i

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

Thái Nguyên - 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ii

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn là sự nghiên cứu, tổng hợp các kiến thức mà học viên đã thu thập
được trong quá trình học tập tại Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông – Đại
học Thái Nguyên, dưới sự hướng dẫn, giúp đỡ của các thầy cô và bạn bè đồng
nghiệp. Đặc biệt là sự hướng dẫn, giúp đỡ của thầy giáo PGS.TS Đỗ Năng Toàn –
Viện Công nghệ thông tin – Viện KHCN Việt Nam.

/>

iv

MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................. iii
MỤC LỤC ....................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................ vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ( HÌNH VẼ, ẢNH CHỤP, ĐỒ THỊ…) .......... viii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
Chƣơng 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA BA CHIỀU VÀ BÀI TOÁN TẠO
BÓNG ............................................................................................................... 5
1.1. Khái quát về đồ họa ba chiều ........................................................... 5
1.1.1. Quy trình hiển thị ....................................................................... 6
1.1.2. Tổng quan biểu diễn điểm và các phép biến đổi ..................... 7
1.1.3. Phép biến đổi hiển thị ............................................................... 11
1.1.4. Mô hình Wireframe .................................................................. 13
1.1.5. Mô hình Wireframe với các phép chiếu ................................. 15
1.1.6. Phép biến đổi cổng nhìn ........................................................... 20
1.1.7. Bộ đệm và các phép kiểm tra .................................................. 21
1.2. Bài toán tạo bóng trong đồ họa ba chiều....................................... 22
1.2.1. Nguồn sáng và phân loại nguồn sáng ..................................... 22
1.2.2. Phân loại bóng........................................................................... 29
Chƣơng 2. MỘT SỐ KỸ THUẬT TẠO BÓNG KHỐI TRONG ĐỒ HỌA
BA CHIỀU ..................................................................................................... 31
2.1. Giới thiệu .......................................................................................... 31


Viết đầy đủ

Ý nghĩa

1

2D

2 Dimentional

Hai chiều

2

3D

3 Dimentional

Ba Chiều

3

BRDF

4

Bidirectional

reflectance Hàm phân phối phản xạ hai


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Bảng danh sách các cạnh và đỉnh biểu diễn vật thể ............................. 14
Bảng 2.1. So sánh giữa hai thuật toán ................................................................... 53

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

Hình 2.18. Tư tưởng của Z-Fail ............................................................................ 50
Hình 3.1. Giao diện mô tả bóng khối .................................................................... 69
Hình 3.2. Giao diện mô tả bóng cứng tạo ra từ bóng khối .................................... 69
3.3. Giao diện mô tả b
3.4. Giao diện mô tả b
-

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

-fail .......................... 71
. ................................................ 72

/>

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Năm 1966, Sutherland ở Học viện Công nghệ Massachusetts là người đầu
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.

Đề tài khái quát về bài toán tạo bóng trong đồ họa ba chiều. Tìm hiểu các dữ
liệu đầu vào và đầu ra của bài toán: nguồn sáng, vật chắn sáng và bóng.
Đề tài giới hạn trong phạm vi nghiên cứu hai kỹ thuật tạo bóng khối trong đồ
họa ba chiều: kỹ thuật tạo bóng Z-Pass, kỹ thuật tạo bóng Z-Failr
Khảo sát, phân tích, thiết kế và xây dựng phần mềm thử nghiệm
3. Hƣớng nghiên cứu của đề tài
Về khoa học
Đề tài tập trung nghiên cứu khái quát về các kiến thức cơ bản của đồ họa ba
chiều và tạo bóng
Nghiên cứu một số kỹ thuật tạo bóng khối trong 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 bài toán
Phân tích, lựa chọn giải pháp xây dựng phần mềm thử nghiệm đưa ra kết quả
tạo bóng khối bằng hai kỹ thuật: kỹ thuật tạo bóng Z-Pass, kỹ thuật tạo bóng Z-Failr
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Thu thập, đọc và phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài.
Phân tích, so sánh với các mô hình khác

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.