Luận văn Thạc sĩ: Kỹ thuật tạo bóng bề mặt vật thể và ứng dụng - Phạm Thị Phương Nga

Nghiên cứu chuyên sâu kỹ thuật tạo bóng bề mặt vật thể, phân tích các phương pháp tiên tiến và ứng dụng thực tiễn trong đồ họa máy tính, thiết kế sản phẩm.

• Tác giả: Phạm Thị Phương Nga
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Đức Thái
• Trường học: Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Khoa học máy tính
• Đề tài: Nghiên cứu kỹ thuật tạo bóng bề mặt của vật thể và ứng dụng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về kỹ thuật tạo bóng bề mặt vật thể trong đồ họa máy tính

Kỹ thuật tạo bóng bề mặt vật thể là một phần quan trọng trong lĩnh vực đồ họa máy tính và mô phỏng 3D. Kỹ thuật này cho phép tạo ra hiệu ứng chiều sâu, độ gồ ghề và chi tiết bề mặt mà không cần tăng số lượng đa giác của mô hình. Bump mapping là kỹ thuật phổ biến nhất, hoạt động bằng cách thay đổi vector pháp tuyến bề mặt trong quá trình tính toán chiếu sáng. Kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi trong game, phim ảnh và các ứng dụng thực tại ảo. Các phương pháp tạo bóng bề mặt bao gồm bump mapping, normal mapping và displacement mapping. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng về hiệu suất và chất lượng hình ảnh. Việc nghiên cứu và áp dụng các kỹ thuật này giúp cải thiện đáng kể chất lượng đồ họa trong thời gian thực.

1.1. Khái niệm và nguyên lý cơ bản của tạo bóng bề mặt

Tạo bóng bề mặt là kỹ thuật mô phỏng sự thay đổi độ sáng tối trên bề mặt vật thể để tạo cảm giác gồ ghề, mấp mô. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc điều chỉnh vector pháp tuyến tại mỗi điểm ảnh trên bề mặt. Khi ánh sáng chiếu vào, vector pháp tuyến bị thay đổi sẽ tạo ra hiệu ứng bóng sáng khác nhau. Chiều cao bề mặt được lưu trữ dưới dạng bản đồ độ cao hoặc bản đồ pháp tuyến. Quá trình tính toán diễn ra trong shader, nơi so sánh hướng ánh sáng với pháp tuyến bề mặt. Kết quả là bề mặt phẳng trở nên có chiều sâu và chi tiết hơn.

1.2. Vai trò của tạo bóng bề mặt trong mô phỏng 3D hiện đại

Trong mô phỏng 3D hiện đại, tạo bóng bề mặt đóng vai trò then chốt trong việc tăng tính chân thực. Kỹ thuật này giúp giảm số lượng đa giác cần thiết để biểu diễn chi tiết bề mặt, tiết kiệm tài nguyên tính toán. Các ứng dụng game sử dụng tạo bóng bề mặt để tạo môi trường sống động với hiệu suất cao. Trong lĩnh vực kiến trúc và thiết kế, kỹ thuật này giúp mô phỏng vật liệu như gỗ, đá, kim loại một cách sinh động. Công nghệ thực tại ảo và bảo tàng ảo áp dụng tạo bóng bề mặt để trưng bày vật thể 3D với độ chi tiết cao.

II. Phân tích các kỹ thuật tạo bóng bề mặt vật thể 3D

Có nhiều kỹ thuật tạo bóng bề mặt được phát triển qua các giai đoạn khác nhau. Bump mapping là kỹ thuật đầu tiên, sử dụng bản đồ độ cao để thay đổi pháp tuyến bề mặt. Normal mapping cải tiến bằng cách lưu trữ trực tiếp vector pháp tuyến trong bản đồ, tăng độ chính xác. Parallax mapping thêm hiệu ứng thị sai, tạo cảm giác chiều sâu tốt hơn. Mỗi kỹ thuật có cách tính toán và mức độ phức tạp khác nhau. Bump mapping đơn giản nhưng ít chi tiết, normal mapping cân bằng giữa chất lượng và hiệu suất. Parallax mapping đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán hơn nhưng cho kết quả chân thực nhất. Việc lựa chọn kỹ thuật phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của dự án và phần cứng sử dụng.

2.1. Kỹ thuật Bump Mapping và Normal Mapping

Bump mapping sử dụng bản đồ độ cao để tính toán pháp tuyến bề mặt mới. Thuật toán tìm vị trí tương ứng trên heightmap, tính pháp tuyến và cộng dồn với pháp tuyến gốc. Normal mapping lưu trữ sẵn vector pháp tuyến trong bản đồ, mỗi pixel chứa thông tin hướng pháp tuyến. Ưu điểm của normal mapping là tính toán nhanh và cho kết quả chi tiết. Cả hai kỹ thuật đều hoạt động trong không gian tiếp tuyến, sử dụng tangent space để tính toán. Vector ánh sáng và vector nhìn được chuyển đổi sang không gian này trước khi tính toán chiếu sáng.

2.2. Kỹ thuật chiếu sáng và tính toán phản chiếu bề mặt

Chiếu sáng bề mặt sử dụng các mô hình như Phong shading để tính toán sáng tối. Vector pháp tuyến từ bản đồ được so sánh với hướng ánh sáng để tính độ sáng tại mỗi điểm. Phản chiếu specular được tính bằng cách sử dụng vector nhìn và vector phản chiếu. Hằng số phản chiếu càng lớn thì vùng phản chiếu càng nhỏ và sắc nét hơn. Bản đồ specular map cho biết mức độ phản chiếu tại từng điểm trên bề mặt. Kết hợp các thành phần ambient, diffuse và specular tạo nên hình ảnh bề mặt chân thực với hiệu ứng ánh sáng tự nhiên.

III. Giải pháp áp dụng kỹ thuật tạo bóng bề mặt trong thực tế

Việc áp dụng kỹ thuật tạo bóng bề mặt đòi hỏi phân tích yêu cầu hệ thống và lựa chọn phương pháp phù hợp. Hệ thống cần hỗ trợ shader programming để thực hiện tính toán trong thời gian thực. Phần cứng đồ họa phải đáp ứng khả năng xử lý parallel computing cho các phép tính vector. Thiết kế hệ thống bao gồm các thành phần: tải mô hình 3D, xử lý texture, tính toán chiếu sáng và hiển thị kết quả. Quy trình áp dụng gồm: chuẩn bị mô hình 3D với UV mapping, tạo các bản đồ texture (normal map, specular map), lập trình shader và tối ưu hóa hiệu suất. Việc kiểm tra và đánh giá kết quả trên nhiều thiết bị khác nhau đảm bảo tính tương thích.

3.1. Thiết kế hệ thống mô phỏng tạo bóng bề mặt

Hệ thống mô phỏng cần thiết kế với kiến trúc module hóa để dễ bảo trì và mở rộng. Module tải mô hình xử lý file 3D và trích xuất thông tin đỉnh, pháp tuyến, tọa độ texture. Module xử lý texture thực hiện nạp và quản lý các bản đồ normal map, heightmap, specular map. Module shader chứa code vertex shader và pixel shader để tính toán chiếu sáng. Module hiển thị xử lý render pipeline và xuất hình ảnh cuối cùng. Hệ thống cũng cần giao diện người dùng để điều chỉnh tham số ánh sáng và góc nhìn.

3.2. Triển khai và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống

Triển khai hệ thống đòi hỏi tối ưu hóa nhiều khâu để đạt hiệu suất thời gian thực. Sử dụng Level of Detail để giảm chi tiết mô hình khi ở xa, tăng khi ở gần. Áp dụng kỹ thuật culling để bỏ qua các đa giác không nhìn thấy. Tối ưu shader bằng cách giảm số phép tính không cần thiết và sử dụng phép tính vector song song. Quản lý texture hiệu quả bằng cách sử dụng texture compression và mipmap. Kiểm tra hiệu suất bằng cách đo FPS và thời gian render trên các cấu hình phần cứng khác nhau.

IV. Kết luận và ứng dụng của kỹ thuật tạo bóng bề mặt vật thể

Nghiên cứu kỹ thuật tạo bóng bề mặt vật thể đã đạt được nhiều kết quả quan trọng. Các phương pháp bump mapping, normal mapping và parallax mapping được phân tích và so sánh chi tiết. Hệ thống mô phỏng được thiết kế và triển khai thành công, chứng minh tính khả thi của các kỹ thuật. Ứng dụng chính của nghiên cứu bao gồm: trưng bày vật thể trong bảo tàng ảo, mô phỏng sản phẩm trong thương mại điện tử, tạo môi trường game chân thực. Kết quả nghiên cứu đóng góp vào lĩnh vực đồ họa máy tính, đặc biệt trong ứng dụng thực tại ảo tại Việt Nam. Hướng phát triển tương lai bao gồm tích hợp machine learning để tự động tạo bản đồ pháp tuyến và cải thiện chất lượng hình ảnh.

4.1. Ứng dụng trong bảo tàng ảo và trưng bày vật thể 3D

Bảo tàng ảo là ứng dụng tiêu biểu của kỹ thuật tạo bóng bề mặt vật thể. Người xem có thể quan sát vật thể từ nhiều góc nhìn khác nhau với độ chi tiết cao. Hệ thống cần tạo không gian quan sát với nhiều vật thể, phân tích tương tác giữa người dùng và hình ảnh 3D. Các đối tượng người dùng bao gồm nhân viên bảo tàng, khách tham quan và nhà nghiên cứu. Vật thể trưng bày cần được lựa chọn đặc trưng để khai thác tối ưu thuật toán. Hệ thống cũng cần thể hiện tính động khi vị trí nguồn sáng và cường độ ánh sáng thay đổi.

4.2. Hướng phát triển và tiềm năng ứng dụng tương lai

Hướng phát triển tương lai bao gồm tích hợp công nghệ AI để tự động hóa quá trình tạo bản đồ pháp tuyến. Nghiên cứu kỹ thuật mới như ray tracing kết hợp với bump mapping để tăng tính chân thực. Ứng dụng trong đào tạo và giáo dục, mô phỏng thí nghiệm khoa học với bề mặt vật thể chi tiết. Mở rộng sang lĩnh vực y tế, mô phỏng bề mặt cơ quan nội tạng cho phẫu thuật ảo. Phát triển hệ thống bảo tàng ảo tương tác đa nền tảng, hỗ trợ thiết bị di động và kính VR. Tối ưu hóa thuật toán cho phần cứng mới như GPU chuyên dụng và chip AI.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ MÔ HÌNH BÓNG BỀ MẶT 1. Tổng quan về thực tại ảo 1.Thực tại ảo là gì Thực tại ảo (Virtual reality- VR) là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa máy tính được sử dụng để tạo ra một thế giới "như thật". Hơn nữa, thế giới "nhân tạo" này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) của người sử dụng (nhờ hành động, lời nói,. Điều này xác định một đặc tính chính của VR, đó là tương tác thời gian thực.

Thời gian thực ở đây có nghĩa là máy tính có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo. Người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn và bị thu hút bởi sự mô phỏng này. Tương tác và khả năng thu hút của VR góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm, cảm giác trở thành một phần của hành động trên màn hình mà người sử dụng đang trải nghiệm. Nhưng VR còn đẩy cảm giác này "thật" hơn nữa nhờ tác động lên tất cả các kênh cảm giác của con người.

Trong thực tế, người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D nổi, điều khiển (xoay, di chuyển,.) được đối tượng trên màn hình (như trong game), mà còn sờ và cảm thấy chúng như có thật. Ngoài khả năng nhìn (thị giác), nghe (thính giác), sờ (xúc giác), các nhà nghiên cứu cũng đã nghiên cứu để tạo các cảm giác khác như ngửi (khứu giác), nếm (vị giác). Tuy nhiên hiện nay trong VR các cảm giác này cũng ít được sử dụng đến. Như vậy: “Thực tại ảo là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hoá không gian ba chiều với sự hỗ trợ của các thiết bị đa phương tiện hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng bằng máy tính”, [3,4,6,7,8] 1.

Lịch sử phát triển của thực tại ảo Thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện khoảng đầu thập kỷ 90, nhưng ở Mỹ và châu Âu VR đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực (nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đào tạo cũng như thương mại, giải trí,…) tiềm năng kinh tế cũng như tính lưỡng dụng 6 (trong dân dụng, quân sự) của nó. VR không phải là một phát minh mới, mà ngay từ năm 1962 Morton Heilig (Mỹ) đã phát minh ra thiết bị mô phỏng SENSORAMA. Tuy nhiên cũng như nhiều ngành công nghệ khác, VR chỉ thực sự được phát triển ứng dụng rộng rãi trong những năm gần đây nhờ vào sự phát triển của tin học (phần mềm) và máy tính (phần cứng). Thuật ngữ “virtual reality – thực tại ảo được đưa ra bởi Jaron Lanier (người sáng lập công ty VPL Research, tại Redwood – California, một trong những công ty đầu tiên cung cấp các sản phẩm cho môi trường ảo).

Sự hình dung liên quan đến các tác động đầu ra mà máy tính tạo ra về thị giác, thính giác hay các giác quan khác khi người sử dụng tương tác với thế giới bên trong máy tính. Thế giới này có thể là các mô hình được thiết kế với sự trợ giúp của máy tính, là sự mô phỏng hay là cách nhìn nhận một cơ sở dữ liệu. Hệ thống có thể có tính động, các mô phỏng vật lý hay các hoạt cảnh.Ứng dụng của thực tại ảo Tại các nước phát triển, chúng ta có thể nhận thấy VR được ứng dụng trong mọi lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch,. và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu- Giáo dục- Thương mại-dịch vụ.

Y học, du lịch là lĩnh vực ứng dụng truyền thống của VR. Bên cạnh đó VR cũng được ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí, du lịch ảo (Virtual Tour), bất động sản. Trong lĩnh vực quân sự, VR cũng được ứng dụng rất nhiều ở các nước phát triển. Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, cũng có một số ứng dụng mới nổi lên trong thời gian gần đây của VR như: VR ứng dụng trong sản xuất, VR ứng dụng trong ngành rôbốt, VR ứng dụng trong hiển thị thông tin (thăm dò dầu mỏ, hiển thị thông tin khối, ứng dụng cho ngành du lịch, ứng dụng cho thị trường bất động sản.) VR có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn.

Có thể nói tóm lại một điều: Mọi lĩnh vực "có thật " trong cuộc sống đều có thể ứng dụng "thực tế ảo" để nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn [1]. Mô hình 3D trong thực tại ảo Mô hình 3D hiện đang ngày càng phổ biến và sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng mô phỏng, thực tại ảo. Ta thấy, với các khoảng cách khác nhau trong khi quan sát chúng ta sẽ thấy các độ chi tiết khác nhau của mô hình. Điều này có nghĩa các mô hình ở gần sẽ rất chi tiết trong khi các mô hình càng ở xa sẽ càng mờ.

Để tối ưu 7 tính toán chúng ta thường phải có sẵn các mô hình 3D với các mức độ chi tiết khác nhau. Khi biểu diễn vật ở mỗi khoảng cách nhất định chương trình sẽ gọi và sử dụng mô hình với độ chi tiết tương ứng, kỹ thuật này trong thực tại ảo gọi là LOD (Level Of Detail). Kỹ thuật này đã được F. Stoter trình bày để biểu diễn các mô hình 3D các tòa nhà năm 2016 [15], Như vậy, mỗi mô hình 3D phải thiết kế lại nhiều lần với độ chi tiết khác nhau.

Điều này dẫn tới thời gian và chi phí tạo ra mô hình ra tăng và đồng nghĩa với tổng chi phí cho một hệ thống trưng bày ảo là lớn. Để giảm chi phí khi xây dựng mô hình cần áp dụng các chiến lược tự động tối ưu mô hình dựa trên khoảng cách quan sát ngay khi chương trình đang chạy. Quá trình tối ưu này gọi là LOD tự động. Trong đó, độ chi tiết của mô hình được tự động tính toán dựa trên khoảng cách của nó tới vị trí quan sát.

Có ba phương pháp chính để tạo ra mô hình 3D: Một là sử dụng các phần mềm thiết kế 3D tạo ra thư viện mô hình (do các nhà thiết tạo ra). Hai là sử dụng các lệnh trong ngôn ngữ lập trình để vẽ ra các mô hình. Ba là sử dụng các thiết bị máy quét 3D tạo mô hình từ vật thể thực. Phương pháp dùng lệnh rất vất vả tốn kém và hầu như không còn được sử dụng nữa.

Phương pháp sử dụng các thiết bị phần cứng là máy quét để tạo mô hình 3D mang nhiều ưu điểm như thời gian tạo ra một mô hình ngắn, độ chính xác cao, tính ổn định, chi phí rẻ v. Tuy nhiên, mô hình tạo ra từ máy quét có một nhược điểm chính là số lượng lưới lớn. Do đó, trên thực tế đa phần các chương trình mô phỏng thực tại ảo thường sử dụng các mô hình sinh ra từ phần mềm thiết kế 3D. Khi xây dựng ứng dụng, chúng ta cần giải pháp tiết kiệm các chi phí khi xây dựng mô hình.

Ý tưởng của giải pháp chúng ta chỉ thiết kế mô hình 3D của đối tượng một lần duy nhất còn các cấp độ giảm lưới sẽ tự động tạo ra mô hình mới tương ứng. Đầu tiên, ta phải xây dựng các mô hình hiện vật 3D ở mức độ chi tiết nhất. Sau đó dựa vào khoảng cách từ mắt người tham quan ảo đến vị trí của hiện vật 3D sẽ tiến hành rút gọn bề mặt lưới của mô hình đó. Quy luật là khoảng cách càng xa thì lưới của mô hình đó càng giảm.

Chúng tôi chia độ chi tiết của mô hình thành bốn mức từ LOD1 tới LOD4. Trong đó, lưới mức độ một (LOD1) ở trong khoảng cách gần nhất với mức mô tả chi tiết nhất, và lưới cấp độ bốn (LOD4) ở khoảng cách xa nhất. 8 Quá trình chuyển từ LOD1 sang thấp hơn là quá trình rút gọn lưới của các mô hình trong cảnh của bảo tàng mà chúng tôi mong muốn [2]. Số lưới của mô hình cấp độ LOD2 bằng khoảng 50% số lưới của mô hình cấp độ LOD1, tương tự ta quy định số lưới LOD3 bằng khoảng 25% số lưới LOD1, và số lưới LOD4 bằng khoảng 12,5% số lưới LOD1.

Với việc giảm lưới này thì các mô hình sẽ bị biến dạng và đôi khi sẽ không còn là chính mô hình đó mà biến thành một mô hình khác và điều này không chấp nhận được. Do đó, chúng ta cần một thuật toán rút gọn lưới hợp lý sao cho khi chúng ta giảm lưới ở các cấp độ khác nhau thì việc mô hình bị biến dạng là thấp nhất. Trong các phần tiếp theo của bài báo chúng tôi trình bày kỹ thuật tối ưu lưới và kết quả sau quá trình cài đặt ứng dụng trong bài toàn trưng bày ảo. Có hai dạng bài toán tối ưu mô hình 3D thường được nhắc đến trong lĩnh vực mô phỏng 3D với đầu vào và đầu ra cùng là mô hình 3D nhưng mang những đặc điểm khác nhau giữa mô hình trước tối ưu và sau tối ưu.

Thứ nhất, là tối ưu về mặt hình ảnh. Ở đó, với đầu vào là một mô hình 3D đã được thiết kế hoặc thu từ máy quét người xử lý cần nâng cao chất lượng hình ảnh của mô hình. Khi đó chúng ta cần chú ý tới việc tối ưu chất lượng hình ảnh hoặc lưới của mô hình, điều này dẫn tới các bài toán xử lý về ánh sáng, góc cạnh để khi render thu được hình ảnh chân thực nhất có thể. Trên thực tế quá trình tối ưu này dẫn tới một trường phái thiết kế siêu thực.

Ở đó những nhà thiết kế có thể thay thế nhân vật thực bằng nhân vật thiết kế ảo. Thứ hai, là tối số lượng lưới (mặt và đỉnh trong mô hình) với bài toán này đầu vào là một mô hình 3D (thường là mô hình thu được từ máy quét) và đầu ra là mô hình đó với số lượng lưới giảm đi nhưng vẫn đảm bảo hình dạng và hình ảnh của đối tượng không thay đổi nhiều giữa trước và sau tối ưu. Trong nội dung luận văn tập trung vào giải quyết bài toán thứ hai. Tức là nghiên cứu các kỹ thuật làm giảm lưới mô hình 3D nhưng vẫn đảm bảo giữ được hình dạng và hình ảnh của đối tượng sau khi render.

Đồ họa máy tính 3D thường được nói đến là mô hình (model) 3D. Ngoài các đồ họa được kết xuất, model được chứa trong các tập tin dữ liệu đồ họa. Tuy nhiên, có sự khác biệt. Model 3D là đại diện toán học của bất kỳ đối tượng ba chiều.