình tính cường độ sáng 
tại một điểm trong không gian 3 chiều, thường là trên 
bề mặt một đối tượng 
– Tô bóng (Shading): Quá trình gán các màu cho các 
pixel 
Định nghĩa 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
- 
CHIẾU SÁNG 
2 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Sự chiếu sáng (lighting) được tính bởi hai yếu tố 
Chiếu sáng 
Nguồn sáng 
Thuộc tính bề mặt 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Tính chất của nguồn sáng 
– Quang phổ của nguồn phát (màu của ánh 
sáng) 
– Các thuộc tính hình học 
• Vị trí 
• Hướng 
• Hình dạng 
– Suy giảm theo hướng 
Nguồn sáng 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Hai loại nguồn sáng 
– Nguồn sáng vô cực 
• Tạo các tia sáng song 
song 
• Hướng là liên tục trên 
vùng nhìn 
• Không bị suy giảm năng 
lượng bức xạ 
– Nguồn sáng cục bộ 
• Hướng xuyên tâm từ 
nguồn 
• Bị suy giảm năng lượng 
bức xạ (=1/R2) 
• Phức tạp hơn nếu nguồn 
sáng không phải dạng 
điểm mà là nguồn phân 
tán 
Nguồn sáng 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
Thuộc tính bề mặt 
– Phổ phản xạ (màu của bề mặt) 
– Các đặc tính hình học 
• Vị trí 
• Hướng 
• Cấu trúc vi mô 
Thuộc tính bề mặt 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Giả sử chúng ta có một đa giác và một điểm 
nhìn trong không gian 3 chiều, chúng ta có 
thể xác định được pixel tương ứng. Vấn đề 
đặt ra là màu sắc của pixel đó như thế nào? 
• Nếu chúng ta muốn tạo một hình ảnh giống 
thật, chúng ta cần phải mô phỏng việc chiếu 
sáng trên bề mặt của khung cảnh 
Chiếu sáng 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
– Cần phải mô phỏng cả yếu tố vật lý và yếu tố quang 
học 
– Vì sự phức tạp của việc chiếu sáng, chúng ta cần 
phải sử dụng nhiều các phương pháp xấp xỉ (hay còn 
gọi là các hack) để việc mô phỏng có thể chạy đủ 
nhanh 
• Chỉ xét đến các chiếu sáng trực tiếp từ nguồn sáng 
đến bề mặt 
• Đơn giản hóa dạng hình học của nguồn phát trong 
các trường hợp không đáng kể 
Chiếu sáng 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Các mô hình chiếu sáng thường được xếp vào một 
trong hai loại: 
1. Thực nghiệm: Sử dụng những công thức đơn giản cho 
kết quả gần đúng với những quan sát có thể nhìn được 
2. Mô phỏng vật lý: Các mô hình chiếu sáng dựa trên các 
công thức vật lý của ánh sáng 
• Trong hầu hết các trường hợp, chúng ta sử dụng 
các mô hình thực nghiệm trong đồ họa tương tác. 
Gần đây, các mô hình mô phỏng vật lý đang dần 
được sử dụng rộng rãi trong các hệ đồ họa hiện đại 
Phân loại mô hình chiếu sáng 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
- 
ÁNH SÁNG MÔI TRƯỜNG 
2.1 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Các vật thể khi không được chiếu sáng trực tiếp 
vẫn có thể nhìn thấy được 
– Ví dụ: Trần nhà, Cạnh tường hay Bàn ghế... 
• Nguyên nhân: Do các chiếu sáng gián tiếp từ 
nguồn sáng, phản xạ qua các bề mặt trung gian 
Ánh sáng môi trường 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Trong công nghệ đồ họa, tính toán việc chiếu 
sáng gián tiếp qua các bề mặt trung gian là rất 
tốn kém, do đó chúng ta sử dụng một mẹo gọi là 
ánh sáng môi trường (ambient light) 
– Không sử dụng đặc điểm định hướng hay không gian, 
ánh sáng chiếu lên toàn bộ bề mặt là như nhau 
– Lượng ánh sáng được phản xạ lại chỉ phụ thuộc vào 
tính chất của bề mặt phản xạ 
Ánh sáng môi trường 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Khung cảnh chỉ được chiếu sáng bằng ánh sáng 
môi trường 
Ví dụ: Ánh sáng môi trường 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Là tính toán xấp xỉ đơn giản cho các quá trình 
chiếu sáng phức tạp trên thực tế 
• Đối với mỗi mẫu bước sóng, ánh sáng môi 
trường phản xạ trên một bề mặt phụ thuộc vào 
– Các thuộc tính bề mặt 
– Cường độ của nguồn sáng môi trường (là 
hằng số đối với tất cả các điểm trên toàn bộ 
các bề mặt) 
• Kết quả thu được: Màu đồng nhất trên toàn bộ 
đối tượng 
Ánh sáng môi trường 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
I = ka Ia 
• Trong đó 
– I: cường độ ánh sáng thu được 
– Ia: cường độ ánh sáng chiếu đến 
– ka: tỉ lệ phản xạ 
Ánh sáng môi trường 
Ví dụ: hình cầu 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Các trường hợp sử dụng ánh sáng môi trường 
Ví dụ: Ánh sáng môi trường 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Các trường hợp KHÔNG sử dụng ánh sáng môi 
trường 
Ví dụ: Ánh sáng môi trường 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
- 
ÁNH SÁNG KHUẾCH TÁN 
2.2 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Trong thực tế, khi tia sáng chạm vào một điểm: 
– Nếu đối tượng có một bề mặt thô ráp, ánh sáng sẽ bị 
phản xạ theo nhiều hướng khác nhau 
– Vì lý do này, mỗi tia sáng chiếu đến đều có thể được 
phản xạ theo một hướng bất kỳ trên bán cầu 
– Sử phản xạ ánh sáng này được gọi là phản xạ khuếch 
tán (diffuse reflection) 
Phản xạ khuếch tán 
Vậy cường độ khúc xạ phụ thuộc vào yếu tố nào? 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Một mặt khuếch tán lý tưởng sẽ tuân theo định 
luật cosin Lambert: 
– Năng lượng phản xạ bởi một phần nhỏ trên bề 
mặt từ một nguồn sáng theo một hướng cho 
trước tỉ lệ thuận với cosin của góc tạo bởi 
hướng này và pháp tuyến của bề mặt 
• Lưu ý là cường độ phản xạ không phụ thuộc vào 
hướng nhìn nhưng phụ thuộc vào hướng của bề 
mặt với nguồn sáng 
Phản xạ khuếch tán 
Mặt khuếch tán Lambert 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
Ví dụ: Phản xạ khuếch tán 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Góc tạo bởi vector pháp tuyến của bề mặt và tia 
sáng gọi là góc tới: 
• Công thức tính cường độ ánh sáng khuếch tán 
I = kd Ip cos  
Ánh sáng khuếch tán 
n l 
 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
I = kd Ip cos  
• Trong đó 
– Ip: cường độ ánh sáng thu được 
– kd: độ phản xạ khuếch tán 
Ánh sáng khuếch tán 
Ví dụ: hình cầu 
(được chiếu sáng từ bên trái) 
Không phụ thuộc vào vị trí camera 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
- 
ÁNH SÁNG GƯƠNG 
2.3 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Trong chiếu sáng, phản xạ 
gương (specular 
reflection) xảy ra trên các 
bề mặt sáng bóng 
– Kim loại bóng 
– Bề mặt xe ô tô 
• Ánh sáng rọi trên bề mặt 
gương tạo ra một điểm 
sáng gọi là điểm sáng 
gương (specular highlight) 
Phản xạ gương 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Ở mức hiển vi, bề mặt phản xạ gương rất mịn, do 
đó ánh sáng phản xạ tương tự như phản xạ trên 
bề mặt gương 
• Bề mặt càng mịn thì nó càng giống như một tấm 
gương 
• Vị trí điểm sáng gương xuất hiện phụ thuộc vào 
góc nhìn của người quan sát 
Phản xạ gương 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Mặt phản xạ gương tuân theo định luật Snell: 
– Tia sáng đến và tia sáng phản xạ nằm trên 
cùng một mặt phẳng với vector pháp tuyến 
của bề mặt 
– Góc tạo bởi tia phản xạ với vector pháp tuyến 
của bề mặt bằng góc tạo bởi tia tới với vector 
pháp tuyến 
Phản xạ gương 
l = r 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Định luật Snell áp dụng cho những bề mặt gương lý 
tưởng (Ví dụ: gương, chrome...). 
• Đối với mặt gương không lý tưởng: 
– Thay vì việc phải mô hình hóa mức vi mô của bề 
mặt để xử lý việc phản xạ theo quan sát thông 
thường: 
– Khi tia sáng tiếp xúc bề mặt, một số ánh sáng sẽ 
bị phản xạ theo hướng lệch một chút so với tia 
phản xạ lý tưởng 
– Góc lệch so với tia phản xạ lý tưởng càng cao, 
áng sáng được phản xạ càng ít 
Phản xạ gương 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
– Cường độ ánh sáng phản xạ so với tia phản 
xạ lý tưởng 
Phản xạ gương 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Trong đó 
• nshiny: tỉ lệ bóng, là một hằng số 
dựa trên các giá trị thực nghiệm 
• Công thức này không xây dựng 
dựa trên một cơ sở vật lý nào, 
nhưng đem lại hiệu quả khá tốt 
trong thực tế 
Ánh sáng gương 
 shinynpsIkI cos 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
Ví dụ: Ánh sáng gương 
Ví dụ: hình cầu 
Không phụ thuộc vào 
màu sắc của vật thể 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Biểu đồ thể hiện cường độ phản xạ gương theo 
góc nhìn với các giá trị nshiny khác nhau 
Hệ số bóng 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
- 
MÔ HÌNH ÁNH SÁNG PHONG 
2.4 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Mô hình ánh sáng Phong (Bùi Tường Phong, Đại 
học Utah) là sự kết hợp của cả ánh sáng môi 
trường, phản xạ khuếch tán và phản xạ gương 
Mô hình ánh sáng Phong 
Ánh sáng môi trường 
(Ambient Light) 
Khuếch tán 
(Diffuse) 
Phản xạ gương 
(Spectacular) 
màu sắc 
môi trường 
hướng 
ánh sáng 
góc nhìn 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Công thức tính: cộng tất cả lại 
𝐼 = 𝐼𝑎𝑘𝑎 + 𝐼𝑝 𝑘𝑑 cos 𝜃 + 𝑘𝑠 cos
𝑛 𝜑 
• Nếu có nhiều nguồn sáng: tính cường độ sáng 
cho từng nguồn sáng và tính tổng 
𝐼 = 𝐼𝑎𝑘𝑎 + 𝐼𝑝 𝑘𝑑 cos 𝜃 + 𝑘𝑠 cos
𝑛 𝜑
𝑙𝑖𝑔ℎ𝑡𝑠
𝑝
Mô hình ánh sáng Phong 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Chúng ta có thể sử dụng tích vô hướng (dot 
product) thay cho các phép tính cosin 
• Trong đó 
– N: vector pháp tuyến của bề mặt 
– L: vector đến của tia sáng 
– V: vector hướng về vị trí mắt 
– R: vector phản xạ lý tưởng 
Mô hình ánh sáng Phong 
 
   
lights
i
n
sdpaa
shiny
RVkLNkIIkI
1
ˆˆˆˆ
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
- 
TẠO BÓNG BỀ MẶT 
3 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Một bề mặt sử dụng mô hình các đa giác/tam 
giác: 
– Mỗi mặt có một vector pháp tuyến nhất định 
– Với ánh sáng khuếch tán, phản xạ khuếch tán 
là không đổi trên mọi mặt 
– Với điểm nhìn là xa vô cực, hệ số phản xạ 
gương là không đổi trên mọi mặt 
• Giả sử chúng ta có một bề mặt được định nghĩa 
là một mặt các đa giác, việc tô màu cả bề mặt 
này được thực hiện như thế nào? 
Khái niệm 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Quá trình tính màu sắc cho cả bề mặt được gọi 
là tạo bóng bề mặt (shading) 
• Có nhiều cách khác nhau để tạo bóng bề mặt 
• Việc tạo bóng bề mặt được thực hiện ở bước rời 
rạc hóa (rasterization) 
Tạo bóng bề mặt 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Cách đơn giản nhất là tạo bóng phẳng (flat 
shading) 
– Tính màu sắc của một điểm duy nhất ở chính 
giữa của mặt đa giác 
– Tất cả các điểm khác nằm trên mặt đa giác 
cũng được tô màu giống nhau 
Tạo bóng phẳng 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
Ví dụ: Tạo bóng phẳng 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Mach band 
– Con người rất nhạy cảm với sự thay đổi đột ngột về độ 
sáng 
– Luôn cảm nhận được các góc cạnh dù số lượng đa giác 
được tăng lên 
Nhược điểm 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Tạo bóng Gouraud (Henri Gouraud) 
– Tính màu sắc tại mỗi đỉnh của mặt đa giác, 
sau đó 
– Nội suy màu sắc trong đa giác 
Tạo bóng Gouraud 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
Ví dụ: Tạo bóng Gouraud 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Trong phản xạ gương 
(specular reflection), 
– ánh sáng giảm theo giá 
trị cos𝑛 𝜑 
– Tạo bóng Gouraud nội 
suy tuyến tính khiến ánh 
sáng highlight trở nên 
quá lớn 
– Tạo bóng Gouraud có 
thể bỏ qua ánh sáng 
highlight ở giữa mặt đa 
giác 
Nhược điểm 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Tạo bóng Phong (Bùi Tường Phong) 
– Thực hiện tính sự chiếu sáng cho tất cả pixel 
trong quá trình rời rạc hóa (rasterization) 
– Nội suy vector pháp tuyến tại mỗi đỉnh 
Tạo bóng Phong 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
Ví dụ: Tạo bóng Phong 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• So sánh giữa các phương pháp tạo bóng 
So sánh 
Tạo bóng phẳng Tạo bóng Gouraud Tạo bóng Phong