i
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Bùi Phƣơng Thủy
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT TẠO BÓNG
KHỐI TRONG ĐỒ HỌA BA CHIỀU
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60 48 01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS Đỗ Năng Toàn
Bùi Phương Thủy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
iii
LỜI CẢM ƠN
Luận văn sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự động viên, hỗ trợ hết
mình của rất nhiều người. Trước hết tôi xin gửi lời tri ân đến PGS.TS Đỗ Năng
Toàn người thầy đã chỉ bảo, giúp đỡ tận tình trong cả quá trình học tập và hoàn
thiện luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo tại trường Đại học Công nghệ
thông tin và truyền thông – Đại học Thái Nguyên, những người đã trang bị các kiến
thức cơ sở, nền tảng cho việc nghiên cứu, tiếp thu những tri thức mới, mà từ đó tôi
có thể hoàn thành tốt luận văn của mình, xa hơn nữa là hoàn thành tốt những dự án,
công việc trong tương lai.
Quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi hi vọng sẽ
được sự góp ý chân thành từ phía các thầy, cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp để đề tài
nghiên cứu được hoàn thiện hơn
Xin chân trọng cảm ơn!
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
iv
MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN iii
KẾT LUẬN 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
v
TÀI LIỆU THAM KHẢO 66
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT
Ký hiệu/
Chữ viết tắt
Viết đầy đủ
Ý nghĩa
1
2D
2 Dimentional
Hai chiều
2
3D
3 Dimentional
Ba Chiều
3
BRDF
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ( HÌNH VẼ, ẢNH CHỤP, ĐỒ THỊ…)
Hình 1.1. Một cảnh đồ họa ba chiều 5
Hình 1.2. Quy trình hiển thị đối tượng ba chiều 6
Hình 1.3 Tổng quan về hiển thị ba chiều và các phép chiếu 11
Hình 1.4 Kết quả phép tịnh tiến 12
Hình 1.5. Vật thể ba chiều được biểu diễn bằng mô hình khung nối kết 13
Hình 1.6. Phép chiếu song song (a) và phép chiếu phối cảnh (b) 16
Hình 1.7. Phép chiếu trực giao 17
Hình 1.8. Kết quả của ba phép chiếu trực giao 17
Hình 1.9. Phép chiếu xiên 18
Hình 1.10. Phép chiếu phối cảnh đơn giản 19
Hình 1.11. Khả năng quan sát của con người tương ứng với từng mức sóng 20
Hình 1.12. Chiếc ấm được chiếu bằng Ambient Light 25
Hình 1.13. Ấm chè được chiều bằng Diffuse Light 26
Hình 1.14. Ấm chè được chiếu bằng Specular Light 26
Hình 1.15. Sự phản xạ của ánh sáng 27
Hình 1.16. Sự phản xạ không toàn phần của ánh sáng 28
1.17
. 29
2.1. Bối cảnh không có đổ bóng 32
2.2. Bối cảnh có bóng khối 33
2.3. Mô tả các phần của bóng khối 33
Hình 2.4. Biểu diễn của một căn nhà 34
Hình 2.5. Cạnh viền (Silhouette Edge) được tô đỏ 35
Hình 2.6. Khi nhìn từ vị trí của nguồn sáng ta sẽ không thấy bóng và rất dễ để xác
định cạnh và đỉnh viền 35
tiên đặt nền bóng cho đồ họa ba chiều bằng việc phát minh ra thiết bị hiển thị trùm
đầu (head-amounted display) được điều khiển bởi máy tính đầu tiên. Nó cho phép
người nhìn có thể thấy được hình ảnh dưới dạng lập thể ba chiều. Từ đó đến nay đồ
họa ba chiều trở thành một trong những lĩnh vực phát triển rực rỡ nhất của đồ họa
máy tính
.
Đồ họa máy tính là một lĩnh vực được quan tâm phát triển, nó đang ngày
càng chứng tỏ vai trò của mình trong sự phát triển của công nghệ thông tin nói
riêng và các lĩnh vực của đời sống, xã hội nói chung. Nó được ứng dụng rộng rãi
trong hầu hết tất cả các lĩnh vực như Điện ảnh, Hoạt hình, kiến trúc và các ứng
dụng xây dựng các mô hình thực tại ảo… Và không thể không nhắc đến vai trò tối
quan trọng của đồ họa ba chiều trong việc tạo ra các game sử dụng đồ họa hiện nay.
Việc sử dụng đồ họa ba chiều trong game làm cho người chơi thích thú và có cảm
giác như đang sống trong một thế giới thực. Có thể nói đồ họa ba chiều đã đang và
sẽ tạo nên một nền công nghiệp game phát triển mạnh mẽ.
Mục đích chính của đồ họa ba chiều là tạo ra và mô tả các đối tượng, các mô
hình trong thế giới thật bằng máy tính sao cho càng giống với thật càng tốt. Việc
nghiên cứu các phương pháp các kỹ thuật khác nhau của đồ họa ba chiều cũng chỉ
hướng đến một mục tiêu duy nhất đó là làm sao cho các nhân vật, các đối tượng,
các mô hình được tạo ra trong máy tính giống thật nhất. Và một trong các phương
pháp đó chính là tạo bóng cho đối tượng.
Thuật toán tạo bóng bằng kỹ thuật sử dụng bóng khối được đề xuất đầu tiên
bởi Frank Crow vào năm 1977. Theo đó ông ta vẽ một khối mà bị che lấp ánh sáng
bởi vật tạo bóng. Mọi vật thể nằm trong khối đó được gọi là nằm trong bóng.
Xuất phát từ thực tế đó, học viên lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu một số kỹ
thuật tạo bóng khối trong đồ hoạ ba chiều”. Sự thành công của đề tài sẽ góp phần
nâng cao chất lượng của hình ảnh trong các ngành công nghiệp và giải trí. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
3
Dựa trên việc tìm hiểu các thuật toán của hai kỹ thuật tạo bóng khối để đưa
ra so sánh và lựa chọn phương pháp trong trường hợp các trường hợp khác nhau
Kết hợp các nghiên cứu trước đây của các tác giả trong và ngoài nước cùng
với sự chỉ bảo, góp ý của Thầy hướng dẫn để hoàn thành nội dung nghiên cứu.
Thực nghiệm cài đặt ứng dụng để minh họa các vấn đề trình bày trong đề tài.
5. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Về khoa học
Hiểu được tổng quan các kiến thức cơ bản của đồ họa ba chiều và bài toán
tạo bóng.
Nghiên cứu các kỹ thuật tạo bóng khối trong đồ họa ba chiều, trợ giúp cho
việc nâng cao chất lượng hình ảnh.
Về thực tiễn
Cài đặt hoàn chỉnh các thuật toán hiển thị đối tượng, nguồn sáng của bài toán
tạo bóng.
Xây dựng chương trình thử nghiệm dùng hai phương pháp tạo bóng khối đã
nêu đáp ứng và trợ giúp người sử dụng dễ dàng, trực quan và nhanh chóng.
Cấu trúc của luận văn bao gồm “Phần mở đầu”, “Phần kết luận” và ba
chương nội dung, cụ thể:
Chương 1: Khái quát về đồ họa ba chiều và bài toán tạo bóng. Nội dung
chính của “Chương 1” là những vấn đề cơ bản về đồ họa ba chiều, ứng dụng đồ họa
ba chiều, đồng thời nội dung của chương 1 cũng đề cập đến một số lý thuyết cơ bản
về ánh sáng, nguồn sáng, bóng và các mô hình của chúng từ đó làm cơ sở cho các
nội dung được trình bày trong “Chương 2”.
Chương 2: Một số kỹ thuật tạo bóng khối trong đồ họa ba chiều. Đây là
chương nội dung chính của luận văn, nó tập chung trình bày hai kỹ thuật chính tạo
trên màn hình như thế nào. [1],[3].
Hình 1.1. Một cảnh đồ họa ba chiều
Các mô tả về một cảnh ba chiều phải đi qua một quy trình xử lí gồm nhiều
công đoạn như phép biến đổi hệ tọa độ quan sát và phép chiếu chuyển cảnh từ hệ
tọa độ quan sát ba chiều xuống hệ tọa độ thiết bị hai chiều. Những phần nhìn thấy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
6
được của cảnh, ứng với một hệ quan sát được chọn nào đó, phải được xác định và
cuối cùng, các thuật toán vẽ mặt sẽ được áp dụng nhằm tạo ra hình ảnh trung thực
(gần với thực tế) của cảnh.
1.1.1. Quy trình hiển thị
Quy trình xử lí thông tin trong đồ họa ba chiều là một chuỗi các bước nối
tiếp nhau, kết quả của mỗi bước sẽ là đầu vào của bước tiếp theo.
Modeling
transformation
Biến đổi mô hình: biến đổi từ hệ tọa độ đối
tượng (object-space) sang hệ tọa độ thế
giới thực thực (world space)
Trivial
Rejection
Tối ưu hóa: loại bỏ các đối tượng không
nhìn thấy được
Illumination
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
7
Bước đầu tiên trong quy trình hiển thị là biến đổi đối tượng từ không gian
đối tượng (object-space) vào một không gian chung gọi là không gian thực (world
space). Trong không gian này các đối tượng, nguồn sáng, và người quan sát cùng
tồn tại. Bước này được gọi là giai đoạn biến đổi mô hình (modeling transformation).
Bước tiếp theo là một bước tối ưu hóa. Trong giai đoạn loại bỏ đơn giản
(trivial rejection) ta cần loại trừ tất cả các đối tượng không thể nhìn thấy. Điều này
giúp chúng ta tránh được việc xử lí một số phần không cần thiết của cảnh (scene)
mà ta đang chuẩn bị hiển thị ở các bước sau.
Tiếp theo ta phải chiếu sáng (illumination) các đối tượng có thể nhìn thấy
được bằng cách gán cho chúng màu sắc dựa trên các đặc tính của các chất tạo nên
vật và các nguồn sáng tồn tại trong cảnh.
Sau khi chiếu sáng, ta phải thực hiện một phép biến đổi hệ tọa độ để đặt vị trí
quan sát (viewing position) về gốc tọa độ và mặt phẳng quan sát (viewing plane) về
một vị trí mong ước. Bước này gọi là bước đổi hệ quan sát. Sau bước này, các đối
tượng được chuyển từ không gian thực sang không gian quan sát (eye space).
Trong không gian quan sát, ta phải thực hiện việc xén các đối tượng trong
cảnh để cảnh nằm gọn trong một phần không gian chóp cụt mà ta gọi là viewing
frustum. Bước này sẽ loại bỏ hoàn toàn các đối tượng (các mảnh đối tượng) không
nhìn thấy được trong ảnh.
Bước tiếp theo ta sẽ chiếu các đối tượng xuống mặt phẳng hai chiều. Bước
Projection thực hiện phép biến đổi từ không gian quan sát sang không gian màn
hình (screenspace).
Trong bước rời rạc hóa (rasterization) ta sẽ chuyển đối tượng thành các pixel.
Cuối cùng, toàn cảnh sẽ được hiển thị lên màn hình [1].
1.1.2. Tổng quan biểu diễn điểm và các phép biến đổi
Sự chuyển đổi từ tọa độ thế giới sang tọa độ của thiết bị là một chuỗi của các
phép biến đổi affine và các phép chiếu trong không gian Decarts ba chiều.
100
010
001
)(
z
y
x
t
T
T
T
TM
11
)(
z
y
x
t
Tz
Ty
Tx
z
y
x
TM
● Phép co giãn theo các nhân tố
),,(
zyx
● Phép quay quanh gốc tọa độ mà theo đó tập các véc tơ chuẩn tắc là
nvu ,,
, trực giao từng đôi một, sẽ được chuyển về
ZYX ,,
.
1000
0
0
0
),,(
zyx
zyx
zyx
r
nnn
vvv
uuu
nvuM
Các đối tượng trong mô hình ba chiều được xác định với tọa độ thế giới. Cùng
với các tọa độ của đối tượng, người dùng cũng phải xác định vị trí và hướng của Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
9
camera ảo trong không gian ba chiều và xác định vùng nhìn (là một vùng không
gian được hiển thị trên màn hình).
Việc chuyển từ các tọa độ thế giới sang tọa độ màn hình được thực hiện theo 3
bước (hình 1.3):
được sử dụng cho việc xác định mặt sẽ được hiển thị.
Bước thứ 2 bao gồm 3 bước con.
Một phép chiếu chuyển từ vùng nhìn sang 1 khối lập phương tiêu chuẩn với tọa
độ đồng nhất:
11 x
,
11 y
,
11 z
. Trong trường hợp sử dụng
phép chiếu trực giao, vùng nhìn này sẽ có dạng một ống song song ba chiều với
các mặt song song với các mặt của hệ tọa độ mắt. Trong trường hợp sử dụng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
10
phép chiếu đối xứng, vùng nhìn sẽ là một hình tháp cụt với đầu mút là gốc tọa
độ của hệ tọa độ mắt. Hệ tọa độ đồng nhất (4 thành phần) thu được sau phép
chiếu được gọi là hệ tọa độ cắt (Clipping Coordinate System). Phép chiếu sẽ là
một phép biến đổi affine trong trường hợp phép chiếu là phép chiếu trực giao.
Nếu phép chiếu là phép chiếu phối cảnh sẽ không phải là một phép biến đổi
affine (Vì w sẽ nhận một giá trị khác 1)
Bước tiếp theo, các vùng của không gian hiển thị mà không nằm trong
khối tiêu chuẩn đó (Khối này còn được gọi là khối nhìn tiêu chuẩn) sẽ bị
cắt đi. Các đa giác, các đường thẳng được chứa trong hoặc là có một phần
ở trong sẽ được thay đổi để chỉ phần nằm trong khối nhìn tiêu chuẩn mới
được giữ lại. Phần còn lại không cần quan tâm nhiều nữa.
Sau khi cắt gọt, các tọa độ đồng nhất sẽ được chuyển sang tọa độ của
thiết bị bằng cách chia x,y,z cho w. Nếu w nhận 1 giá trị đúng qua phép
● Một phép tịnh tiến sẽ đưa điểm nhìn
E
về gốc tọa độ. Ma trận biến đổi
tương ứng sẽ là
)( EM
t
. Kết quả sẽ như sau:
Hình 1.4 Kết quả phép tịnh tiến
● Một phép quay sẽ chuyển hướng nhìn ngược về trục Z, quay vectơ
V
về
mặt phẳng YZ. Vector
V
sẽ chỉ được quay về trùng với trục Y nếu
V
vuông góc
với hướng nhìn. Trước hết ta sẽ xây dựng tập các véc tơ chuẩn tắc phù hợp trong
tọa độ thế giới. RE
RE
n
Ngược với hướng nhìn
Z
(
z
O
)
1000
1000
100
010
001
1000
0
0
0
)(),,(
Ennnn
Evvvv
Euuuu
E
E
E
nnn
vvv
uuu
EMnvuM
zyx
zyx
zyx
z
y
x
zyx
zyx
zyx
14
Hình 1.5. Vật thể ba chiều được biểu diễn bằng mô hình khung nối kết
Bảng 1.1 Bảng danh sách các cạnh và đỉnh biểu diễn vật thể
Vertex List
Edge List
Vertex
x
Y
z
Edge
Vertex1
Vertex2
1
0
0
0
back side
1
1
2
2
0
1
0
2
2
6
6
7
7
1
1
0
7
7
8
8
1
1
1
8
8
9
9
1
0.5
1.5
9
9
10
10
1
0 14
4
9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
15 15
5
10 16
2
5
điểm của các đường thẳng này với mặt phẳng chiếu (hay còn gọi là mặt phẳng quan Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
16
sát (view plane)) chính là các hình chiếu của các đỉnh hay còn gọi là điểm chiếu.
Trong phần này, chúng ta giả sử rằng mặt phẳng chiếu là mặt phẳng z=0.
Phép chiếu song song bảo toàn được mối quan hệ giữa các chiều của đối
tượng, đây chính là kĩ thuật được dùng trong phác thảo để tạo ra phần khung của
đối tượng ba chiều. Người ta dùng phương pháp này để quan sát chính xác ở các
mặt khác nhau của đối tượng. Tuy nhiên, phép chiếu song song không cho một biểu
diễn thực của đối tượng ba chiều.
Trong khi đó, phép chiếu phối cảnh tạo ra được biểu diễn thực hơn nhưng lại
không bảo toàn được mối liên hệ giữa các chiều. Các đường thẳng càng xa sẽ có các
ảnh chiếu nhỏ hơn.
Nói chung, kĩ thuật để vẽ một đường thẳng ba chiều là :
• Chiếu mỗi điểm đầu mút thành các điểm hai chiều.
• Vẽ đường thẳng nối hai điểm ảnh qua phép chiếu.
Hình 1.6. Phép chiếu song song (a) và phép chiếu phối cảnh (b)
Sở dĩ chúng ta làm được điều này vì các phép chiếu mà chúng ta sử dụng bảo
toàn đường thẳng.
Phép chiếu song song (parallel projection)
Khi hướng của tia chiếu vuông góc với mặt phẳng chiếu ta có phép chiếu
trực giao (orthographic projection). Ngược lại, ta có phép chiếu xiên (oblique
projection).
Phép chiếu trực giao
Copyright: Tài liệu đại học ©