Bài giảng Công nghệ đồ họa và hiện thực ảo - Bài 12: Ánh sáng - Trịnh Thành Trung

©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
Trịnh Thành Trung 
trungtt@soict.hust.edu.vn 
Bài 12 
ÁNH SÁNG 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
- 
LÝ THUYẾT ÁNH SÁNG 
1 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
 3 
• Màu sắc là cảm nhận xảy ra khi năng lượng ánh 
sáng tiếp xúc với võng mạc được phân tích bởi 
bộ não 
• Nguyên tắc của ánh sáng dựa trên 2 góc độ 
– Vật lý - physics 
– Sinh lý - physiology 
Ánh sáng và màu sắc 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
 4 
• Ánh sáng là sóng điện từ có bước sóng  đi 
từ 400nm – 700nm. 
• Ánh sáng có tính chất hạt 
• Vận tốc c = f  
– c = 2.9979458 . 10E8 m/s khi truyền 
trong chân không 
– c = 2.25 . 10E8 m/s khi truyền trong 
nước 
– c = 1.97 . 10E8 m/s khi truyền trong 
thủy tinh 
• Tổng năng lượng đặc trưng cho từng loại 
bước sóng được biểu diễn bằng hàm phân 
bổ năng lượng phổ P(). 
Yếu tố vật lý 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
 5 
10
2 2
10
3
10
6
10
9
10
1 2
10
1 4
10
1 5
10
1 8
Frequency (Hz)
Visible Spectrum
Radio Frequency Microwaves Infrared
Ultraviolet
X-Rays -Rays
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
 6 
• Ánh sáng xuất phát từ nguồn sáng được xác định bởi phổ 
I() của nó - spectrum, phổ I() này được đo bởi năng 
lượng của ánh sáng với bước sóng cho trước đi qua 1 đơn 
vị diện tích trong 1 khoảng thời gian. 
• Thuật ngữ khác phổ công suất - power spectrum, với đơn 
vị là watts/m2. 
• Phổ công suất được dùng để đo cường độ phát sáng của 
nguồn - emission intensity 
• Hay còn gọi cường độ truyền dẫn - transmission intensity 
của ánh sáng theo luồng trong không gian, hay cường độ 
phát sáng- illumination intensity của ánh sáng đập lên bề 
mặt. 
Phổ của ánh sáng 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
 7 
• Isaac Newton - ánh sáng trắng đi qua 
thấu kính thuỷ tinh sẽ phát tán ra 
thành phổ các mầu cầu vồng 
• Ngược lại, thấu kính có thể kết hợp các 
phổ ánh sáng để tạo thành ánh sáng 
trắng. 
• Chùm sáng khi phân tách thành phổ 
mầu có liên quan đến phổ năng lượng 
I(). 
• Phổ điện từ đó có bước songd từ 350 
to 780 nm và color được đặc trưng bởi 
c() 
Màu sắc 
350 780  
c( ) 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
 8 
• Cấu tạo hệ quan sát của con người 
gồm 2 loại tế bào cảm thụ - sensors 
– Rods (tế bào que): cho cảm nhận 
cường độ ánh sáng thấp hay 
trong bóng tối 
– Cones - tế bào hình nón 
• Nhậy cảm với ánh sáng mầu sắc 
• Chia làm 3 loại nón - cone 
• 3 loại sẽ có 3 giá trị gọi là 
tristimulus values cảm nhận tương 
ứng trên 3 mầu cơ bản và gửi đến 
não những tín hiệu tạo ra cảm nhận 
về mầu sắc S-M-L 
• Ðể đạt được 1 sự cảm nhận về 1 mầu 
bất kỳ ta phải xác định giá trị của 3 
đại lượng này 
Sinh lý 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
 9 
• 3 loại tế bào nón sẽ có độ nhạy cảm 
với 3 mầu với các bước sóng khác 
nhau như: 
– L hoặc R, nhạy cảm nhất với ánh 
sáng đỏ (610 nm) 
– M hoặc G, nhạy cảm nhất với 
ánh sáng xanh lá (560 nm) 
– S hoặc B, nhạy cảm nhất với ánh 
sáng xanh da trời (430 nm) 
– (Nguyên nhân dẫn đến việc bị 
mù màu là do tổn thương đến 
một trong các tế bào nón này) 
• Tỉ lệ nhạy cảm S:M:L= 1:20:40 
Con người nhạy cảm với màu đỏ hơn 
màu xanh da trời 
Tế bào nón 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
- 
MÙ MÀU 
 10 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
- 
MÔ HÌNH ÁNH SÁNG 
2 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• [Young] tất cả các mầu trong tự nhiên đều được tạo nên từ 3 mầu 
cơ bản - mắt người phân tích mầu sắc thành 3 thành phần mầu 
cơ bản là RGB và gửi tín hiệu đến não theo 3 kênh thần kinh khác 
nhau - nerve channels 
• Helmholz (1855) mắt chứa 3 cơ quan thụ cảm phản ứng mạnh với 
các bước sóng ánh sáng tương ứng red, green, blue 
• Theo Helmholz: Mầu sắc được xác định bởi tỉ lệ phản ứng của 3 
thành phần thụ cảm 
• Ví dụ:Tại 480nm, tỉ lệ là 1:5:9 cho cảm nhận cyan hay blue 
Lý thuyết 3 mầu 
400 500 600 
B G R 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
 13 
– A.H.Munsell đưa ra vào những năm 1976 
• Không gian 3 chiều bao gồm 3 yếu tố Hue, 
Lightness và Saturation. 
– Sắc mầu trong Hội hoạ 
• sắc thái (Tints), sắc độ (Shade), tông mầu (Tone) từ 
các mầu nguyên chất hoặc bão hoà 
– Cảm nhận Đo 
– Hue Dominant Wave Lenght 
– Saturation Excitation purity 
– Lightness (phản xạ) Luminance 
– Brightness (phát xạ) Luminance 
Yếu tố sinh lý và vật lý 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
 14 
• Không cảm nhận được các sắc mầu khác nhau như 
vàng, đỏ, tím 
• Định lượng là thuộc tính duy nhất của các tia sáng 
đơn sắc và về mặt vật lý 
• Cường độ (intensity) hay độ chiếu sáng (luminance) 
là chính năng lượng của tia sáng 
• Dưới góc độ cảm nhận về mặt tâm lý thì cường độ 
của tia sáng chính là độ sáng của vật (brighness) 
• Sử dụng phổ kế - photometer để đo độ sáng min và 
max của màn hình. Và đó là khoảng động: 
• Khoảng cường độ nhận giá trị min, I0, đến max, 1.0 
Ánh sáng đơn sắc 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
 15 
 Dynamic Range Max # of 
Display (max / min illum) Perceived 
 Intensities (r=1.01) 
• CRT: 50-200 400-530 
• Photo (print) 100 465 
• Photo (slide) 1000 700 
• B/W printout 100 465 
• Color printout 50 400 
• Newspaper 10 234 
Dynamic Ranges 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
 16 
Cường độ sáng và cách tính 
 Cường độ của nguồn sáng sẽ thay đổi 
trong khoảng từ 0 đến 1: 
o 0 qui ước cho mầu đen và 1 cho mầu trắng 
 khoảng tăng của cường độ sáng sẽ phân 
chia theo hàm logarit 
oI0 = I0 , I1 = r I0 , I2 = r I1 = r
2 I0 , ... , I255 = r
255 I0=1 
or=(1/ I0)
1/255 , Ij = rj I0 = I0
(255-j)/255 
 I = k.N 
oVới k và  là các hằng số (từ 2.2 -> 2.6)N số lượng 
hạt tại một thời điểm phát ra 
I0=I0 
I1 = rI0 
I2 = rI1 = r
2I0 
I255=rI254=r
255I
0 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
 17 
• I = K.V hay V = (I / K)1/ 
– V: điện áp tỉ lệ với N 
• Giả sử chúng ta có một cường độ 
sáng I thì bước đầu tiên ta phải làm là 
tìm ra giá trị Ij gần nhất qua phép làm 
tròn. Giá trị j tìm được = ROUND(logr ( 
I / I0 )). 
Thay j vào công thức ta có: 
• Ij = rj . I0 
• Bước tiếp theo của tiến trình là xây 
dựng mức điện áp Vj cho điểm ảnh 
mà cường độ ánh sáng có giá trị 
tương ứng là Ij. 
• Vj = ROUND( Ij / K )1/ 
Phép hiệu chỉnh gama 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
 18 
• Sử dụng đen trắng để mô tả ảnh nhiều 
mầu? 
• Phương pháp trên dựa vào cấu tạo mắt 
của người cũng như nguyên lý thu nhận 
ảnh của mắt khi nhìn những vùng nhỏ 
ở khoảng cách xa. 
• Lúc đó mắt không thể phân biệt được 
các vật một cách cụ thể mà chỉ ghi 
nhận cường độ trung bình của vùng 
ảnh đó 
• Ảnh báo vào khoảng từ 60->80 dpi, còn 
trong tạp chí và sách cao hơn là 
khoảng từ 110 -> 120 dpi. 
Xấp xỉ bán tông 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
 19 
• Phân ngưỡng: so sánh cường độ sáng trung bình 
của ô với một ngưỡng xác định 
• Mẫu tô: 
Giải thuật phân ngưỡng 
0 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
 20 
 Thứ nhất: Không dùng ma trận mẫu có dạng đường thẳng ngang 
 Thứ hai: Các mẫu phải được hình thành theo chuỗi các bước liên 
tiếp nhau sao cho mọi điểm ảnh có mật độ thể hiện ngưỡng a 
đều phải có mặt để thể hiện mọi ngưỡng b với b > a. 
 Thứ ba: Các mẫu phải được phát triển theo quy tắc từ tâm đi dần 
ra xung quanh. Nhờ đó sẽ gây được cho người sử dụng hiệu ứng 
tăng kích thước điểm. 
 Thứ tư: Với một số các thiết bị in như máy in laser hay các thiết 
bị ghi hình, vấn đề về các điểm độc lập tuyệt đối là rất khó có 
khả năng đạt được. Khi mà đại đa phần các điểm ảnh được bật 
cho một cường độ sáng thì chúng sẽ gây ra các thay đổi cho các 
điểm còn lại. 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
Xấp xỉ bán tông với ảnh mầu 
 21 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
 22 
• Bayer năm 73 đã đưa ra dạng ma trận dither mà 
nhờ đó tăng được độ mịn của ảnh khi hiển thị. 
• Ma trận 2 2 ma trận dither có ký hiệu D(2): 
• c ma trận D(2n) thông qua D(n): 
• U(n) là ma trận n n với tất cả các phần tử = 1 
• Với n = 4 và kết quả từ D(2) 
Ma trận Dither và 
phép xấp xỉ bán tông 
13
20
2D
2/2
11
2/2/2
10
2/
2/2
01
2/2/2
00
2/
44
44
nnnn
nnnn
n
UDDUDD
UDDUDD
D
513715
91113
614412
10280
4D