Bóng và ánh sáng trong hiển thị đối tượng 3 chiều

i LỜI CAM ĐOAN Luận văn nghiên cứu, tìm hiểu, tổng hợp kiến thức mà học viên thu thập trình học tập Trường Đại học Công nghệ thông tin truyền thông – Đại học Thái Nguyên, hướng dẫn, giúp đỡ thầy cô bạn bè đồng nghiệp Đặc biệt hướng 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 Thương ii LỜI CẢM ƠN Luận văn hoàn thành động viên, hỗ trợ nhiều người Trước hết xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Văn Huân người 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 trường Đại học Công nghệ thông tin truyền thông – Đại học Thái Nguyên, người 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 góp ý chân thành từ phía thầy, cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp để đề tài nghiên cứu hoàn thiện Xin trân trọng cảm ơn! iii 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 Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HOẠ BA CHIỀU VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ ĐỐI TƯỢNG BA CHIỀU 1.1 Khái quát đồ hoạ ba chiều 1.1.1 Sơ lược 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 tượng ba chiều 1.2.1 Quy trình hiển thị đối tượng ba chiều 1.2.2 Các phương pháp biểu diễn đối tượng 12 1.3 Kết luận chương 14 Chương 2: KỸ THUẬT TẠO BÓNG KHỐI TRONG HIỂN THỊ ĐỐI TƯỢNG BA CHIỀU 2.1 Biểu diễn liệu vật thể ba chiều 15 2.1.1 Đường cong 15 iv 2.1.2 Mặt cong 16 2.2 Các dạng liệu nguồn sáng 16 2.3 Kỹ thuật tạo bóng đối tượng 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 chương 47 Chương 3: CHƯƠNG 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 chương 62 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 v 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 GPU Graphical Processing Unit hiểu đồng nghĩa với card đồ họa vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 So sánh hai thuật toán vii DANH MỤC CÁC HÌNH ( HÌNH VẼ, ẢNH CHỤP, ĐỒ THỊ…) Hình 1.1: Quy trình hiển thị đối tượng ba chiều Hình 2.1: Sự phản xạ ánh sáng Hình 2.2: Sự phản xạ không toàn phần ánh sáng Hình 2.3 Bối cảnh đổ bóng Hình 2.4 Bối cảnh có bóng khối Hình 2.5 Mô tả phần bóng khối Hình 2.6 Biểu diễn nhà Hình 2.7.Cạnh viền (Silhouette Edge) 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 hướng ánh sáng mặt lại không Hình 2.10 Dựng shadow volume mesh thêm vào mặt phụ Hình 2.11 Bóng khối tạo nhờ cạnh viền Hình 2.12 Hình bên trái với bóng khối chưa “đậy nắp”, hình bên phải “đậy nắp” Hình 2.13 Khối bao tam (ABC) giác với nguồn sáng điểm L Hình 2.14 Đường bao đa giác không gian hai chiều Hình 2.15.Tư tưởng Z-Pass Hình 2.16 Bước một, Vẽ mặt trước bóng khối Hình 2.17 Bước 2, Vẽ mặt sau bóng khối viii Hình 2.18 Kết Giá trị Stencil Buffer vùng Hình 2.19 Trái: Khôngcó bóng, Giữa: Bóng khối tạo ra, Phải: Kết cuối Hình 2.20 Thuật toán tạo bóng khối với kỹ thuật z-fail Hình 2.21 Tư tưởng Z-Fail Hình 3.1 Bóng tạo thuật toán Z-fail Hình 3.2 Bóng tạo thuật toán Z-pass Số Frame tăng đáng kể so với thuật toán Z-fail không cần Capping MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày trước phát triển mạnh ngành khoa học kỹ thuật ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sống mang lại hiệu to lớn đặc biệt Công nghệ thông tin Bất kỳ đâu lĩnh vực sống Công nghệ thông tin có mặt, hiệu mà Công nghệ thông tin mang lại thật to lớn điều tất người quan tâm Sự phát triển công nghệ thông tin đẩy nhanh phát triển nhiều lĩnh vực đời sống xã hội Với phát triển phần cứng phương diện thu nhận hiển thị mở nhiều hướng cho phát triển phần mềm Trong số phải kể đến lĩnh vực thể hình ảnh chiều thực ảo Công nghệ đồ họa máy tính phát triển làm thay đổi hoàn toàn việc tương tác người máy Nhờ mà loạt ứng dụng đồ họa máy tính đời, đáp ứng nhiều nhu cầu xã hội Cụ thể lĩnh vực 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 Việc nghiên cứu phương pháp kỹ thuật khác đồ họa ba chiều hướng đến mục tiêu cho nhân vật, đối tượng, mô hình tạo máy tính giống thật Và phương pháp tạo bóng cho đối tượng Xuất phát từ lý trên, gợi ý thầy hướng dẫn, em chọn đề tài “Bóng ánh sáng hiển thị đối tượng chiều” 2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 2.1 Đối tượng đề tài + Đồ họa ba chiều + Bài toán tạo bóng + Một số kỹ thuật tạo bóng khối 2.2 Phạm vi nghiên cứu + Đề tài nghiên cứu kiến thức tổng quan đồ họa ba chiều: cách hiển thị vật thể ba chiều + Đề tài khái quát toán tạo bóng đồ họa ba chiều Tìm hiểu liệu đầu vào đầu toán: nguồn sáng, vật chắn sáng bóng + Đề tài giới hạn phạm vi nghiên cứu hai kỹ thuật tạo bóng khối đồ họa ba chiều: kỹ thuật tạo bóng Z-Pass, kỹ thuật tạo bóng Z-Failr + Khảo sát, phân tích, thiết kế xây dựng phần mềm thử nghiệm Hướng nghiên cứu đề tài + Về khoa học - Đề tài tập trung nghiên cứu khái quát kiến thức đồ họa ba chiều tạo bóng ánh sáng - Nghiên cứu số kỹ thuật tạo bóng khối đồ họa ba chiều - Nghiên cứu đề xuất kiến trúc, công nghệ thích hợp cho việc phát triển ứng dụng + Về xây dựng phần mềm thử nghiệm - Tìm hiểu, khảo sát toán 50 Các mô hình cần xây dựng : Mô hình không gian ba chiều, mô hình đối tượng vật thể không gian Với yêu cầu học viên chọn giải pháp tìm, lựa chọn sử dụng mô hình miễn phí mạng Bước xây dựng bóng khối vật thể không gian Với yêu cầu hệ thống số công việc cần giải quyết:  Thể hiệu ứng bóng bề mặt ứng dụng học viên sử dụng hai phương pháp Gauraud Phong cho loại hiệu ứng bề mặt khác  Thể hiệu ứng bóng đổ hệ thống cài đặt thể hiệu ứng bóng đổ bóng khối  Thể vùng bóng vật thể vùng bóng Để thực công việc với mô hình học viên lựa chọn chuẩn mô hình chuẩn VRML (một chuẩn phổ biến lĩnh vực ba chiều) Việc cài đặt, hệ thống lựa chọn cài đặt phát triển Microsoft Visual studio.Net phiên 7.0 (2003) Microsoft Ngoài hệ thống sử dụng số thư viện bao gồm: Bộ thư viện đồ họa OpenGL, thư viện cho âm OpenAL Tìm danh sách cạnh viền for(int ring=1; ring