Nghiên cứu một số các kỹ thuật tạo bóng trong đồ họa 3D

1 MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ SỰ CHIẾU SÁNG VÀ CÁC NGUỒN SÁNG 1.1 Khái quát đồ họa chiều ứng dụng 1.1.1 Khái quát đồ họa 3D 1.1.1.1 Hiển thị 3D a Tổng quan b Biểu diễn điểm phép biến đổi c Phép biến đổi hiển thị (Viewing Transformation) d Phép chiếu trực giao (Orthographic Projection) 11 e Phép chiếu phối cảnh (Perspective Projection) 12 f Phép biến đổi cổng nhìn (Viewport Transformation) 18 1.1.1.2 Bộ đệm phép kiểm tra 19 a Bộ đệm chiều sâu (Z-Buffer) 20 b Bộ đệm khuôn (Stencil Buffer) 20 1.1.1.3 Khái quát kỹ thuật tạo bóng 21 a Phân loại 21 b Các kỹ thuật tạo bóng cứng 22 c Các kỹ thuật tạo bóng mềm 24 1.1.2 Ứng dụng đồ hoạ 3D 25 1.2 Nguồn sáng chiếu sáng đồ họa chiều 33 1.2.1 Các thuộc tính nguồn sáng 33 1.2.2 Các dạng nguồn sáng 34 1.2.2.1 Nguồn sáng định hƣớng ( Directional Light) 34 1.2.2.2 Nguồn sáng điềm ( PointLight) 34 1.2.2.3 Nguồn sáng xung quanh ( Ambient Light) 35 Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.2.2.4 Các dạng nguồn sáng khác 36 a Đèn pha ( Spot Light) 36 b Nguồn sáng vùng 36 Chƣơng 2: MỘT SÓ KỸ THUẬT TẠO BÓNG 38 2.1 Kỹ thuật tạo bóng khối 38 2.1.1 Giới thiệu 38 2.1.2 Tìm danh sách cạnh viền 39 2.1.3 Xác định tứ giác bao quanh bóng khối 42 2.1.4 Tạo bóng thuật toán Z-Pass 44 2.1.5 Tạo bóng thuật toán Z-Fail 47 2.1.6 So sánh giƣ̃a thuật toán 49 2.2 Kỹ thuật tạo bóng sử dụng đồ bóng 49 2.2.1 Giới thiệu 49 2.2.2 Thuật toán 50 2.2.3 Chuyển tọa độ 54 Chƣơng 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 56 3.1 Bài toán 56 3.2 Chƣơng trình 56 3.2.1 Bóng khối (SHADOW VOLUME) 56 3.2.2 Bản đồ bóng (SHADOW MAPPING) 58 PHẦN KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn PHẦN MỞ ĐẦU Đồ họa máy tính lĩnh vực phát triển nhanh tin học Nó đƣợc áp dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác thuộc khoa học, kỹ nghệ, y khoa, kiến trúc giải trí Thuật ngữ đồ họa máy tính (Computer Graphics) đƣợc đề xuất nhà khoa học ngƣời Mỹ tên William Fetter vào năm 1960 ông nghiên cứu xây dựng mô hình buồng lái máy bay cho hãng Boeing Các chƣơng trình đồ họa ứng dựng cho phép làm việc với máy tính cách thoải mái thân thiện Năm 1966, Sutherland Học viện Công nghệ Massachusetts ngƣời đặt bóng cho đồ họa 3D việc phát minh thiết bị hiển thị trùm đầu (head-amounted display) đƣợc điều khiển máy tính Nó cho phép ngƣời nhìn có thể thấy đƣợc hình ảnh dƣới dạng lập thể 3D Từ đó đến đồ họa 3D trở thành lĩnh vực phát triển rực rỡ đồ họa máy tính Nó đƣợc ứng dụng rộng rãi hầu hết tất lĩnh vực nhƣ Điện ảnh, Hoạt hình, kiến trúc ứng dụng xây dựng mô hình thực tại ảo… Và không nhắc đến vai trò tối quan trọng đồ họa 3D việc tạo game sử dụng đồ họa nhƣ Doom, Halflife… Việc sử dụng đồ họa 3D game làm cho ngƣời chơi thích thú có cảm giác nhƣ sống giới thực Có thể nói đồ họa 3D tạo nên công nghiệp game phát triển mạnh mẽ Mục đích đồ họa 3D tạo mô tả đối tƣợng, mô hình giới thật máy tính cho giống với thật tốt Việc nghiên cứu phƣơng pháp kỹ thuật khác đồ họa 3D hƣớng đến mục tiêu đó cho nhân vật, đối tƣợng, mô hình đƣợc tạo máy tính giống thật Và phƣơng pháp đó tạo bóng cho đối tƣợng Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn “Bóng (Shadow) vùng tối nằm vùng chiếu sáng, xuất vật thể chiếu sáng toàn phần” Bóng yếu tố quan trọng tri giác ngƣời việc nhận biết vật thể giới chiều Bóng giúp cho ta nhận biết đƣợc vị trí tƣơng đối vật đổ bóng (occluder) với mặt nhận bóng (receiver), nhận biết đƣợc kích thƣớc dạng hình học vật đổ bóng mặt nhận bóng Hình 1: Bóng cung cấp thông tin vị trí tương đối vật thể Với ảnh bên trái ta biết vị trí rối Nhưng với ảnh bên phải ta thấy vị khoảng cách chúng so với mặt đất xa dần Hình 2: Bóng cung cấp thông tin dạng hình học mặt tiếp nhận Hình bên trái ta biết dạng hình học mặt tiếp nhận, mặt bên phải dễ dàng thấy Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3: Bóng cung cấp thông tin dạng hình học rối Hình bên trái rối cầm đồ chơi, cầm vòng, bên phải cầm ấm trà Nhận biết đƣợc quan trọng bóng nên chọn đề tài: “Nghiên cứu số kỹ thuật tạo bóng đồ họa 3D” Nội dung luận văn bao gồm chƣơng: Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ SỰ CHIẾU SÁNG VÀ CÁC NGUỒN SÁNG Chƣơng giới thiệu khái quát đồ họa chiều ứng dụng, nguồn sáng chiếu sáng đồ họa chiều Chương 2: MỘT SÓ KỸ THUẬT TẠO BÓNG Chƣơng sâu, nghiên cứu hai kỹ thuật tạo bóng cứng phổ biến kỹ thuật tạo bóng khối kỹ thuật tạo bóng sử dụng đồ bóng Chương 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chƣơng KHÁI QUÁT VỀ SỰ CHIẾU SÁNG VÀ CÁC NGUỒN SÁNG 1.1 Khái quát đồ họa chiều ứng dụng 1.1.1 Khái quát đồ họa 3D 1.1.1.1 Hiển thị 3D a Tổng quan Các đối tƣợng mô hình 3D đƣợc xác định với tọa độ giới Cùng với tọa độ đối tƣợng, ngƣời dùng phải xác định vị trí hƣớng camera ảo không gian 3D xác định vùng nhìn (là vùng không gian đƣợc hiển thị hình) Việc chuyển từ tọa độ giới sang tọa độ hình đƣợc thực theo bƣớc [1]: - Bƣớc thực phép biến đổi để đƣa camera ảo trở vị trí hƣớng tiêu chuẩn Khi đó điểm nhìn (eyepoint) đƣợc đặt gốc tọa độ, hƣớng nhìn trùng với hƣớng âm trục Z Trục X phía phải trục Y lên phía hình Hệ tọa độ đƣợc gọi Hệ tọa độ Mắt (Eye Coordinate System) Phép biến đổi từ tọa độ giới sang tọa độ mắt phép biến đổi affine, đƣợc gọi phép biến đổi hiển thị (Viewing Transformation) Cả tọa độ giới tọa độ mắt đƣợc biểu diễn tọa độ đồng (Homogeneous Coordinates) với w=1 - Bƣớc thứ Tọa độ mắt đƣợc chuyển qua tọa độ thiết bị chuẩn hóa (Nomalized Device Coordinates) vùng không gian mà ta muốn nhìn đƣợc đặt khối lập phƣơng tiêu chuẩn: Các điểm gần điểm nhìn (điểm đặt camera) có thành phần z nhỏ Bƣớc gồm bƣớc Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - Bƣớc cuối cùng, 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,1  y  sang tọa độ Pixel hình Thành phần z (   z  ) đƣợc chuyển sang đoạn [0,1] đƣợc sử dụng nhƣ giá trị chiều sâu (Depth-Value) thuật toán Z-Buffer (bộ đệm Z) đƣợc sử dụng cho việc xác định mặt đƣợc hiển thị Bƣớc thứ bao gồm bƣớc + Một phép chiếu chuyển từ vùng nhìn sang khối lập phƣơng tiêu chuẩn với tọa độ đồng nhất:   x  1,1  y  1,1  z  Trong trƣờng 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 trƣờng 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 đƣợc sau phép chiếu đƣợc gọi hệ tọa độ cắt (Clipping Coordinate System) Phép chiếu phép biến đổi affine trƣờng 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) + Bƣớc tiếp theo, vùng không gian hiển thị mà không nằm khối tiêu chuẩn đó (Khối đƣợc gọi khối nhìn tiêu chuẩn) bị cắt Các đa giác, đƣờng thẳng đƣợc chứa có phần đƣợc thay đổi để phần nằm khối nhìn tiêu chuẩn đƣợc giữ lại Phần lại không cần quan tâm nhiều + Sau cắt gọt, tọa độ đồng đƣợc 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 đƣợc gọi phép chia phối cảnh (Perspective Division) Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình1.1: Tổng quan hiển thị 3D phép chiếu [8] b 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 có thể đƣợc biểu diễn tốt ma trận 4x4 tƣơng ứng với Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn tọa độ đồng (Homogeneous coordinates) (x,y,z,w) Điểm 3D với tọa độ đồng (x,y,z,w) có tọa độ affine (x/w,y/w,z/w) Mối quan hệ tọa độ affine tọa độ đồng [5] 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 đƣợc biểu diễn cách Ta biểu diễn phép biến đổi affine [3] (nhƣ 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 đó tập véc tơ chuẩn tắc { u, v, n }, trực giao đôi một, đƣợc chuyển { X , Y , Z } c Phép biến đổi hiển thị (Viewing Transformation) Phép biến đổi hiển thị đƣa camera ảo đƣợc cho tùy ý camera với điểm nhìn trùng với gốc tọa độ hƣớng nhìn dọc theo chiều âm Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 trục Z (xem hình 2.1) Trục Y sau phép biến đổi tƣơng ứng lên phía hình Trục X phía phải Một cách thuận tiện để xác định vị trí camera ảo cho sãn vị trí điểm nhìn E , Một điểm khung nhìn R (điểm tham chiếu) hƣớng V lên phía hình Phép biển đổi hiển thị gồm bƣớc: ● Một phép tịnh tiến đƣa điểm nhìn E gốc tọa độ Ma trận biến đổi tƣơng ứng M t ( E ) Kết nhƣ sau: Hình 1.2: Phép biến đổi tịnh tiến [7] ● Một phép quay chuyển hƣớng nhìn ngƣợc trục Z, quay vectơ V mặt phẳng YZ Vector V đƣợc quay trùng với trục Y V vuông góc với hƣớng nhìn Trƣớc hết ta xây dựng tập véc tơ chuẩn tắc phù hợp tọa độ giới n u ER ER V n V n v  nu Ngƣợc với hƣớng nhìn  Z ( Oz ) Chỉ phía phải, vuông góc với n  X Chỉ lên giống V , nhƣng vuống góc với n u  Y Số hóa Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... quanh bóng khối 42 2.1.4 Tạo bóng thuật toán Z-Pass 44 2.1.5 Tạo bóng thuật toán Z-Fail 47 2.1.6 So sánh giƣ̃a thuật toán 49 2.2 Kỹ thuật tạo bóng sử dụng đồ bóng ... chọn đề tài: Nghiên cứu số kỹ thuật tạo bóng đồ họa 3D Nội dung luận văn bao gồm chƣơng: Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ SỰ CHIẾU SÁNG VÀ CÁC NGUỒN SÁNG Chƣơng giới thiệu khái quát đồ họa chiều ứng... quan trọng đồ họa 3D việc tạo game sử dụng đồ họa nhƣ Doom, Halflife… Việc sử dụng đồ họa 3D game làm cho ngƣời chơi thích thú có cảm giác nhƣ sống giới thực Có thể nói đồ họa 3D tạo nên