Bóng và ánh sáng trong hiển thị đối tượng ba chiều

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐẶNG THU THƢƠNG BÓNG VÀ ÁNH SÁNG TRONG HIỂN THỊ ĐỐI TƢỢNG BA CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Luận văn nghiên cứu, tìm hiểu, tổng hợp kiến thức mà học viên thu thập đƣợc trình học tập Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin truyền thông – Đại học Thái Nguyên, dƣới hƣớng dẫn, giúp đỡ thầy cô bạn bè đồng nghiệp Đặc biệt hƣớng dẫn, giúp đỡ thầy giáo TS Nguyễn Văn Huân Học viên cam đoan luận văn sản phẩm chép tài liệu khoa học Thái Nguyên, ngày 10 tháng năm 2015 Học viên Đặng Thu Thƣơng Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CẢM ƠN Luận văn hoàn thành động viên, hỗ trợ nhiều ngƣời Trƣớc hết xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Văn Huân ngƣời thầy bảo, giúp đỡ tận tình trình học tập, nghiên cứu hoàn thiện luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô giáo trƣờng Đại học Công nghệ thông tin truyền thông – Đại học Thái Nguyên, ngƣời trang bị kiến thức sở, tảng cho việc nghiên cứu, tiếp thu tri thức mới, mà từ hoàn thành tốt luận văn Quá trình thực đề tài không tránh khỏi thiếu sót Tôi hi vọng đƣợc góp ý chân thành từ phía thầy, cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp để đề tài nghiên cứu đƣợc hoàn thiện Xin trân trọng cảm ơn! Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH (HÌNH VẼ, ẢNH CHỤP, ĐỒ THỊ ) vii MỞ ĐẦU Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HOẠ BA CHIỀU VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ ĐỐI TƢỢNG BA CHIỀU 1.1 Khái quát đồ hoạ ba chiều 1.1.1 Sơ lƣợc phát triển đồ hoạ ba chiều 1.1.2 Các lĩnh vực ứng dụng đồ hoạ ba chiều 1.2 Bài toán hiển thị đối tƣợng ba chiều 1.2.1 Quy trình hiển thị đối tƣợng ba chiều 1.2.2 Các phƣơng pháp biểu diễn đối tƣợng 12 1.3 Kết luận chƣơng 14 Chƣơng 2: KỸ THUẬT TẠO BÓNG KHỐI TRONG HIỂN THỊ ĐỐI TƢỢNG BA CHIỀU Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 2.1 Biểu diễn liệu vật thể ba chiều 15 2.1.1 Đƣờng cong 15 2.1.2 Mặt cong 16 2.2 Các dạng liệu nguồn sáng 16 2.3 Kỹ thuật tạo bóng đối tƣợng ba chiều 21 2.3.1 Giới thiệu 21 2.3.2 Danh sách cạnh viền 24 2.3.3 Xác định tứ giác bao quanh 30 2.3.4 Kỹ thuật tạo bóng Z-Pass 35 2.3.5 Kỹ thuật tạo bóng Z-Fail 41 2.3.6 So sánh hai thuật toán 46 2.4 Kết luận chƣơng 47 Chƣơng 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 3.1 Bài toán 49 3.2 Phân tích, lựa chọn công cụ 49 3.3 Kết thử nghiệm 60 3.4 Kết luận chƣơng 62 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu/ STT Chữ viết Viết đầy đủ Ý nghĩa tắt 2D Dimentional Hai chiều 3D Dimentional Ba Chiều CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm Bộ xử lý đồ họa đƣợc GPU Graphical Processing Unit hiểu đồng nghĩa với card đồ họa Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 So sánh hai thuật toán Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii DANH MỤC CÁC HÌNH ( HÌNH VẼ, ẢNH CHỤP, ĐỒ THỊ…) Hình 1.1: Quy trình hiển thị đối tƣợng ba chiều Hình 2.1: Sự phản xạ ánh sáng Hình 2.2: Sự phản xạ không toàn phần ánh sáng 2.3 Bối cảnh đổ bóng 2.4 Bối cảnh có bóng khối 2.5 Mô tả phần bóng khối Hình 2.6 Biểu diễn nhà Hình 2.7.Cạnh viền (Silhouette Edge) đƣợc tô đỏ Hình2.8 Khi nhìn từ vị trí nguồn sáng ta không thấy bóng dễ để xác định cạnh đỉnh viền Hình 2.9 Cạnh viền cạnh có mặt kề hƣớng ánh sáng mặt lại không Hình 2.10 Dựng shadow volume mesh thêm vào mặt phụ 2.11 Hình 2.13 Khối bao tam (ABC) giác với nguồn sáng điểm L Hình 2.14 Đƣờng bao đa giác không gian hai chiều Hình 2.15.Tƣ tƣởng Z-Pass Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix 2.18 Hình 2.20 Thuật toán tạo bóng khối với kỹ thuật z-fail Hình 2.21 Tƣ tƣởng Z-Fail t 3.1 -fail 3.2 - Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ x Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 59 for(unsigned int j=0; j[...]... ba chiều + Bài toán tạo bóng + Một số kỹ thuật tạo bóng khối 2.2 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 hai kỹ thuật tạo bóng khối trong. .. thể: Chương 1: Khái quát về đồ họa ba chiều (3D) và bài toán hiển thị đối tƣợng Trong chƣơng này trình bày khái quát về đồ họa 3D, các ứng dụng cơ bản và bài toán hiển thị Chương 2: Kỹ thuật tạo bóng khối trong đồ họa ba chiều Chƣơng này trình bày hai kỹ thuật chính về hiển thị đối tƣợng 3D Chương 3: Chƣơng trình thử nghiệm Trình bày cài đặt thử nghiệm kỹ thuật hiển thị đối tƣơng 3D Số hóa bởi Trung tâm... các đối tƣợng, các mô hình đƣợc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 tạo ra trong máy tính giống thật nhất Và một trong các phƣơng pháp đó chính là tạo bóng cho đối tƣợng Xuất phát từ những lý do trên, dƣới sự gợi ý của thầy hƣớng dẫn, em đã chọn đề tài Bóng và ánh sáng trong hiển thị đối tƣợng 3 chiều 2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 2.1 Đối tƣợng của đề tài + Đồ họa ba. .. sang dạng pixel Hiển thị đối tƣợng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 11 Hình 1.1: Quy trình hiển thị đối tƣợng ba chiều Các bƣớc trong quy trình hiển thị đối tƣợng 3D đƣợc hiểu nhƣ sau: Bƣớc 1: biến đổi đối tƣợng từ không gian đối tƣợng (object-space) vào một không gian chung gọi là không gian thực (world space) Trong không gian này các đối tƣợng, nguồn sáng, và ngƣời quan... hiển thị các thành phần bên trong, những đƣờng nét tiêu biểu hoặc hiển thị một phần của đối tƣợng ba chiều (solid object) Ngoài ra, các phép biến đổi hình học thƣờng đƣợc 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 7 sát trong không gian ba chiều phức tạp hơn nhiều so với trong. .. của mặt Ánh sáng ph ản Vector pháp tuy ến của mặt Ánh sáng t ới Ánh sáng ph ản xạ (a) Ánh sáng t ới (b) Hình 2.2: Sự phản xạ không toàn phần của ánh sáng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 22 Trong hình 2.2: thể hiện sự phản xạ ánh sáng không toàn phần độ đậm nét của các tia ánh sáng tới thể hiện cƣờng độ sáng cao, độ mảnh của các tia phản xạ thể hiện cƣờng độ sáng thấp... mô hình tạo sáng Vật thể đƣợc chiếu sáng nhờ vào ánh sáng đến từ khắp mọi hƣớng gọi là ánh sáng xung quanh (ambient light) hay ánh sáng nền (background light) Trên bề mặt có 2 loại hiệu ứng phát sáng là khuếch tán (diffuse light) - ánh sáng đi theo mọi hƣớng và phản xạ gƣơng (specular light)  Vấn đề tạo bóng Để tạo bóng ta ứng dụng các mô hình xác định cƣờng độ sáng theo nhiều kiểu khác nhau tùy thuộc... Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 Chƣơng 1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA BA CHIỀU VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ ĐỐI TƢỢNG BA CHIỀU 1.1 Khái quát về đồ họa ba chiều 1.1.1 Sơ lƣợc sự phát triển đồ họa ba chiều Đồ họa máy tính là một lĩnh vực khoa học nghiên cứu về các thuật toán cũng nhƣ cho phép tạo, hiển thị và điều khiển hình ảnh trên màn hình máy tính [3] Đồ họa máy tính có liên quan đến đại số,... 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 - Đề tài tập trung nghiên cứu khái quát về các kiến thức cơ bản của đồ họa ba chiều và tạo bóng ánh sáng - Nghiên cứu một số kỹ thuật tạo bóng khối trong đồ họa ba chiều. .. shading) để tạo bóng 1.3 Kết luận chƣơng 1 Nội dung chính của “Chương 1” là những vấn đề cơ bản về đồ họa ba chiều, các lĩnh vực ứng dụng đồ họa ba chiều nhƣ ứng dụng trong y học, trong xây dựng kiến trúc, trong phim trò chơi, trong mô phỏng đào tạo, trong quân đội, trong vũ trụ, trong dịch vụ giải trí, Đồng thời nội dung của chƣơng 1 cũng đề cập đến quy trình xử lý thông tin trong đồ họa ba chiều là các