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 hồn thành khơng có động viên, hỗ trợ nhiều ngƣời Trƣớc hết tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Văn Huân ngƣời thầy bảo, giúp đỡ tận tình trình học tập, nghiên cứu hồn thiện luận văn Tơi 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 tơi hồn thành tốt luận văn Quá trình thực đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót Tơi 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 cơng 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 tốn 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 khơng tồn phần ánh sáng 2.3 Bối cảnh khơng có đổ bóng 2.4 Bối cảnh có bóng khối 2.5 Mơ tả phần bóng khối Hình 2.6 Biểu diễn nhà Hình 2.7.Cạnh viền (Silhouette Edge) đƣợc tơ đỏ Hình2.8 Khi nhìn từ vị trí nguồn sáng ta khơng thấy bóng dễ để xác định cạnh đỉnh viền Hình 2.9 Cạnh viền cạnh có mặt kề hƣớng ánh sáng mặt lại khơng 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 khơng 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 tốn 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