Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng shadow mapping

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG -o0o - ISO 9001:2008 TÌM HIỂU KỸ THUẬT TẠO BÓNG CỨNG SHADOW MAPPING ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ Thông tin Sinh viên thực hiện: Giáo viên hướng dẫn: Đào Đức Cương PGS.TS Đỗ Năng Toàn Mã số sinh viên: 1351020027 HẢI PHÒNG - 2013 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Dân Lập Hải Phòng LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô khoa Công nghệ thông tin trường Đại học Dân Lập Hải Phòng, người ân cần dạy dỗ cho chúng em kiến thức bổ ích quý giá suốt năm học qua, người trang bị cho chúng em hành trang quý giá để bước vào đời Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Đỗ Năng Toàn, người tận tình bảo hướng dẫn chúng em thực tốt đồ án tốt nghiệp Chúng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình bạn bè, hậu phương vững cho tiền tuyến chúng em suốt năm học gian khổ, gần cho chúng em nguồn động viên to lớn tinh thần vật chất để chúng em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp Đào Đức Cương- CT1301 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Dân Lập Hải Phòng MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA CHIỀU ÁNH SÁNG VÀ BÀI TOÁN TẠO BÓNG 1.1 Khái quát đồ họa chiều 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Biểu diễn điểm phép biến đổi 1.1.3 Phép biến đổi hiển thị (Viewing Transformation) 10 1.1.4 Phép chiếu trực giao (Orthographic Projection) 11 1.1.5 Phép chiếu phối cảnh (Perspective Projection) 13 1.1.6 Phép biến đổi cổng nhìn (Viewport Transformation) 14 1.2 Bộ đệm phép kiểm tra 15 1.2.1 Bộ đệm chiều sâu (Z-Buffer) 15 1.2.2 Bộ đệm khuôn (Stencil Buffer) 16 1.3 Tạo bóng phân loại bóng 17 1.3.1 Khái niệm 17 1.3.2 Phân loại bóng 19 1.3.3 Các kỹ thuật tạo bóng cứng 20 1.3.4 Các kỹ thuật tạo bóng mềm 21 Chƣơng 2: KỸ THUẬT TẠO BÓNG CỨNG SHADOW MAPPING VÀ CÁC NGUỒN SÁNG 23 2.1 Các loại nguồn sáng 23 2.1.1 Nguồn sáng xung quanh 23 2.1.2 Nguồn sáng định hướng .23 2.1.3 Nguồn sáng điểm 25 2.2.Ý tƣởng 26 2.3 Thuật toán 27 2.4 Chuyển tọa độ 35 2.5 Nhận xét 36 Đào Đức Cương- CT1301 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Dân Lập Hải Phòng Chƣơng 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 37 3.1 Bài toán 37 3.2 Phân tích, thiết kế 37 3.2.1: Giới thiệu ngôn ngữ lập trình………………………… .37 3.2.2: Chức số hàm chương trình 38 3.3 Thực nghiệm chƣơng trình đánh giá kết 39 3.3.1: Thực nghiệm chương trình 39 3.3.2: Kết thực 42 PHẦN KẾT LUẬN .45 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………… 46 Đào Đức Cương- CT1301 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Dân Lập Hải Phòng PHẦN MỞ ĐẦU Trong thực tế, người cảm nhận giới giác quan Một vật thể cảm nhận xúc giác qua sờ mó hay cảm nhận mùi qua khứu giác , nhiên chừng mực nói cảm nhận vật thể thị giác qua màu sắc, đặc điểm, hình dạng,… cho người cảm nhận đầy đủ, trực quan rõ ràng Vì xây dựng chương trình máy tính mô vật thể, tượng giới thực cung cấp cho người dùng cách tiếp cận thị giác trực quan vấn đề mà họ xem xét Đồ họa máy tính lãnh vực phát triển nhanh tin học Nó áp dụng rộng rãi nhiều lãnh vực khác thuộc khoa học, kỹ nghệ, y khoa, kiến trúc giải trí Năm 1966, Sutherland Học viện Công nghệ Massachusetts người đặt bóng cho đồ họa 3D việc phát minh thiết bị hiển thị trùm đầu (head-amounted display) điều khiển máy tính Nó cho phép người nhìn thấy hình ảnh dạng lập thể 3D Từ đến đồ họa 3D trở thành lĩnh vực phát triển rực rỡ đồ họa máy tính Với công nghệ phần cứng máy tính nay, hạn chế phần cứng chương trình đồ họa ba chiều phần giải quyết, công nghệ đồ họa ba chiều quan tâm phát triển giới Các nhóm chương trình ứng dụng đồ họa ba chiều kể : Hỗ trợ thiết kế : Một ứng dụng đồ họa ba chiều máy tính chương trình hỗ trợ thiết kế CAD, 3D Max, Maya, Poser,… Các chương trình sử dụng cho công việc thiết kế nhà cửa, quần áo, phương tiện giao thông, dụng cụ, mô hình người,… Đào Đức Cương- CT1301 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Dân Lập Hải Phòng Giáo dục đào tạo : Các chương trình mô ( thực ảo) : mô sinh học, hóa học, vật lý học, mô phóng tàu vũ trụ, lái xe, lái máy bay, đồ thông tin địa lý GIS… Giải trí nghệ thuật : Các chương trình thiết kế mỹ thuật, tạo mô hình cho việc quy hoạch,… cho phép tạo dựng hiệu chỉnh kiến trúc công trình, cho phép quan sát nhiều góc độ để có nhìn tổng quan công trình từ đưa chỉnh sửa phù hợp Ngoài đồ họa ba chiều giúp tạo chương trình trò chơi giải trí; hỗ trợ kỹ xảo điện ảnh… Vấn đề quan trọng đồ họa ba chiều làm thể hình ảnh giới lên hình máy tính cách trung thực Xuất phát từ vấn đề đồ án em xây dựng gồm chƣơng: CHƢƠNG 1:CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN ĐỒ HỌA 3D VÀ TẠO BÓNG 3D, đệm phép kiểm tra, biểu diễn điểm phép biến đổi CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT TẠO BÓNG CỨNG SHADOW MAPPING Shadow Mapping dạng nguồn sáng CHƢƠNG 3:CHƢƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM Đào Đức Cương- CT1301 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Dân Lập Hải Phòng Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA CHIỀU VÀ BÀI TOÁN TẠO BÓNG 1.1 Khái quát đồ họa chiều 1.1.1 Giới thiệu Hình ảnh xuất có chiều cao, chiều rộng chiều sâu gọi chiều – 3D(three-dimensional) Các đối tượng mô hình 3D xác định với tọa độ giới Cùng với tọa độ đối tượng, người dùng phải xác định vị trí hướng camera ảo không gian 3D xác định vùng nhìn (là vùng không gian hiển thị hình) Việc chuyển từ tọa độ giới sang tọa độ hình thực theo bước : Bước thứ 1: Thực phép biến đổi để đưa camera ảo trở vị trí hướng tiêu chuẩn Khi điểm nhìn (eyepoint) đặt gốc tọa độ, hướng nhìn trùng với hướng âm trục Z Trục X phía phải trục Y lên phía hình Hệ tọa độ gọi Hệ tọa độ Mắt (Eye Coordinate System) Phép biến đổi từ tọa độ giới sang tọa độ mắt phép biến đổi affine, gọi phép biến đổi hiển thị (Viewing Transformation) Cả tọa độ giới tọa độ mắt biểu diễn tọa độ đồng (Homogeneous Coordinates) với w=1 Bước thứ 2: Tọa độ mắt chuyển qua tọa độ thiết bị chuẩn hóa (Nomalized Device Coordinates) vùng không gian mà ta muốn nhìn đặt khối lập phương tiêu chuẩn: Các điểm gần điểm nhìn (điểm đặt camera) có thành phần z nhỏ Đào Đức Cương- CT1301 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Dân Lập Hải Phòng Bước gồm bước con: Một phép chiếu chuyển từ vùng nhìn sang khối lập phương tiêu chuẩn với tọa độ đồng nhất: x 1, y 1, z Trong trường hợp sử dụng phép chiếu trực giao, vùng nhìn có dạng ống song song 3D với mặt song song với mặt hệ tọa độ mắt Trong trường hợp sử dụng phép chiếu đối xứng, vùng nhìn hình tháp cụt với đầu mút gốc tọa độ hệ tọa độ mắt Hệ tọa độ đồng (4 thành phần) thu sau phép chiếu gọi hệ tọa độ cắt (Clipping Coordinate System) Phép chiếu phép biến đổi affine trường hợp phép chiếu phép chiếu trực giao Nếu phép chiếu phép chiếu phối cảnh phép biến đổi affine (Vì w nhận giá trị khác 1) Bước tiếp theo, vùng không gian hiển thị mà không nằm khối tiêu chuẩn (Khối gọi khối nhìn tiêu chuẩn) bị cắt Các đa giác, đường thẳng chứa có phần thay đổi để phần nằm khối nhìn tiêu chuẩn giữ lại Phần lại không cần quan tâm nhiều Sau cắt gọt, tọa độ đồng chuyển sang tọa độ thiết bị cách chia x,y,z cho w Nếu w nhận giá trị qua phép chiếu, phép chia cho động phối cảnh mong muốn hình Vì lý đó, phép chia gọi phép chia phối cảnh (Perspective Division) Bước thứa 3: Phép biến đổi cổng nhìn (Viewport Transformation) kết hợp phép co giãn tuyến tính phép tịnh tiến Sẽ chuyển thành phần x y tọa độ thiết bị chuẩn hóa x 1, y sang tọa độ Pixel hình Thành phần z ( z ) chuyển sang đoạn [0,1] sử dụng giá trị chiều sâu (Depth-Value) thuật toán Z-Buffer (bộ đệm Z) sử dụng cho việc xác định mặt hiển thị Đào Đức Cương- CT1301 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Dân Lập Hải Phòng Hình 1.1: Tổng quan hiển thị 3D phép chiếu Đào Đức Cương- CT1301 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Dân Lập Hải Phòng 1.1.2 Biểu diễn điểm phép biến đổi Sự chuyển đổi từ tọa độ giới sang tọa độ thiết bị chuỗi phép biến đổi affine phép chiếu không gian Decarts chiều Các phép biến đổi affine phép chiếu không gian Decarts chiều biểu diễn tốt ma trận 4x4 tương ứng với tọa độ đồng (Homogeneous coordinates) (x,y,z,w) Điểm 3D với tọa độ đồng (x,y,z,w) ọa độ affine (x/w,y/w,z/w) Mối quan hệ tọa độ affine tọa độ đồng quan hệ 1-1 Cách đơn giản để chuyển từ tọa độ affine (x,y,z) điểm sang tọa độ đồng đặt w=1: (x,y,z,1) Chúng ta thừa nhận tất tọa độ giới biểu diễn cách Ta biểu diễn phép biến đổi affine (như co giãn (scaling transformations), phép quay (rotations), phép tịnh tiến (translations)) ma trận mà không làm thay đổi thành phần w (w=1)  Tịnh tiến véc tơ T (Tx , Ty , Tz ) :  ● Phép co giãn theo nhân tố S (S x , S y , S z ) ● Phép quay quanh gốc tọa độ mà theo tập véc tơ chuẩn tắc       { u, v , n }, trực giao đôi một, chuyển { X , Y , Z } Đào Đức Cương- CT1301