nghiên cứu một số kỹ thuật tạo bóng khối trong đồ họa ba chiều

i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Bùi Phƣơng Thủy NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT TẠO BÓNG KHỐI TRONG ĐỒ HỌA BA CHIỀU Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS Đỗ Năng Toàn Thái Nguyên - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Luận văn là sự nghiên cứu, tổng hợp các kiến thức mà học viên đã thu thập được trong quá trình học tập tại Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông – Đại học Thái Nguyên, dưới sự hướng dẫn, giúp đỡ của các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp. Đặc biệt là sự hướng dẫn, giúp đỡ của thầy giáo PGS.TS Đỗ Năng Toàn – Viện Công nghệ thông tin – Viện KHCN Việt Nam. Học viên cam đoan luận văn không phải là sản phẩm sao chép của bất kỳ tài liệu khoa học nào. Thái Nguyên, ngày 5 tháng 5 năm 2014 Học viên Bùi Phương Thủy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CẢM ƠN Luận văn sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự động viên, hỗ trợ hết mình của rất nhiều người. Trước hết tôi xin gửi lời tri ân đến PGS.TS Đỗ Năng Toàn người thầy đã chỉ bảo, giúp đỡ tận tình trong cả quá trình học tập và hoàn thiện luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo tại trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông – Đại học Thái Nguyên, những người đã trang bị các kiến thức cơ sở, nền tảng cho việc nghiên cứu, tiếp thu những tri thức mới, mà từ đó tôi có thể hoàn thành tốt luận văn của mình, xa hơn nữa là hoàn thành tốt những dự án, công việc trong tương lai. Quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi hi vọng sẽ được sự góp ý chân thành từ phía các thầy, cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp để đề tài nghiên cứu được hoàn thiện hơn Xin chân trọng cảm ơn! Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH ( HÌNH VẼ, ẢNH CHỤP, ĐỒ THỊ…) viii MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA BA CHIỀU VÀ BÀI TOÁN TẠO BÓNG 5 1.1. Khái quát về đồ họa ba chiều 5 1.1.1. Quy trình hiển thị 6 1.1.2. Tổng quan biểu diễn điểm và các phép biến đổi 7 1.1.3. Phép biến đổi hiển thị 11 1.1.4. Mô hình Wireframe 13 1.1.5. Mô hình Wireframe với các phép chiếu 15 1.1.6. Phép biến đổi cổng nhìn 20 1.1.7. Bộ đệm và các phép kiểm tra 21 1.2. Bài toán tạo bóng trong đồ họa ba chiều 22 1.2.1. Nguồn sáng và phân loại nguồn sáng 22 1.2.2. Phân loại bóng 29 Chƣơng 2. MỘT SỐ KỸ THUẬT TẠO BÓNG KHỐI TRONG ĐỒ HỌA BA CHIỀU 31 2.1. Giới thiệu 31 2.2. Danh sách cạnh viền 33 2.3. Xác định tứ giác bao quanh 38 2.4. Kỹ thuật tạo bóng Z - Pass 42 2.5. Kỹ thuật tạo bóng Z - Fail 47 2.6. So sánh giữa hai thuật toán 52 CHƢƠNG 3. CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 53 3.1. Bài toán 53 3.2. Phân tích, lựa chọn giải pháp 53 3.3. Kết quả thử nghiệm 60 KẾT LUẬN 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu/ Chữ viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa 1 2D 2 Dimentional Hai chiều 2 3D 3 Dimentional Ba Chiều 3 BRDF Bidirectional reflectance distribution function Hàm phân phối phản xạ hai chiều 4 CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm 5 GPU Graphical Processing Unit Bộ xử lý đồ họa đối khi được hiểu đồng nghĩa với card đồ họa 6 HMD Head Mounted Displays Mũ đội đầu có màn hiển thị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Bảng danh sách các cạnh và đỉnh biểu diễn vật thể 14 Bảng 2.1. So sánh giữa hai thuật toán 53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii DANH MỤC CÁC HÌNH ( HÌNH VẼ, ẢNH CHỤP, ĐỒ THỊ…) Hình 1.1. Một cảnh đồ họa ba chiều 5 Hình 1.2. Quy trình hiển thị đối tượng ba chiều 6 Hình 1.3 Tổng quan về hiển thị ba chiều và các phép chiếu 11 Hình 1.4 Kết quả phép tịnh tiến 12 Hình 1.5. Vật thể ba chiều được biểu diễn bằng mô hình khung nối kết 13 Hình 1.6. Phép chiếu song song (a) và phép chiếu phối cảnh (b) 16 Hình 1.7. Phép chiếu trực giao 17 Hình 1.8. Kết quả của ba phép chiếu trực giao 17 Hình 1.9. Phép chiếu xiên 18 Hình 1.10. Phép chiếu phối cảnh đơn giản 19 Hình 1.11. Khả năng quan sát của con người tương ứng với từng mức sóng 20 Hình 1.12. Chiếc ấm được chiếu bằng Ambient Light 25 Hình 1.13. Ấm chè được chiều bằng Diffuse Light 26 Hình 1.14. Ấm chè được chiếu bằng Specular Light 26 Hình 1.15. Sự phản xạ của ánh sáng 27 Hình 1.16. Sự phản xạ không toàn phần của ánh sáng 28 1.17 . 29 2.1. Bối cảnh không có đổ bóng 32 2.2. Bối cảnh có bóng khối 33 2.3. Mô tả các phần của bóng khối 33 Hình 2.4. Biểu diễn của một căn nhà 34 Hình 2.5. Cạnh viền (Silhouette Edge) được tô đỏ 35 Hình 2.6. Khi nhìn từ vị trí của nguồn sáng ta sẽ không thấy bóng và rất dễ để xác định cạnh và đỉnh viền 35 Hình 2.7. Cạnh viền là cạnh có một mặt kề hướng ánh sáng còn mặt còn lại thì không 35 Hình 2.8. Dựng shadow volume mesh bằng các thêm vào các mặt phụ 38 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix 40 40 Hình 2.11. Khối bao của tam (ABC) giác với nguồn sáng điểm L 41 Hình 2.12. Đường bao của một đa giác trong không gian hai chiều 41 Hình 2.13. Tư tưởng chính của Z-Pass 43 46 47 47 .48 Hình 2.18. Thuật toán tạo bóng khối với kỹ thuật z-fail 49 Hình 2.18. Tư tưởng của Z-Fail 50 Hình 3.1. Giao diện mô tả bóng khối 69 Hình 3.2. Giao diện mô tả bóng cứng tạo ra từ bóng khối 69 3.3. Giao diện mô tả b -fail 71 3.4. Giao diện mô tả b - - . 72 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Năm 1966, Sutherland ở Học viện Công nghệ Massachusetts là người đầu tiên đặt nền bóng cho đồ họa ba chiều bằng việc phát minh ra thiết bị hiển thị trùm đầu (head-amounted display) được điều khiển bởi máy tính đầu tiên. Nó cho phép người nhìn có thể thấy được hình ảnh dưới dạng lập thể ba chiều. Từ đó đến nay đồ họa ba chiều trở thành một trong những lĩnh vực phát triển rực rỡ nhất của đồ họa máy tính . Đồ họa máy tính 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. Nó được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết tất cả các lĩnh vực như Điện ảnh, Hoạt hình, kiến trúc và các ứng dụng xây dựng các mô hình thực tại ảo… Và không thể không nhắc đến vai trò tối quan trọng của đồ họa ba chiều trong việc tạo ra các game sử dụng đồ họa hiện nay. Việc sử dụng đồ họa ba chiều trong game làm cho người chơi thích thú và có cảm giác như đang sống trong một thế giới thực. Có thể nói đồ họa ba chiều đã đang và sẽ tạo nên một nền công nghiệp game phát triển mạnh mẽ. Mục đích chính của đồ họa ba chiều là tạo ra và mô tả các đối tượng, các mô hình trong thế giới thật bằng máy tính sao cho càng giống với thật càng tốt. Việc nghiên cứu các phương pháp các kỹ thuật khác nhau của đồ họa ba chiều cũng chỉ hướng đến một mục tiêu duy nhất đó là làm sao cho các nhân vật, các đối tượng, các mô hình được tạo ra trong máy tính giống thật nhất. Và một trong các phương pháp đó chính là tạo bóng cho đối tượng. Thuật toán tạo bóng bằng kỹ thuật sử dụng bóng khối được đề xuất đầu tiên bởi Frank Crow vào năm 1977. Theo đó ông ta vẽ một khối mà bị che lấp ánh sáng bởi vật tạo bóng. Mọi vật thể nằm trong khối đó được gọi là nằm trong bóng. Xuất phát từ thực tế đó, học viên lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu một số kỹ thuật tạo bóng khối trong đồ hoạ ba chiều”. Sự thành công của đề tài sẽ góp phần nâng cao chất lượng của hình ảnh trong các ngành công nghiệp và giải trí. [...]... vi nghiên cứu hai kỹ thuật tạo bóng khối trong đồ họa ba chiều: kỹ thuật tạo bóng Z-Pass, kỹ thuật tạo bóng Z-Failr Khảo sát, phân tích, thiết kế và xây dựng phần mềm thử nghiệm 3 Hƣớng nghiên cứu của đề tài Về khoa học Đề tài tập trung nghiên cứu khái quát về các kiến thức cơ bản của đồ họa ba chiều và tạo bóng Nghiên cứu một số kỹ thuật tạo bóng khối trong đồ họa ba chiều Nghiên cứu đề xuất kiến trúc,... vi nghiên cứu: Đối tƣợng của đề tài Đồ họa ba chiều Bài toán tạo bóng Một số kỹ thuật tạo bóng khối Phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu về các kiến thức tổng quan về đồ họa ba chiều: cách hiển thị vật thể ba chiều Đề tài khái quát về bài toán tạo bóng trong đồ họa ba chiều Tìm hiểu các dữ liệu đầu vào và đầu ra của bài toán: nguồn sáng, vật chắn sáng và bóng Đề tài giới hạn trong phạm vi nghiên cứu. .. bản về đồ họa ba chiều, ứng dụng đồ họa ba chiều, đồng thời nội dung của chương 1 cũng đề cập đến một số lý thuyết cơ bản về ánh sáng, nguồn sáng, bóng và các mô hình của chúng từ đó làm cơ sở cho các nội dung được trình bày trong “Chương 2” Chương 2: Một số kỹ thuật tạo bóng khối trong đồ họa ba chiều Đây là chương nội dung chính của luận văn, nó tập chung trình bày hai kỹ thuật chính tạo bóng khối. .. hợp các nghiên cứu trước đây của các tác giả trong và ngoài nước cùng với sự chỉ bảo, góp ý của Thầy hướng dẫn để hoàn thành nội dung nghiên cứu Thực nghiệm cài đặt ứng dụng để minh họa các vấn đề trình bày trong đề tài 5 Ý nghĩa khoa học của đề tài Về khoa học Hiểu được tổng quan các kiến thức cơ bản của đồ họa ba chiều và bài toán tạo bóng Nghiên cứu các kỹ thuật tạo bóng khối trong đồ họa ba chiều, ... quả tạo bóng khối bằng hai kỹ thuật: kỹ thuật tạo bóng Z-Pass, kỹ thuật tạo bóng Z-Failr 4 Phƣơng pháp nghiên cứu Thu thập, đọc và phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài Phân tích, so sánh với các mô hình khác Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 Dựa trên việc tìm hiểu các thuật toán của hai kỹ thuật tạo bóng khối để đưa ra so sánh và lựa chọn phương pháp trong. .. tả một số thông tin về bên trong các đối tượng Các công cụ hỗ trợ đồ họa (graphics package) thường cung cấp một số hàm hiển thị các thành phần bên trong, những đường nét tiêu biểu hoặc hiển thị một phần của đối tượng ba chiều (solid object) Ngoài ra, các phép biến đổi hình học thường được sử dụng nhiều hơn và đa dạng hơn trong đồ họa ba chiều so với trong đồ họa hai chiều Phép biến đổi hệ quan sát trong. .. không gian ba chiều phức tạp hơn nhiều so với trong không gian hai chiều do chúng ta phải chọn lựa nhiều tham số hơn khi mô tả một cảnh ba chiều sẽ xuất hiện trên màn hình như thế nào [1],[3] Hình 1.1 Một cảnh đồ họa ba chiều Các mô tả về một cảnh ba chiều phải đi qua một quy trình xử lí gồm nhiều công đoạn như phép biến đổi hệ tọa độ quan sát và phép chiếu chuyển cảnh từ hệ tọa độ quan sát ba chiều xuống... số kết quả đã được trình bày, tổng hợp trong luận văn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 Chƣơng 1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA BA CHIỀU VÀ BÀI TOÁN TẠO BÓNG 1.1 Khái quát về đồ họa ba chiều Khi chúng ta mô hình hóa và hiển thị một cảnh ba chiều, ta cần phải xem xét rất nhiều khía cạnh và vấn đề khác nhau chứ không đơn giản là thêm vào tọa độ thứ ba cho các đối tượng Bề mặt đối tượng có... đối tượng đó là kỹ thuật tạo bóng Z-Pass ”, và kỹ thuật tạo bóng ZFail ” Với mỗi loại kỹ thuật đều có những phương pháp thể hiện khác nhau, mà phần nội dung này của luận văn cũng đề cập đến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 Chương 3: Chương trình thử nghiệm Đây là chương học viên giới thiệu về một chương trình thử nghiệm được xây dựng nhằm thể hiện cho một số kết quả đã được... Cài đặt hoàn chỉnh các thuật toán hiển thị đối tượng, nguồn sáng của bài toán tạo bóng Xây dựng chương trình thử nghiệm dùng hai phương pháp tạo bóng khối đã nêu đáp ứng và trợ giúp người sử dụng dễ dàng, trực quan và nhanh chóng Cấu trúc của luận văn bao gồm “Phần mở đầu”, “Phần kết luận” và ba chương nội dung, cụ thể: Chương 1: Khái quát về đồ họa ba chiều và bài toán tạo bóng Nội dung chính của . Đề tài tập trung nghiên cứu khái quát về các kiến thức cơ bản của đồ họa ba chiều và tạo bóng Nghiên cứu một số kỹ thuật tạo bóng khối trong đồ họa ba chiều Nghiên cứu đề xuất kiến trúc,. 1.2. Bài toán tạo bóng trong đồ họa ba chiều 22 1.2.1. Nguồn sáng và phân loại nguồn sáng 22 1.2.2. Phân loại bóng 29 Chƣơng 2. MỘT SỐ KỸ THUẬT TẠO BÓNG KHỐI TRONG ĐỒ HỌA BA CHIỀU 31 2.1 ba chiều Bài toán tạo bóng Một số kỹ thuật tạo bóng khối Phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu về các kiến thức tổng quan về đồ họa ba chiều: cách hiển thị vật thể ba chiều Đề tài khái