các kỹ thuật chạm nổi 3d và ứng dụng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Vũ Duy Tuyên CÁC KỸ THUẬT CHẠM NỔI 3D VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Thái Nguyên – 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Vũ Duy Tuyên CÁC KỸ THUẬT CHẠM NỔI 3D VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Đỗ Năng Toàn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Thái Nguyên – 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi, Vũ Duy Tuyên xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự sưu tầm, tra cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài. Nội dung luận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất kỳ hình thức nào và cũng không được sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu nào. Phần mã nguồn của chương trình đều do tôi tự thiết kế và xây dựng, trong đó có sử dụng một số thư viện chuẩn và các thuật toán được các tác giả xuất bản công khai và miễn phí trên mạng Internet. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Người Cam Đoan Vũ Duy Tuyên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CÁM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, tìm hiểu và viết luận văn, giờ luận văn của em đã hoàn thành. Lời đầu tiên em xin được chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, sự chỉ bảo và hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo PGS.TS Đỗ Năng Toàn – Viện Công nghệ Thông tin thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam là giáo viên hướng dẫn em trong suốt thời gian làm luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, các anh, chị công tác tại phòng Thực tại ảo – Viện Công nghệ thông tin, các thầy cô giáo công tác tại Khoa công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên, cùng tập thể các bạn học viên lớp cao học Khóa 6 đã luôn giúp đỡ chia sẻ kinh nghiệm trong suốt khóa học. Xin chân thành cám ơn Ban lãnh đạo Ngân hàng Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Việt Nam chi nhánh Hải Phòng cùng các bạn đồng nghiệp trong phòng Điện Toán đã tạo điều kiện giúp đỡ để tôi hoàn thành được khóa học . Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2010 Học viên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Vũ Duy Tuyên i  MỤC LỤC Trang DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv PHẦN MỞ ĐẦU 1 Chương 1: KHÁI QUÁT THỰC TẠI ẢO VÀ CHẠM NỔI 3D 2 1.1. Khái quát thực tại ảo 2 1.2. Ứng dụng cơ bản của thực tại ảo 4 1.2.1. Giáo dục và khoa học 4 1.2.2. Y học 5 1.2.3. Thiết kế xây dự ng 7 1.2.5. Hàng không 8 1.2.4. Quân sự 9 1.2.6. Nghệ thuật 10 1.2.7. Điện ảnh 11 1.2.8. Game và giải trí 11 1.2.9. Hội thảo từ xa 11 1.3. Kỹ thuật chạm nổi 3D 13 Chương 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT CHẠM NỔI 14 2.1. Kỹ thuật Bump mapping 14 2.1.1. Kỹ thuật Emboss bump mapping 16 2.1.2. Kỹ thuật Dot Product 3 17 2.1.3. Kỹ thuật Environment mapping 17 ii  2.2. Kỹ thuật Normal mapping 22 2.3. Kỹ thuật Displayment mapping 25 2.3.1. Không gian tiếp tuyến 30 2.3.2. Tính toán các bản đồ chiều cao: 33 2.3.3. Ánh xạ thay thế trên mỗi đỉnh 33 2.3.4. Ánh xạ thay thế trêm mỗi điểm ảnh 37 2.3.5. Ánh xạ thay thế trên mỗi điểm ảnh cùng với hàm khoảng cách 41 2.4. Kỹ thuật Parallax mapping 50 2.4.1. Parallax mapping 51 2.4.2. Steep parallax mapping: 54 2.4.3. Parallax mapping cùng với độ dốc thông tin: 55 Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 58 3.1. Đặt vấn đề 58 3.2. Kỹ thuật chạm nổi ánh xạ thay thế sử dụng hàm khoảng cách 58 3.3. Một số hình ảnh kết quả của chương trình 59 PHẦN KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 iii  DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Binormal Véc tơ nửa pháp tuyến Bitangent Véc tơ nửa tiếp tuyến BRDF Hàm phân bố năng xuất phản xạ hai chiều (Bidirectional Reflectance Distribution Funtion) CPU Bộ xử lý trung tâm (Center Processing Unit) 3D 3 chiều (3Dimension) FS Tô bóng mảnh (Fragment shader) GPU Đơn vị xử lý đồ họa (Graphic Processor Unit) Mipmap Tập hợp nhóm các loại cỡ của mảng hình chất liệu NURB Là một kiểu củ a Basis spline (Non-Uniform Rational B- Splines) PS Tô bóng điểm ảnh (Pixel Shader) VS Tô bóng đỉnh (Vertex Shader) Texel Là đơn vị cơ bản của không gian kết cấu (Texture element – texture pixel) iv  DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Hình ảnh của dự án nghiên cứu về tay của con người 5 Hình 1.2. Bên trái- Quả tim người, Bên phải- Mắt con người 6 Hình 1.3. Hình ảnh ứng dụng của thực tại ảo trong xây dựng 7 Hình 1.4. Ứng dụng của thực tại ảo trong huấn luyện quân sự 9 Hình 2.1. Bump mapping 13 Hình 2.2. Các ảnh kết cấu cho bản đồ khối 17 Hình 2.3. a- Environment map, b- Tính toán véc tơ phản chiếu 18 Hình 2.4. Ý tưở ng cơ bản của displacement mapping 26 Hình 2.5. Không gian tiếp tuyến 28 Hình 2.6. Displacement mapping trên thiết bị tô bóng đỉnh 31 Hình 2.7. Ánh xạ thay thế trên mỗi điểm ảnh 34 Hình 2.8. Ray tracing của trường chiều cao 35 Hình 2.9. Một trường hợp khó khăn cho các thuật toán Displacement 39 Hình 2.10. Việc kết xuất văn bản được thay thế 39 Hình 2.11. Một ví dụ ánh xạ khoảng cách trong hai đơn vị độ dài 40 Hình 2.12. Sphere stracing 41 Hình 2.13. Displacement mapping cùng với vi ệc vẽ hình cầu 44 Hình 2.14. Ánh xạ song song (Parallax mapping) 47 Hình 2.15. Ánh xạ song song cùng với offset limiting 48 Hình 2.16. Parallax mapping with slope information 50 Hình 3.1. Ảnh màu -ảnh chiều cao - ảnh pháp tuyến của quạt 54 Hình 3.2. Ảnh quạt của kỹ thuật chạm nổi 54 v  Hình 3.4. Ảnh màu - ảnh chiều cao - ảnh pháp tuyến của bức tường đá 55 Hình 3.5. Ảnh bức tường đá của kỹ thuật chạm nổi 55 Hình 3.6. Hình kết quả thay đổi độ sâu bump và số lần lặp 56 Hình 3.7. Hình kết quả khi thay đổi độ sâu về 0.50 56 Hình 3.8. Kết quả thay đổi lần lặp về 0 57 Hình 3.9. Kết quả khi thay đổi hướng ánh sáng 57 Hình 3.10. Ảnh màu - ảnh chi ều cao - ảnh pháp tuyến của đoạn văn bản 58 Hình 3.11. Ảnh chữ của kỹ thuật chạm nổi 58 Hình 3.12. Kết quả giảm độ sâu về 0.30 của ảnh text 59 [...]... Khái quát thực tại ảo và kỹ thuật chạm nổi 3D Phần này đề cập đến khái niệm thực tại ảo, so sánh thực tại ảo với một số lĩnh vực khác, ứng dụng của thực tại ảo, kỹ thuật chạm nổi: Khái niệm và một số vấn đề về kỹ thuật chạm nổi Chương 2: Các kỹ thuật chạm nổi Tổng hợp một số các kỹ thuật chạm nổi: kỹ thuật tạo bề mặt sần, kỹ thuật ánh xạ thay thế, kỹ thuật ánh xạ pháp tuyến, kỹ thuật ánh xạ song song... phỏng một cách tốt nhất thế giới bên ngoài trên máy tính Một trong các kỹ thuật xử lý ảnh 3D là kỹ thuật chạm nổi, kỹ thuật này cho phép làm nổi bật các thành phần của hình ảnh giống như thật Cùng với việc ứng dụng rộng khắp của đồ họa 3D đã thôi thúc tác giả tìm hiểu về các kỹ thuật đồ họa 3D Do đó luận văn tốt nghiệp nghiên cứu về “Một số kỹ thuật chạm nổi 3D và ứng dụng Luận văn gồm các phần như... nhiều các nhà khoa học trên thế giới đã phát minh cải tiến các kỹ thuật chạm nổi 12    nhằm từng bước cho các ảnh tốt hơn để gắn các kỹ thuật này vào trong các chip đồ họa và đưa các kỹ thuật này ứng dụng phổ biến trên thực tế Để thực hiện chạm nổi trên ảnh 3D quả là rất khó bởi vậy chúng ta phải sử dụng ảnh 2D để làm giả 3D Sự khác nhau giữa Displacement mapping (còn được gọi là bump mapping) và sự... được các mô hình thực tại ảo như trên thì cần phải có một ngôn ngữ xây dựng chúng, chương tiếp theo sẽ tìm hiểu ngôn ngữ VRML để xây dựng mô hình thực tại ảo 1.3 Kỹ thuật chạm nổi 3D Lịch sử phát triển của các kỹ thuật chạm nổi gắn liền với sự phát triển của các kỹ thuật đồ họa 3D Sự ra đời của kỹ thuật chạm nổi bắt đầu từ những năm 70 của thế kỷ trước Năm 1978 J.Blimn đã trình bày kỹ thuật chạm nổi. .. sống xã hội 1.2 Ứng dụng cơ bản của thực tại ảo Tại hội trợ triển lãm thương mại năm 1989 hai công ty VPL và Autodesk đã giới thiệu các thiết bị cho việc giao tiếp với thế giới ảo Đây là bước đi đầu tiên cho việc khám phá rộng rãi các lĩnh vực ứng dụng mới của thực tại ảo và kỹ thuật chạm nổi Những lĩnh vực đang ứng dụng thực tại ảo và chạm nổi một cách mạnh mẽ hiện nay là: Giáo dục và khoa học, Y học,... một kỹ thuật được sử dụng để giả mạo ánh sáng của các chỗ lồi lõm Nó được sử dụng để thêm các chi tiết mà không phải sử dụng nhiều các đa giác Normal mapping thường sử dụng trong ảnh RGB, nó tương ứng với toạ độ x, y, z của một pháp tuyến bề mặt từ một phiên bản chi tiết của đối tượng Cách sử dụng chung của kỹ thuật này là tăng cường các chi tiết và làm xuất hiện nhiều mô hình đa giác thấp bằng cách... như thế nào lên chúng Cách đơn giản để tính toán các pháp tuyến được xáo trộn cho mỗi điểm ảnh và sử dụng các pháp tuyến này để thực hiện việc chiếu sáng [6] 2.1.1 Kỹ thuật Emboss bump mapping Đây là kỹ thuật sử dụng Texture map để đưa ra hiệu ứng chạm nổi mà không yêu cầu sự nhận lại của người sử dụng Đây là thuật toán multi-pass là một sự mở rộng và chắt lọc của texture embossing Đây là tiến trình... xuất hiện để có chiều sâu thực sự Thuật toán bảo đảm rằng bề mặt xuất hiện thay đổi như là các ánh sáng trong cảnh di chuyển vòng quanh Kỹ thuật ánh xạ pháp tuyến (Normal mapping) thường được sử dụng trong kỹ thuật bump mapping nhưng kỹ thuật này có thể thay bằng các kỹ thuật khác như là kỹ thuật ánh xạ song song (Parallax mapping) Đây là một phương pháp mà tại đó các ảnh phẳng của ánh xạ kết cấu (texture... tuyến và ánh xạ song song (Normal và parallax mapping) là những kỹ thuật thường được sử dụng để tạo các nhấp nhô nhỏ (bumps), sử dụng các kỹ thuật mới để tạo bump mapping, việc sử dụng tỷ lệ mức xám đã lỗi thời Sự khác nhau giữa displacemen mapping và bump mapping là hiển nhiên trong các ảnh ví dụ; trong bump mapping một thành phần bình thường được xáo trộn, không ảnh hưởng đến chính hình học của nó Các. .. như ứng dụng rộng khắp của nó vào trong đời sống kinh tế xã hội của con người Đi liền với sự phát triển của ngành công nghệ thông tin là lĩnh vực đồ họa máy tính, lĩnh vực này được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu từ thế kỷ trước để ứng dụng vào thực tế Nghiên cứu các đối tượng ảnh 3D là một trong những cách mô phỏng thực tế nhất các đối tượng trong thế giới thực Các kỹ thuật xử lý ảnh 3D . vấn đề về kỹ thuật chạm nổi. Chương 2: Các kỹ thuật chạm nổi Tổng hợp một số các kỹ thuật chạm nổi: kỹ thuật tạo bề mặt sần, kỹ thuật ánh xạ thay thế, kỹ thuật ánh xạ pháp tuyến, kỹ thuật ánh. 1.3. Kỹ thuật chạm nổi 3D 13 Chương 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT CHẠM NỔI 14 2.1. Kỹ thuật Bump mapping 14 2.1.1. Kỹ thuật Emboss bump mapping 16 2.1.2. Kỹ thuật Dot Product 3 17 2.1.3. Kỹ thuật. việc ứng dụng rộng khắp của đồ họa 3D đã thôi thúc tác giả tìm hiểu về các kỹ thuật đồ họa 3D. Do đó luận văn tốt nghiệp nghiên cứu về “Một số kỹ thuật chạm nổi 3D và ứng dụng . Luận văn gồm các