1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN THỊ HỒNG HẠNH

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG BÓNG ĐỔ TỪ HAI NGUỒN SÁNG
TRONG BIỂU DIỄN VẬT THỂ 3D

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN THỊ HỒNG HẠNH

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG BÓNG ĐỔ TỪ HAI NGUỒN SÁNG
TRONG BIỂU DIỄN VẬT THỂ 3D

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 8480101

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự động
viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo hướng dẫn TS. Vũ Đức
Thái, luận văn với Đề tài “ Nghiên cứu hiệu ứng bóng đổ từ hai nguồn sáng
trong biểu diễn vật thể 3D”.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn TS. Vũ Đức Thái đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi
hoàn thành luận văn này.
Ban Giám hiệu, khoa Công nghệ thông tin, phòng Đào tạoTrường Đại
học Công nghệ Thông tin và Truyền thông đã giúp đỡ tôi trong quá trình học
tập cũng như thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động
viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện
và hoàn thành luận văn này.
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 07 năm 2019
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Hồng Hạnh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


5

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ MÔ


3.2. Phân tích, lựa chọn công cụ ........................................................................55
3.3. Một số kết quả thực nghiệm tối ưu mô hình ...............................................56
3.4. Kết luận .......................................................................................................61
KẾT LUẬN ...............................................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................63

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây thực tại ảo là một lĩnh vực được 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 được ứng dụng phổ biến trong nhiễu lĩnh vực khác nhau
như là Quân sự, giáo dục, kỹ thuật - xây dựng, giải trí, vv…
Trong các ứng dụng đồ họa ba chiều thời gian thực nói chung và trong các
ứng dụng trưng bày ảo nói riêng là tạo ra những hình ảnh chân thật. Ánh sáng
là yếu tố quan trọng và có ảnh hưởng nhiều đến việc biểu diễn bề mặt đối tượng,
đây là yếu tố mà mọi ứng dụng ba chiều đều không thể bỏ qua. Việc tính toán
ảnh hưởng của ánh sáng lên biểu diễn bề mặt đối tượng được thể hiện thông
qua hai hiệu ứng chính đó là hiệu ứng bóng bề mặt (Shading) và hiệu ứng bóng
đổ (Shadow).
Bóng đổ là một phần của thế giới thực, đi đôi với ánh sáng là bóng, chúng
luôn xuất hiện cùng nhau không thể tách rời vì vậy tính toán hiệu ứng bóng là

Vận dụng thuật toán cài đặt chương trình mô phỏng thể hiệu ứng tạo bóng
của một số vật thể dưới tác động của hai nguồn sáng.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của đề tài luận văn được sử dụng là kết hợp giữa
nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể:
a. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
Thu thập tài liệu, đọc hiểu các kiến thức cơ bản về Đồ họa máy tính, Thực
tại ảo; Nghiên cứu một số kỹ thuật mô phỏng, hiển thị dữ liệu 3D về hiệu ứng
bóng đổ từ hai nguồn sáng.
b. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu ảnh 3D về hiệu ứng bóng đổ từ hai
nguồn sáng.
Nghiên cứu, đánh giá và lựa chọn phương pháp, giải pháp công nghệ cài
đặt thử nghiệm với một số mẫu dữ liệu.
5. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


3

Phát triển thuật toán mô phỏng 3D vào các ứng dụng cụ thể (mô phỏng
hiện tượng tự nhiên, trưng bày, hoạt hình)
Hỗ trợ cho Bảo tàng văn hóa các dân tộc Việt Nam trưng bày hiện vật.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


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.
1.1.2. Các sản phẩm của Thực tại ảo
Thực tế ảo (Virtual reality) đưa người xem đến một môi trường được giả
lập hoàn toàn bằng 3D, nhằm đem lại những trải nghiệm thực tế nhất cho người
xem như họ đang ở trong chính không gian đó. Ngoài thị giác, môi trường Thực
tế ảo được tích hợp thêm giác quan khác như thính giác (âm thanh), cảm nhận
về không gian, di chuyển, cầm nắm vật thể. Một số các sản phẩm của thực tại
ảo là:
 Trải nghiệm nhà mẫu ảo
– Dễ dàng thu hút khách hàng ở xa, xóa bỏ rào cản địa lý.
– Giúp khách hàng có cái nhìn tổng quan và chi tiết về dự án.
– Khách hàng có thể di chuyển, đi lại trong không gian nhà mẫu
– Hình ảnh đẹp, khám phá dưới nhiều góc nhìn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn




Hình 1.4: Cửa hàng trưng bày ôtô

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


8

 Trải nghiệm lái xe thực tế ảo
Ứng dụng công nghệ VR cho phép khách hàng có thể đi lại và tương tác
để khám phá đầy đủ chi tiết và thiết kế tuyệt đẹp của một chiếc xe. Cũng trong
không gian đó, người dùng có thể mở và đóng từng cửa, khởi động và thay đổi
cấp, màu của xe như chính mình đang lái trên một chiếc siêu xe thật sự.
– Gây ấn tượng với khách hàng trong sự kiện ra mắt mẫu xe mới.
– Gia tăng trải nghiệm của người dùng đối với sản phẩm
– Thúc đẩy người dùng tương tác với thương hiệu của doanh nghiệp và
có khả năng tiếp tục với quá trình bán hàng.

Hình 1.5: Khám phá không gian xe
1.2. Môi trường và ngôn ngữ lập trình
1.2.1. Công cụ, phần mềm sử dụng
 3DS max.
3DS Max là một ứng dụng mạnh, tích hợp các mô hình 3 chiều, hoạt
cảnh, và tạo cảnh 3D (rendering). Môi trường dễ học của nó cho phép các nghệ
sĩ nhanh chóng tạo dựng một cách nhanh chóng các sản phẩm. 3DS Max thường
được sử dụng để tạo phim và các đoạn video nghệ thuật, phát triển game, thiết
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN


trò chơi. Không gian trong OpenGL được miêu tả qua hình học xạ ảnh. Một
điểm trong không gian này có tất cả bốn tọa độ. Cách thể hiện các điểm trong
không gian bằng 4 tọa độ cho phép xử lý các điểm vô tận một cách tổng quát.
1.2.2. Bài toán mô phỏng thực tại ảo
VR là một hệ mô phỏng có tương tác hai chiều và xử lý thời gian thực,
đặc biệt với kỹ thuật Stereo 3D cho phép người quan sát được chìm đắm trong
không gian ảo. Để xây dựng hệ VR thì việc xây dựng mô hình 3D là khâu
quan trọng đầu tiên. Cho đến nay, nhìn chung có 2 xu hướng để thực hiện mô
phỏng hình 3D:
 Cách thứ nhất: thể hiện các mô hình 3D nhờ các ngôn ngữ lập trình
truyền thống như C#, Cách này không đòi hỏi sự chạy đua về công nghệ cũng
như cấu hình mạnh của phần cứng, hơn nữa nó có thể thực hiện các mô phỏng
phức tạp đòi hỏi sự chính xác cao.Tuy nhiên nó không được nhiều người sử
dụng vì đó không phải là công việc đơn giản, nó đòi hỏi trình độ lập trình cao,
các thuật toán phức tạp, mất nhiều thời gian và nhất là rất khó trong việc tạo ra
những cảnh rộng lớn. Mặc dù ít được ưa thích nhưng đôi khi nó lại là lựa chọn
duy nhất cho những ai muốn mô phỏng chính xác các hiện tượng thiên nhiên
đúng với bản chất của nó. Tuy nhiên nó chỉ phù hợp với những mô phỏng có
quy mô nhỏ, phù hợp với việc học tập.
 Cách thứ hai: sử dụng các công cụ mô phỏng đã được xây dựng sẵn.
Cách này không đòi hỏi trình độ lập trình cao, không tốn nhiều thời gian thực
hiện, nó phù hợp với các mô phỏng có tính chất mô hình không yêu cầu độ
chính xác cao. Một nhược điểm là nó yêu cầu cấu hình hệ thống mạnh để cài
đặt và chạy chương trình, nhất là khi kết xuất. Tuy nhiên, hiện nay cách này
đang rất phổ biến, rất được ưa chuộng, nhất là trong các công việc làm Game
3D, Web3D, Phim 3D.v.v... Một số bộ công cụ mô phỏng thông dụng là:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


12

Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, vì thế tuỳ vào
mức độ quan trọng của đối tượng trong hệ mà ta có thể chọn phương pháp phù
hợp để xây dựng.
1.2.3. Ứng dụng thực tại ảo trong trưng bày ảo
Trưng bày ảo là một lĩnh vực đã và được ứng dụng trong giải quyết nhiều
vấn đề của đời sống thực tế. Trong bảo tàng, trưng bày ảo được ứng dụng để
tạo ra các phòng trưng bày ảo, qua đó khách tham quan có thể đến bảo tàng,
xem và hiểu biết thông tin về các hiện vật, v.v. của bảo tàng mà không cần đến
tận nơi. Trong thương mại đặc biệt là thương mại điện tử, trưng bày ảo là nơi
cho phép các nhà sản xuất, nhà kinh doanh, v.v. giới thiệu quảng bá sản phẩm
của mình đến người tiêu dùng một cách đầy đủ và chính xác. Trong lĩnh vực
văn hóa nghệ thuật, trưng bày ảo chính là một công cụ hữu hiệu để các nghệ sỹ
giới thiệu và quảng bá sản phẩm tinh thần của mình đến với độc giả. Trong hầu
hết các lĩnh vực của thực tế chúng ta đều có thể tìm thấy một vấn đề có thể ứng
dụng, sử dụng trưng bày ảo như là một công cụ trực tiếp hoặc gián tiếp để giả
quyết vấn đề đó. Thời gian gần đây với sự phát triền mạnh mẽ của các công
nghệ Thực tại ảo, Thực tại ảo trộn, Thực tại tăng cường, đã tạo một khả năng
phát triển mạnh mẽ cho việc phát triển và ứng dụng của trưng bày ảo. Với sự
hỗ trợ của các công nghệ mới này, người ta có thể đưa những hiện vật ảo ra
ngoài không gian thực để người tham quan có thể xem thậm chí là tương tác và
sử dụng hiện vật ảo đó như thật. Qua đó, giải quyết được nhiều vấn đề như:
thiếu hiện vật, bảo quản hiện vật trong bảo tàng hoặc các vấn đề về kinh tế (chi
phí làm sản phẩm mẫu) trong thương mại.

bày ảo cho một số hiện vật tại Bảo tàng Văn hóa các dân tộc Việt Nam tại TP
Thái Nguyên với các lý thuyết phân tích về tác động của môi trường lên hiện
vật.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


14

 Một số ứng dụng trong đồ họa 3D
Đồ hoạ 3D đang được nghiên cứu ứng dụng trong mọi lĩnh vực một cách
mạnh mẽ hiện nay là: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch,
địa ốc... và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu - Giáo dục - Thương mại - dịch
vụ. Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, cũng có một số ứng dụng mới
nổi lên trong thời gian gần đây của đồ hoạ 3D như: đồ hoạ 3D ứng dụng trong
sản suất, trong ngành rôbốt, trong hiển thị thông tin (thăm dò dầu mỏ, hiển thị
thông tin khối, …) đồ hoạ 3D có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn. Có thể nói:
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.
Một lĩnh vực đầy hứa hẹn là việc sử dụng trưng bày ảo 3D trong giáo
dục - giải trí, cụm từ này đang được sử dụng rộng rãi, nó thể hiện cho một nền
giáo dục hiện đại không theo khuôn phép truyền thống, điều đó có nghĩa là vừa
có thể học và vừa có thể giải trí trong khi học sinh đang tham gia một kịch bản
nhập vai nào đó hoặc có thể tham gia một trò chơi... trên thực tế tương tác nhập
vai có thể nắm bắt được sự chú ý của người sử dụng hệ thống, cùng một lúc có
thể cung cấp nhiều thông tin không giống như phương pháp trước đây khi sử
dụng hệ thống không phải là đa phương tiện. Ngoài ra, trưng bày ảo 3D là một
cách thể hiện rất hiện đại của sự tương tác giữa người dùng và máy tính nó

16

CHƯƠNG 2. MỘT SỐ KỸ THUẬT HIỂN THỊ MÔ HÌNH 3D
MỘT SỐ KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG
Chiếu sáng là một việc có vai trò quan trọng trong các bài toán trưng bày
nói chung và trưng bày bảo tàng nói riêng. Có ánh sáng con người mới có thể
quan sát các hiện vật và không gian trưng bày một cách rõ ràng được. Sự bố trí
về vị trí, màu sắc, cường độ của từng nguồn sáng trong không gian theo một
trật tự nhất định sẽ làm tăng hiệu quả trưng bày của từng hiện vật cũng như tạo
ra một bối cảnh thống nhất với những vị trí nhấn, nhả thông qua đó tạo ra ấn
tượng tích cực với người xem vì vậy làm tăng hiệu quả của công tác trưng bày.
2.1. Ánh sáng
Ánh sáng một loại bức xạ, nó có thể được hiểu, giải thích theo hai tính
chất vật lý, thứ nhất là tính chất sóng điện từ trường (quang học sóng), thứ hai
là tính chất hạt (quang học hạt). Đi đôi với ánh sáng là bóng 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 tương tác với bề mặt, sự tương tác này được
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 trường một lượng ánh sáng nhất định theo các hướng
khác nhau, trong đó có một phần đến được mắt, tác động lên hệ thần kinh thị
giác, vì vậy chúng ta quan sát được đối tượng. Theo định luật truyền thẳng ánh
sáng khi đến một bề mặt không trong suốt thì bị cản lại, và không thể tiếp tục
được truyền đi theo hướng đến, vì vậy mọi điểm phía sau sẽ không có sự chiếu
sáng từ nguồn sáng hiện tượng như vậy được gọi là hiệu ứng “bóng đổ”.
Trong quang học sóng, ánh sáng là một loại sóng điện từ trường do đó
nó cũng tuân theo các định luật của sóng như định luật truyền thẳng, định luật
phản xạ, khúc xạ, vvv. Trong trường hợp này năng lượng của ánh sáng được
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




18

Hình 2.1. Khả năng quan sát của con người tương ứng với từng mức sóng
Trong đồ họa 3D tính chất sóng - hạt của ánh sáng được trừu tượng 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 dưới đây sẽ
trình bày một số quy luật quan trọng, nhưng trước tiên để hiểu được các quy
luật này chúng ta hãy xem xét một số đơn vị sử dụng trong việc đo lường ánh
sáng [8], [9], [10], [13].
2.2.

Một số đơn vị đo lường ánh sáng

Ánh sáng là một loại bức xạ điện từ trường do đó một phép đo lường ánh
sáng cũng là một phép đo lường bức xạ. Dưới đây là một số đơn vị đo lường
được sử dụng phổ biến trong các nguyên tắc xây dựng hình ảnh.

 Góc khối:
Góc khối là một khái niệm được sử dụng trong Toán học và Vật lý để
nói tới các góc trong không gian ba chiều tương ứng giữa một vật thể với một
điểm cho trước, nó tương tự với khái niệm góc sử dụng trong mặt phẳng hai
chiều. Góc khối được sử dụng để ước lượng độ lớn của vật thể tính từ một điểm
quan sát cho trước, ví dụ một vật thể nhỏ nhưng được đặt gần điểm quan sát
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn




 Thông lượng bức xạ (Radiant Flux) hay Công xuất bức xạ (Radiant
Power)
Công xuất bức xạ được ký hiệu là Φ, được định nghĩa là lượng năng
lượng bức xạ trên mỗi đơn vị thời gian, đơn vị đo lường của nó là watt [W].
Φ = ∫ 𝑊(𝜆)𝑑𝜆;

𝑑𝑜

Φ𝑛ℎì𝑛 𝑡ℎấ𝑦 = ∫𝑡𝑖𝑚 𝑊(𝜆)𝑑𝜆

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn