Luận văn thạc sĩ khoa học máy tính nghiên cứu kỹ thuật tạo bóng bề mặt của vật thể và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG PHẠM THỊ PHƯƠNG NGA NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TẠO BÓNG BỀ MẶT CỦA VẬT THỂ VÀ ỨNG DỤNG Ngành Khoa học máy tính Mã số 8 48 01 01 LUẬN VĂN[.]

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG PHẠM THỊ PHƯƠNG NGA NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TẠO BÓNG BỀ MẶT CỦA VẬT THỂ VÀ ỨNG DỤNG Ngành: Khoa học máy tính Mã số: 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Vũ Đức Thái Thái Nguyên năm 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Phạm Thị Phương Nga Sinh ngày: 08/10/1979 Học viên lớp cao học CHK17A - Trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thông - Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trường THCS Quang Sơn - Đồng Hỷ - tỉnh Thái Nguyên Xin cam đoan: Đề tài “ Nghiên cứu kỹ thuật tạo bóng bề mặt vật thể ứng dụng”, TS Vũ Đức Thái hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tác giả xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu thầy giáo hướng dẫn Nếu sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học trước pháp luật Thái Nguyên, ngày 17 tháng 09 năm 2020 Tác giả luận văn Phạm Thị Phương Nga ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn TS Vũ Đức Thái, thầy giáo trực tiếp hướng dẫn khoa học cho tơi q trình thực luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô giáo, cán trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thông – Đại học Thái Nguyên anh chị đồng nghiệp quan tạo điều kiện thuận lợi cho học tập nghiên cứu hồn thành chương trình học tập thực luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn anh, chị bạn học viên lớp Cao học Khoa học máy tính CK -17A, trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thông – Đại học Thái Nguyên động viên, giúp đỡ nhiệt tình chia sẻ với tơi kinh nghiệm học tập, cơng tác suốt khố học Cuối cùng, tơi muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, người thân bên cạnh động viên suốt trình thực luận văn tốt nghiệp Mặc dù cố gắng, song luận văn tránh khỏi thiếu sót, kính mong dẫn quý thầy cô bạn Thái Nguyên, ngày 17 tháng năm 2020 Học viên Phạm Thị Phương Nga iii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục hình ảnh iv MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Chương TỔNG QUAN VỀ MƠ PHỎNG VÀ BÀI TỐN HIỂN THỊ MƠ HÌNH BĨNG BỀ MẶT 1.1 Tổng quan thực ảo 1.1.1.Thực ảo 1.1.2 Lịch sử phát triển thực ảo 1.1.3 Ứng dụng thực ảo 1.2 Mơ hình 3D thực ảo 1.3 Vai trò việc mô không gian 3D 10 1.4 Mơ hình hóa mơ hình 3D 11 1.4.1 Hệ trục tọa độ 12 1.4.2 Kỹ thuật hiển thị mô hình Bump Mapping 13 1.4.3 Kỹ thuật xử lý ảnh hoa văn 19 1.4.4 Kỹ thuật Ánh xạ bề mặt chạm 20 1.4.5 Kỹ thuật sử dụng môi trường ánh xạ bump mapping .20 Chương MỘT SỐ KỸ THUẬT HIỂN THỊ BỀ MẶT CỦA VẬT THỂ 3D 22 2.1 Kỹ thuật chiếu sáng 22 2.2 Hiệu ứng ánh sáng 24 2.2.1.Các hiệu ứng ánh sáng .24 2.3.Thuật tốn chiếu sáng tồn cục 28 2.3.1.Một số thuật toán chiếu sáng toàn cục .28 2.4.Kỹ thuật chiếu sáng cục 32 Chương MÔ PHỎNG TÁC ĐỘNG ÁNH SÁNG LÊN BỀ MẶT VẬT THỂ 44 3.1 Phân tích yêu cầu hệ thống 44 3.2 Phân tích chi tiết 45 3.2.1 Phân tích hình ảnh 45 3.2.2 Phân tích chức người dùng 46 3.2.3.Phân tích yêu cầu biểu diễn 47 3.3 Thiết kế thuật toán 49 3.3.1.Thuật toán xác định hướng ánh sáng mơi trường 49 3.3.2 Thuật tốn tính tốn tương tác vật thể xoay 50 3.4 Thiết kế giao diện 51 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Một hình ảnh kết thực nghiệm 10 Hình 1.2 Hệ trục tọa độ Trục 12 Hình 1.3 Bề mặt đá nhà thờ đá Phát Diệm 14 Hình 1.4 Cây đổ bóng 15 Hình 1.5 Khơng gian tiếp tuyến 17 Hình 1.6 Sự phản xạ tia sáng bề mặt 18 Hình 2.1 Nguyên tắc đặt đèn trưng bày 23 Hình 2.2 Minh họa trình sinh dò tia ray tracing 29 Hình 2.3 Các bước xử lý giải thuật Ray tracing 30 Hình 2.4 So sánh Scan line ray tracing 31 Hình 2.5 Chiếu sáng photon mapping 32 Hình 2.6 Các bước xử lý giải thuật Scan line 33 Hình 2.7 MAX cung cấp ba loại điều chỉnh điểm chốt 38 Hình 2.8 Use Selection Center (tâm tập chọn) 39 Hình 2.9 Transform Coordinate Center (tâm hệ tọa độ phép biến đổi) 39 Hình 2.10 Trước Occlusion Culling 40 Hình 2.11 Dung lượng phát triển bóng Culling 42 Hình 2.12 Một ảnh hoa văn phức tạp 43 Hình 3.1 Một số vật thể trưng bày 45 Hình 3.2 Bề mặt vật thể suốt 46 Hình 3.3 So sánh ảnh bị nhiễu sáng chỉnh sửa 46 Hình 3.4 Biểu đồ Use case 47 Hình 3.5 Sơ đồ phân tích 48 Hình 3.6 Mơ hình thuật tốn xác định hướng ánh sáng mơi trường 49 Hình 3.7 Sơ đồ khối phương pháp tích phân số hỗn hợp 51 Hình 3.8 Biểu diễn vật Trống với hướng chiếu sáng từ xuống 53 Hình 3.9 Biểu diễn vật Bình với hướng chiếu sáng từ xuống 54 Hình 4.0 Biểu diễn vật Cồng với hướng chiếu sáng từ xuống 55 Hình 4.1 Biểu diễn vật Giỏ với hướng chiếu sáng từ xuống 56 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trưng bày ảo lĩnh vực ứng dụng giải nhiều vấn đề đời sống thực tế Trong bảo tàng, trưng bày ảo ứng dụng để tạo phòng trưng bày ảo, qua khách tham quan đến bảo tàng, xem hiểu biết thông tin vật, v.v bảo tàng mà không cần đến tận nơi Trong thương mại, đặc biệt thương mại điện tử, trưng bày ảo nơi cho phép nhà sản xuất, nhà kinh doanh, v.v giới thiệu quảng bá sản phẩm đến người tiêu dùng cách đầy đủ xác Trong lĩnh vực văn hóa nghệ thuật, trưng bày ảo cơng cụ hữu hiệu để nghệ sỹ giới thiệu quảng bá sản phẩm tinh thần đến với độc giả Trong hầu hết lĩnh vực thực tế tìm thấy vấn đề ứng dụng, sử dụng trưng bày ảo công cụ trực tiếp gián tiếp để giải vấn đề Thời gian gần với phát triền mạnh mẽ công nghệ Thực ảo, Thực ảo trộn, Thực tăng cường, tạo khả phát triển mạnh mẽ cho việc phát triển ứng dụng trưng bày ảo Với hỗ trợ công nghệ này, người ta đưa vật ảo ngồi khơng gian thực để người tham quan xem chí tương tác sử dụng vật ảo thật Qua đó, giải nhiều vấn đề như: thiếu vật, bảo quản vật bảo tàng vấn đề kinh tế (chi phí làm sản phẩm mẫu) thương mại Để xây dựng ứng dụng thực tế sử dụng cơng nghệ trưng bày ảo có nhiều vấn đề đặt cần nghiên cứu giả ví dụ như: vấn đề xây dựng tối ưu hóa mơ hình để sử dụng được, vấn đề quản lý thông tin bao gồm thơng tin vị trí trưng bày vật, vấn đề tính tốn va chạm gi ữa vật ảo với môi trường thật, v.v Vấn đề quan trọng ứng dụng đồ họa ba chiều thời gian thực nói chung ứng dụng trưng bày ảo nói riêng tạo hình ảnh chân thật Để có hình ảnh điều quan trọng tính tốn tác động môi trường lên biểu diễn bề mặt đối tượng Các tác động môi trường lên bề mặt đối tượng phân thành hai loại chính: tác động khơng làm thay đổi chất bề mặt đối tượng mà làm thay đổi hình ảnh từ người quan sát; hai tác động làm thay đổi kết cấu, tính chất, đặc điểm bề mặt chí đặc điểm hình học đối tượng Với loại thứ nhất, thể tác động làm thay đổi hình ảnh quan sát đối tượng Việc tính tốn tác động chất, q trình kết xuất ảnh hai chiều từ đối tượng, góc quan sát điều kiện mơi trường, tồn q trình gọi (Rendering) [7, 22] Trong Rendering yếu tố nội đối tượng, ánh sáng yếu tố quan trọng có ảnh hưởng nhiều đến việc biểu diễn bề mặt đối tượng, yếu tố mà ứng dụng ba chiều bỏ qua Việc tính tốn ảnh hưởng ánh sáng lên biểu diễn bề mặt đối tượng thể thông qua hai hiệu ứng hiệu ứng bóng bề mặt (Shading) hiệu ứng bóng đổ (Shadow) Nghiên cứu bóng bề mặt nghiên cứu quan trọng đồ họa ba chiều thời gian thực Có nhiều kỹ thuật tơ bóng đề xuất sử dụng rộng rãi kể đến kỹ thuật tơ bóng Gouraud [7] đề xuất năm 1971 kỹ thuật tảng cho kỹ thuật tiếp theo; kỹ thuật tơ bóng Phong [12] Phong Blinn [2] hai kỹ thuật cài đặt sử dụng rộng rãi Ngoài kỹ thuật kỹ thuật sử dụng đồ phụ trợ Normal Mapping, Parallax Mapping, Displacement Mapping [5, 16, 18] nhằm làm tăng độ chi tiết bề mặt đối tượng không làm thay đổi số lượng đa giác biểu diễn sử dụng rộng rãi Vấn đề tơ bóng vấn đề kinh điển nghiên cứu từ lâu nhiên phải đáp ứng yêu cầu thời gian thực nên việc tơ bóng cho đối tượng như lơng, tóc, khói, mây, đối tượng lỏng, v.v việc thể hiệu ứng gương, khúc xạ, thấu kính, v.v vấn đề khó tiếp tục nghiên cứu Các cơng trình nghiên cứu tiêu biểu xem tài liệu tham khảo [9, 10, 11, 14, 20] Một vấn đề quan trọng cần nghiên cứu để xây dựng ứng dụng trưng bày ảo ảnh hưởng mơi trường đến biểu diễn bề mặt đối tượng đặc biệt ảnh hưởng ánh sáng thông qua nguồn sáng đến biểu diễn bề mặt đối tượng Ảnh hưởng nguồn sáng lên biển diễn bề mặt đối tượng biết gồm hai phần ảnh hưởng đến việc hiển thị đối tượng ảnh hưởng thứ hai làm thay đổi bề mặt đối tượng Ảnh hưởng nguồn sáng lên hiển thị đối tượng thông qua chiếu sáng việc khơng thể thiếu phải có chiếu sáng mời có đồ họa ba chiều trưng bày ảo đồng thời trưng bày ảo có số đặc điểm riêng biệt nghiên cứu chiếu sáng chiếu sáng trưng bày ảo vấn đề cần thiết Trên thực tế đối tượng thay đổi theo thời gian nghiên cứu ảnh hưởng nguồn sáng điều kiện môi trường đến bề mặt đối tượng khơng có tác đụng làm tăng chất lượng hình ảnh ứng dụng trưng bày ảo mà kết nghiên cứu cịn sử dụng làm công cụ để trợ giúp cho việc trưng bày đối tượng thực làm chúng bị thay đổi, phá hủy theo thời gian tác động ánh sáng môi trường Nhận biết quan trọng đó, với mục đích mơ ảnh hưởng nguồn sáng vào biểu diễn bề mặt đối tượng ba chiều sở phát triển hệ thống trưng bày ảo vật ảo ba chiều Mục tiêu cụ thể nghiên cứu kỹ thuật chiếu sáng hiệu ứng bóng bề mặt vật thể trưng bày không gian ba chiều Tôi lựa chọn đề tài:” Nghiên cứu kỹ thuật tạo bóng bề mặt vật thể ứng dụng” Đề tài nghiên cứu thuật toán để cài đặt mô cho số vật Nhà bảo tàng văn hóa dân tộc Việt Nam thành phố Thái Nguyên Ứng dụng kết nghiên cứu vào xây dựng phần mềm trưng bày ảo cho số vật Bảo tàng Văn hóa dân tộc Việt Nam TP Thái Nguyên với lý thuyết phân tích tác động mơi trường lên vật 4 Mục tiêu - Nghiên cứu thuật toán vận dụng Việt Nam giới để khái quát hóa lựa chọn công cụ phù hợp cho việc cài đặt - Lựa chọn vật thể khơng gian thích hợp để phân tích hình ảnh thực tiễn làm sở đối chứng cho kết cài đặt - Đánh giá rút kinh nghiệm thuật tốn để cải tiến việc mô tốt Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài + Đối tượng nghiên cứu:  Đối tượng nghiên cứu kỹ thuật chiếu sáng, kỹ thuật biểu diễn biến đổi đối tượng tác động ánh sáng điều kiện môi trường lĩnh vực thực ảo đồ họa ba chiều + Phạm vi nghiên cứu:  Tập trung nghiên cứu kỹ thuật tính tốn đồ chiếu sáng ứng dụng kết hợp đồ chiếu sáng cho ứng dụng trưng bày ảo Ảnh hưởng ánh sáng lên biến đổi bề mặt số loại chất liệu phổ biến lĩnh vực trưng bày ảo 5 Chương TỔNG QUAN VỀ MƠ PHỎNG VÀ BÀI TỐN HIỂN THỊ MƠ HÌNH BĨNG BỀ MẶT 1.1 Tổng quan thực ảo 1.1.1.Thực ảo Thực ảo (Virtual reality- VR) hệ thống mô đồ họa máy tính sử dụng để tạo giới "như thật" Hơn nữa, giới "nhân tạo" không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) người sử dụng (nhờ hành động, lời nói, ) Điều xác định đặc tính VR, tương tác thời gian thực Thời gian thực có nghĩa máy tính có khả nhận biết tín hiệu vào người sử dụng thay đổi giới ảo Người sử dụng nhìn thấy vật thay đổi hình theo ý muốn bị thu hút mô Tương tác khả thu hút VR góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm, cảm giác trở thành phần hành động hình mà người sử dụng trải nghiệm Nhưng VR đẩy cảm giác "thật" nhờ tác động lên tất kênh cảm giác người Trong thực tế, người dùng khơng nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D nổi, điều khiển (xoay, di chuyển, ) đối tượng hình (như game), mà sờ cảm thấy chúng có thật Ngồi khả nhìn (thị giác), nghe (thính giác), sờ (xúc giác), nhà nghiên cứu nghiên cứu để tạo cảm giác khác ngửi (khứu giác), nếm (vị giác) Tuy nhiên VR cảm giác sử dụng đến Như vậy: “Thực ảo công nghệ sử dụng kỹ thuật mơ hình hố khơng gian ba chiều với hỗ trợ thiết bị đa phương tiện xây dựng giới mơ máy tính”, [3,4,6,7,8] 1.1.2 Lịch sử phát triển thực ảo Thực ảo thuật ngữ xuất khoảng đầu thập kỷ 90, Mỹ châu Âu VR trở thành công nghệ mũi nhọn nhờ khả ứng dụng rộng rãi lĩnh vực (nghiên cứu công nghiệp, giáo dục đào tạo thương mại, giải trí,…) tiềm kinh tế tính lưỡng dụng (trong dân dụng, quân sự) VR khơng phải phát minh mới, mà từ năm 1962 Morton Heilig (Mỹ) phát minh thiết bị mô SENSORAMA Tuy nhiên nhiều ngành công nghệ khác, VR thực phát triển ứng dụng rộng rãi năm gần nhờ vào phát triển tin học (phần mềm) máy tính (phần cứng) Thuật ngữ “virtual reality – thực ảo đưa Jaron Lanier (người sáng lập công ty VPL Research, Redwood – California, công ty cung cấp sản phẩm cho mơi trường ảo) Sự hình dung liên quan đến tác động đầu mà máy tính tạo thị giác, thính giác hay giác quan khác người sử dụng tương tác với giới bên máy tính Thế giới mơ hình thiết kế với trợ giúp máy tính, mơ cách nhìn nhận sở liệu Hệ thống có tính động, mơ vật lý hay hoạt cảnh 1.1.3 Ứng dụng thực ảo Tại nước phát triển, nhận thấy VR ứng dụng lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch, đáp ứng nhu cầu: Nghiên cứu- Giáo dục- Thương mại-dịch vụ Y học, du lịch lĩnh vực ứng dụng truyền thống VR Bên cạnh VR ứng dụng giáo dục, nghệ thuật, giải trí, du lịch ảo (Virtual Tour), bất động sản Trong lĩnh vực quân sự, VR ứng dụng nhiều nước phát triển Bên cạnh ứng dụng truyền thống trên, có số ứng dụng lên thời gian gần VR như: VR ứng dụng sản xuất, VR ứng dụng ngành rôbốt, VR ứng dụng hiển thị thơng tin (thăm dị dầu mỏ, hiển thị thông tin khối, ứng dụng cho ngành du lịch, ứng dụng cho thị trường bất động sản ) VR có tiềm ứng dụng vơ lớn Có thể nói tóm lại điều: Mọi lĩnh vực "có thật " sống ứng dụng "thực tế ảo" để nghiên cứu phát triển hồn thiện [1] 1.2 Mơ hình 3D thực ảo Mơ hình 3D ngày phổ biến sử dụng rộng rãi ứng dụng mô phỏng, thực ảo Ta thấy, với khoảng cách khác quan sát thấy độ chi tiết khác mơ hình Điều có nghĩa mơ hình gần chi tiết mơ hình xa mờ Để tối ưu tính tốn thường phải có sẵn mơ hình 3D với mức độ chi tiết khác Khi biểu diễn vật khoảng cách định chương trình gọi sử dụng mơ hình với độ chi tiết tương ứng, kỹ thuật thực ảo gọi LOD (Level Of Detail) Kỹ thuật F Biljecki , H Ledoux J Stoter trình bày để biểu diễn mơ hình 3D tịa nhà năm 2016 [15], Như vậy, mơ hình 3D phải thiết kế lại nhiều lần với độ chi tiết khác Điều dẫn tới thời gian chi phí tạo mơ hình tăng đồng nghĩa với tổng chi phí cho hệ thống trưng bày ảo lớn Để giảm chi phí xây dựng mơ hình cần áp dụng chiến lược tự động tối ưu mơ hình dựa khoảng cách quan sát chương trình chạy Quá trình tối ưu gọi LOD tự động Trong đó, độ chi tiết mơ hình tự động tính tốn dựa khoảng cách tới vị trí quan sát Có ba phương pháp để tạo mơ hình 3D: Một sử dụng phần mềm thiết kế 3D tạo thư viện mơ hình (do nhà thiết tạo ra) Hai sử dụng lệnh ngơn ngữ lập trình để vẽ mơ hình Ba sử dụng thiết bị máy quét 3D tạo mơ hình từ vật thể thực Phương pháp dùng lệnh vất vả tốn khơng cịn sử dụng Phương pháp sử dụng thiết bị phần cứng máy quét để tạo mơ hình 3D mang nhiều ưu điểm thời gian tạo mơ hình ngắn, độ xác cao, tính ổn định, chi phí rẻ v.v Tuy nhiên, mơ hình tạo từ máy qt có nhược điểm số lượng lưới lớn Do đó, thực tế đa phần chương trình mơ thực ảo thường sử dụng mơ hình sinh từ phần mềm thiết kế 3D Khi xây dựng ứng dụng, cần giải pháp tiết kiệm chi phí xây dựng mơ hình Ý tưởng giải pháp thiết kế mơ hình 3D đối tượng lần cấp độ giảm lưới tự động tạo mơ hình tương ứng Đầu tiên, ta phải xây dựng mơ hình vật 3D mức độ chi tiết Sau dựa vào khoảng cách từ mắt người tham quan ảo đến vị trí vật 3D tiến hành rút gọn bề mặt lưới mơ hình Quy luật khoảng cách xa lưới mơ hình giảm Chúng tơi chia độ chi tiết mơ hình thành bốn mức từ LOD1 tới LOD4 Trong đó, lưới mức độ (LOD1) khoảng cách gần với mức mô tả chi tiết nhất, lưới cấp độ bốn (LOD4) khoảng cách xa 8 Quá trình chuyển từ LOD1 sang thấp q trình rút gọn lưới mơ hình cảnh bảo tàng mà chúng tơi mong muốn [2] Số lưới mơ hình cấp độ LOD2 khoảng 50% số lưới mơ hình cấp độ LOD1, tương tự ta quy định số lưới LOD3 khoảng 25% số lưới LOD1, số lưới LOD4 khoảng 12,5% số lưới LOD1 Với việc giảm lưới mơ hình bị biến dạng đơi khơng cịn mơ hình mà biến thành mơ hình khác điều khơng chấp nhận Do đó, cần thuật toán rút gọn lưới hợp lý cho giảm lưới cấp độ khác việc mơ hình bị biến dạng thấp Trong phần báo chúng tơi trình bày kỹ thuật tối ưu lưới kết sau q trình cài đặt ứng dụng tồn trưng bày ảo Có hai dạng tốn tối ưu mơ hình 3D thường nhắc đến lĩnh vực mơ 3D với đầu vào đầu mơ hình 3D mang đặc điểm khác mơ hình trước tối ưu sau tối ưu Thứ nhất, tối ưu mặt hình ảnh Ở đó, với đầu vào mơ hình 3D thiết kế thu từ máy quét người xử lý cần nâng cao chất lượng hình ảnh mơ hình Khi cần ý tới việc tối ưu chất lượng hình ảnh lưới mơ hình, điều dẫn tới tốn xử lý ánh sáng, góc cạnh để render thu hình ảnh chân thực Trên thực tế trình tối ưu dẫn tới trường phái thiết kế siêu thực Ở nhà thiết kế thay nhân vật thực nhân vật thiết kế ảo Thứ hai, tối số lượng lưới (mặt đỉnh mơ hình) với tốn đầu vào mơ hình 3D (thường mơ hình thu từ máy quét) đầu mơ hình với số lượng lưới giảm đảm bảo hình dạng hình ảnh đối tượng không thay đổi nhiều trước sau tối ưu Trong nội dung luận văn tập trung vào giải toán thứ hai Tức nghiên cứu kỹ thuật làm giảm lưới mơ hình 3D đảm bảo giữ hình dạng hình ảnh đối tượng sau render Đồ họa máy tính 3D thường nói đến mơ hình (model) 3D Ngồi đồ họa kết xuất, model chứa tập tin liệu đồ họa Tuy nhiên, có khác biệt Model 3D đại diện toán học đối tượng ba chiều Một mơ hình kỹ thuật đồ họa hiển thị Một mơ hình hiển thị trực quan hình ảnh hai chiều thơng qua q trình gọi kết xuất 3D, sử dụng mô máy tính phi đồ họa tính tốn Đồ hoạ 3D nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực cách mạnh mẽ là: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch, địa ốc đáp ứng nhu cầu: Nghiên cứu - Giáo dục - Thương mại - dịch vụ Bên cạnh ứng dụng truyền thống trên, có số ứng dụng lên thời gian gần đồ hoạ 3D như: đồ hoạ 3D ứng dụng sản suất, ngành rôbốt, hiển thị thơng tin (thăm dị dầu mỏ, hiển thị thơng tin khối, …) đồ hoạ 3D có tiềm ứng dụng vơ lớn Có thể nói: Mọi lĩnh vực “có thật” sống ứng dụng “thực tế ảo” để nghiên cứu phát triển hoàn thiện Một lĩnh vực đầy hứa hẹn việc sử dụng trưng bày ảo 3D giáo dục - giải trí, cụm từ sử dụng rộng rãi, thể cho giáo dục đại khơng theo khn phép truyền thống, điều có nghĩa vừa học vừa giải trí học sinh tham gia kịch nhập vai tham gia trò chơi thực tế tương tác nhập vai nắm bắt ý người sử dụng hệ thống, lúc cung cấp nhiều thơng tin khơng giống phương pháp trước sử dụng hệ thống đa phương tiện Ngoài ra, trưng bày ảo 3D cách thể đại tương tác người dùng máy tính không dừng lại việc người dùng sử dụng máy tính với mục đích cho cơng việc, mà cịn mở vơ vàn thứ hấp dẫn khác với người sử dụng hệ thống mà người dùng hóa thân thành nhân vật khám phá nhiều nơi mà chưa biết Hầu hết trưng bày, trình diễn từ ảnh tĩnh đến video hoạt hình biểu diễn khơng gian 3D, việc nghiên cứu kỹ thuật thể hình ảnh 3D ngày phát triển rộng rãi Việc thể 3D với tác động ánh sáng nâng cao hiệu thị giác làm cho việc quan sát vật thể rõ tăng cường, nhấn mạnh phần trọng tâm vật thể theo mong muốn người quan sát Do vậy, việc nghiên cứu tổng quan để đưa vấn đề cần phát triển cần thiết mục tiêu đề tài cần đạt + Ứng dụng chiếu sáng toàn cục chiếu sáng cục trưng bày ảo - Trong ứng dụng trưng bày ảo, chia thành hai phần độc lập không gian trưng bày nơi mà ta đặt vật ảo vào 10 đó, hai vật trưng bày Khơng gian trưng bày thường phịng cố định, bố trí chiếu sáng khơng gian thường cố định ứng dụng kỹ thuật chiếu sáng toàn cục để tạo trước đồ chiếu sáng cho tồn khơng gian q trình kết xuất ảnh khơng gian sử dụng trực tiếp đồ chiếu sáng để tính ánh sáng cho điểm khơng gian Các vật ảo đặt vào vị trí cho trước khơng gian trưng bày, vị trí ta vật thay đổi vật để tạo sinh động cho không gian, vật chiếu sáng để làm bật khơng gian sử dụng kỹ thuật chiếu sáng cục để chiếu sáng cho vật Với tư tưởng tiến hành cài đặt áp dụng vào việc trưng bày vật bảo tàng số hình ảnh minh họa cho kết thực nghiệm Hình 1.1 Một hình ảnh kết thực nghiệm 1.3 Vai trị việc mơ khơng gian 3D Từ trước tới ,các dự án mô thường hay tập trung vào 2D đơn giản, từ hình ảnh 2D, video 2D xây dựng, triển khai qua kênh truyền thống để tạo một hệ thống mơ để người xem, thực hành máy tính, tảng webstie, hay hệ thống máy chiếu, phong lab chuyên dụng tùy thuộc nội dung 11 Sự hạn chế công nghệ 2D trở thành rào cản cho phát triển, khơng phát huy hết ưu điểm hệ thống mô Công nghệ Mô 3D bước tiến tiếp theo, thực tế công nghệ 3D khắc phục đượ yếu điểm công nghệ mô 2D : điểm khuất, góc khuất mơ lại vật thể, máy móc,khơng gian Với Cơng nghệ 3D, mơ phỏng, góc nhìn, tương tác khơng cịn bị hạn chế Mọi thứ biểu diễn khơng gian chiều xử lý góc độ vị trí Từ mơ hình, khơng gian 3D ta triển khai sản phẩm video 3D, trực tiếp môi trường 3D Sự kết hợp khơng gian 3D cơng nghệ thực tế ảo tao nên khác biệt đôt phá cho dự án mô thực tế ảo 3D mặt thực hành, tương tác, thao tác mà hệ thống 2D không làm 1.4 Mô hình hóa mơ hình 3D Để cài đặt lập trình cho mơ vật thể nói chung vật thể 3D, cần phân tích hướng chiếu ánh sáng, xây dựng hệ tọa độ để làm sở tính tốn kích thước, vị trí tương ứng vật, bóng mơi trường xung quanh Điều cịn cần xác định đặc tính khác tương tác thời gian thực Thời gian thực có nghĩa người sử dụng nhìn thấy vật thay đổi tự nhiên ví dụ rơi khơng gian khác với viên đá rơi…Ở trình độ cao, người dùng khơng nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D nổi, điều khiển (xoay, di chuyển, ) đối tượng hình (như game), mà cịn sờ cảm thấy chúng có thật Sử dụng kỹ thuật mơ hình hố khơng gian ba chiều với hỗ trợ thiết bị đa phương tiện xây dựng giới mô máy tính, ta cần có mơ đun tính tốn tỉ mỉ chi tiết thơng số, biến thiên thời gian thực từ đưa kết tính tốn vào cơng cụ vẽ để tạo hình 12 1.4.1 Hệ trục tọa độ Tọa độ: Trong không gian 3D, phạm vi nhỏ (chiếm chỗ) điểm Mỗi điểm xác định gồm ba thông số, gọi tọa độ Ví dụ, tọa độ 0, 0, xác định tâm điểm khơng gian 3D, cịn gọi gốc tọa độ Mỗi điểm khơng gian máy tính có ba giá trị tọa độ, đại diện cho vị trí chiều cao, chiều rộng, chiều sâu điểm Như tọa độ đại diện cho trục riêng khơng gian máy tính Trục tọa độ: Trục đường thẳng tưởng tượng không gian máy tính nhằm xác định hướng Ba trục chuẩn MAX gọi trục X, Y, Z (xem hình) Trong MAX bạn xem trục X chiều rộng, trục Y chiều dài, trục Z chiều cao Giao điểm ba trục MAX gốc tọa độ (0, 0, 0) Nếu bạn vẽ điểm cách xa môt đơn vị dọc theo phía bên phải trục X, điểm 1, 0, (một đơn vị đơn vị bạn muốn – foot, inch, milimet, centimet) Nếu bạn dịch chuyển điểm thêm đơn vị hướng, tọa độ 2, 0, v v… Nếu bạn phía trái gốc tọa độ, điểm –1, 0, 0, điểm (–2, 0, 0) v v… Tương tự cho trục khác, bạn di chuyển lên phía trục Y, toạ độ mang giá trị dương, ngược lại giá trị âm… Hình 1.2 Hệ trục tọa độ Trục Trục đường thẳng tưởng tượng không gian 3D nhằm xác định hướng Ba trục chuẩn dùng MAX gọi X, Y, Z Khi bạn xoay đối tượng, ba yếu tố ảnh hưởng đến kết là: - Hệ tọa độ hành (World, View, Local hay Screen ) 13 - Vị trí điểm làm tâm xoay (cịn gọi điểm chốt_Pivot Point) - Trục chọn để xoay đối tượng quanh Điều sử dụng lệnh thu phóng khơng đồng nhất, lệnh nén… Các phép biến đổi (Tranform) dựa vào trục (Axis) vùng nhìn (Viewport) Đây vấn đề quan trọng MAX, hầu hết phép biến đổi di chuyển (move), xoay (rotate), thu phóng (scale) sử dụng hệ tọa độ vùng nhìn (View Coordinate) hệ tọa độ mặc định chúng Với hệ tọa độ view trục thể vùng nhìn phẳng (Top, Front, Left…) theo cách sau: trục X_ngang, trục Y_dọc, trục Z vng góc với hai trục XY, hệ trục tọa độ Screen MAX Tại vùng nhìn phối cảnh (Perspective), hệ tọa độ lại thể trục X chiều ngang, trục Y chiều sâu (chiều dài), trục Z dọc (chiều cao), hệ toạ độ giới World MAX Tại vùng nhìn phẳng bạn di chuyển đối tượng theo hai trục X, Y, trục Z khơng (điều hay gây bối rối cho bạn làm quen với MAX, khơng hiểu với cơng cụ di chuyển, mà lại không xê dịch đối tượng! giải thích đơn giản đây, với hệ tọa độ view đối tượng vùng nhìn phẳng di chuyển theo trục Z được, bạn khơng thể lơi đối tượng khỏi hình vi tính! Trục Z vng góc với hai trục X, Y hướng trước mặt bạn!… vùng phối cảnh perfective khơng gặp trở ngại với ba trục…)[22, 23] 1.4.2 Kỹ thuật hiển thị mô hình Bump Mapping Bên cạnh kỹ thuật hiển thị truyền thống chọn lọc có loại bỏ thay ảnh 3D ảnh 3D phần mềm mơ cịn sử dụng kỹ thuật hiển thị bump mapping [1,2] Bump mapping kỹ thuật đồ họa máy tính, nhiễu loạn tới pháp tuyến bề mặt đối tượng biểu diễn tìm kiếm ánh xạ texture điểm ảnh áp dụng trước việc tính tốn chiếu sáng thực (hãy xem, chẳng hạn Phong shading) Kết 14 phong phú hơn, mô tả bề mặt chi tiết giống với chi tiết vốn có tự nhiên Ánh xạ pháp tuyến ánh xạ thị sai cách phổ biến sử dụng để thực bump, sử dụng kỹ thuật mà tạo bump mapping cách sử dụng thang màu xám cũ kỹ Bump mapping kỹ thuật đồ họa máy tính để tạo bề mặt biểu diễn nhìn thực tế cách mơ hình hóa texture bề mặt mấp mơ với nguồn sáng môi trường Ánh xạ bề mặt mấp mô làm điều cách thay đổi độ sáng điểm ảnh bề mặt phản ứng lại với ảnh raster heightmap xác định cụ thể cho mặt Hình 1.3 Bề mặt đá nhà thờ đá Phát Diệm Khi biểu diễn cảnh 3D, ánh sáng màu sắc điểm ảnh xác định tương tác mơ hình 3D với ánh sáng cảnh [3,4] Sau xác định đối tượng nhìn thấy, lượng giác học sử dụng để tính tốn pháp tuyến bề mặt hình học đối tượng, định nghĩa vector vị trí điểm ảnh đối tượng.Ví dụ, ánh xạ tẩm phủ tạo gạch cho hình ảnh 3D tường rung chuyển (chỗ ánh xạ rung động cung cấpnhững ám hiệu ánh sáng bóng tốt để làm viên gạch nhìn 3D hơn) mơ tả kết hợp kết cấu hộ màu đỏ, hai ba trạng thái vẽ va chạm ánh xạ (việc vẽ ánh sáng bóng), ánh xạ ánh sáng cho bóng tồn cục ánh xạ hiệu ứng chiếu sáng lóng lánh đối tượng gắn kính mẩu kim loại nhỏ  ... tài:” Nghiên cứu kỹ thuật tạo bóng bề mặt vật thể ứng dụng? ?? Đề tài nghiên cứu thuật tốn để cài đặt mơ cho số vật Nhà bảo tàng văn hóa dân tộc Việt Nam thành phố Thái Nguyên Ứng dụng kết nghiên cứu. .. 1.4.3 Kỹ thuật xử lý ảnh hoa văn 19 1.4.4 Kỹ thuật Ánh xạ bề mặt chạm 20 1.4.5 Kỹ thuật sử dụng môi trường ánh xạ bump mapping .20 Chương MỘT SỐ KỸ THUẬT HIỂN THỊ BỀ MẶT CỦA VẬT... (Shading) hiệu ứng bóng đổ (Shadow) Nghiên cứu bóng bề mặt nghiên cứu quan trọng đồ họa ba chiều thời gian thực Có nhiều kỹ thuật tơ bóng đề xuất sử dụng rộng rãi kể đến kỹ thuật tơ bóng Gouraud [7]