Giới đồ họa ngày này chắc không xa lạ với thuật ngữ “Phong shading”. Nhưng nguồn gốc của loại thuật toán đồ họa này lại không được nhiều người biết đến.

Phong shading là một thuật ngữ dùng để chỉ một kỹ thuật đổ bóng cho hình ảnh được tạo trên máy tính, giúp hình ảnh có tính chất 3 chiều gần với thực tế hơn. Về cơ bản, Phong shading là một thuật toán giúp chuyển đổi các nguyên lý quan học như phản xạ và tán xạ thành một công thức để máy tính có thể mô phỏng yêu tố tự nhiên trong môi trường giả lập.

Trong ngành đồ họa điện toán, đây là một torng những thuật toán tiên phong mà nếu không có nó, những chương trình quan trọng như 3D Max, Maya, Cinema 4D, RenderMan… chưa chắc sẽ tồn tại. Và kỹ thuật quan trọng này gắn liền với cái tên người Việt ít được biết đến nhất – Bùi Tường Phong.

Bùi Tường Phong – Nhà cách mạnh đồ họa máy tính Việt Nam đầy bí ẩn
Ảnh 2D, ảnh 3D không có đổ bóng, ảnh 3D có đổ bóng

Bùi Tường Phong – Người Việt hiếm hoi theo đuổi ngành đồ họa từ thuở “hồng hoang”

Bùi Tường Phong là một trong những thiên tài bí ẩn nhất kỷ nguyên số của Việt Nam. Theo ghi chép, Bùi Tường Phong sinh ra ở Hà Nội vào năm 1942, năm 1945 ông theo gia đình vào Sài Gòn và tham gia học tập tại trường Lycée Jean Jacques Rousseau (nay là Lê Quý Đôn). Bùi Tường Phong theo đuổi việc học tập và nghiên cứu hệ điều hành cho máy tính tại Pháp vào năm 1964, sau đó là Mỹ.

Lưu ý rằng những năm 1960 là thuở “hồng hoang” của máy điện toán. Chỉ những lab lớn mới có điều kiện để kỹ sư nghiên cứu phát triển và phần lớn nhân loại còn không biết “hệ điều hành” là gì.

Bùi Tường Phong

Sau một thời gian học tại Pháp từ năm 1964 ở Grenoble (tỉnh Isère) và Toulouse, ông lấy bằng kỹ sư (Diplôme d’Ingénieur – một bằng lớn được cấp bởi những trường Grandes École với việc tuyển sinh đầu vào khá gắt) và tham gia nghiên cứu hệ điều hành cho máy tính. Xin lưu ý rằng những năm 1960 là thuở “hồng hoang” của máy điện toán, chỉ những lab lớn mới có điều kiện để kỹ sư nghiên cứu phát triển và phần lớn nhân loại còn không biết “hệ điều hành” là gì. Ông nhận bằng Licence es Science của Grenoble năm 1966 và bằng kỹ sư của trường ENSEEHT, Toulouse vào năm 1968. Cũng trong năm 1968, ông đến làm việc ở Viện nghiên cứu Institut de Recherche d’Ingenieur et d’Automatique (IRIA) nhằm nghiên cứu về phát triển hệ điều hành cho máy tính số. Năm 1969 ở Paris, Pháp, Ông đã cưới bà Bùi Thị Ngọc Bích (ở Nha Trang) và có một người con gái. Năm 1971, ông sang Mỹ học tiến sỹ ở đại học Utah.

Đại học Utah là một trong những ngôi trường tiên phong trong khoa học điện toán (computer science) trên toàn thế giới. Ngành điện toán của đại học này là nơi sản sinh ra hàng loạt nhân tài cho các hãng đồ họa hạng nhất như Pixar, Adobe, Silicon Graphics và đặc biệt là Công ty Evans & Sutherland vốn được khai sáng bởi hai cựu giáo sư của trường là David Evans và Ivan Sutherland.

Ông hoàn thành đề tài tiến sĩ của mình ở trường Đại học Utah năm 1973. Bùi Tường Phong qua đời vào năm 1975.

Công nghệ đồ họa 3D ra đời trong một bài tập về nhà của 4 chàng sinh viên

Giáo sư Ivan Sutherland,  đã giao cho Phong cùng 3 người bạn: Jim Clark (người sau này sáng lập ra Silicon Graphics), Robert McDermott (người sau này lưu lại ĐH Utah để giảng dạy và đặt nền móng cho thế hệ đồ họa sau), Raphael Rom (người gốc Israel, sau này giảng dạy tại Technion – ĐH Công nghệ Israel) một bài tập: Tạo ra mô hình đồ họa trên máy tính của một vật thể thật ngoài đời, làm sao để nhìn vào là nhận ra ngay vật thể đó là gì. Mọi người lúc đó đều không nghĩ rằng bài tập này sẽ góp phần làm thay đổi cả thế giới điện toán.

Bùi Tường Phong – Nhà cách mạnh đồ họa máy tính Việt Nam đầy bí ẩn
Đo đạc thực tế để mô phỏng lại hình ảnh ô tô

Cả nhóm quyết định chọn chiếc xe con bọ Volkswagen để dựng mô hình trên máy tính, vì theo họ đây là một vật mang đầy tính biểu tượng và cũng vì vợ của người thầy Ivan – cô Marsha sở hữu chiếc xe này, rất thuận tiện cho cả nhóm mượn để đo đạc. Quá trình đo đạc của nhóm khá vui nhộn: Robert và Jim vốn cao to nên đo phần mái xe trở xuống, Raphael và Tường Phong vốn nhỏ người nên đo phần sàn xe trở lên. Họ phân chiếc xe ra thành những điểm và hình đa giác, giúp cho việc nhập số liệu vào máy tính dễ dàng hơn. Bốn chàng trai vẽ thẳng lên xe để đánh dấu các phần, trong một tiến trình mà theo lời kể của Robert là “chậm chạp và chán chết được”. Cô Marsha tốt bụng không lấy làm phiền mà còn lái xe bát phố với đầy đường kẻ trên xe.

Sau khi có đủ dữ liệu, nhóm dựng được mô hình 3D của vỏ xe Volkswagen. Nhưng mô hình 3D thiếu sức sống, không thuyết phục được giáo sư. Nó không giúp người xem cảm nhận được ánh sáng chiếu lên bề mặt vỏ xe và phản xạ lại. Nhóm sinh viên 4 người, mất nhiều tuần lễ để chỉnh sửa, thử nghiệm các phương án khác nhau. Vào tuần thứ 10, hạn cuối cùng của đồ án, Phong đề xuất ý tưởng toán học để mô phỏng nguồn sáng chiều vào vật thể và cách thức để đổ bóng, phản chiếu vật thể  "Phong reflection model và Phong shading"

Bùi Tường Phong – Nhà cách mạnh đồ họa máy tính Việt Nam đầy bí ẩn
Đổ bóng thường vs Đổ bóng kiểu Phong

Phong đã nghiên cứu hiện tượng quang học để từ đó viết ra một phương trình kiểu mẫu. Trong môi trường giả lập của Phong, thuật toán dùng để làm mất những phần bị che của mô hình cũng quan trọng không kém thuật toán dùng để vẽ nên những phần được thấy. Theo nghiên cứu của Bùi Tường Phong, một hình khối 3D chỉ được xem là hoàn thiện khi có thể xoay 360o mà không gặp lỗi hình học.

Mô hình đổ bóng Wolkwagen dùng thuật toán Phong