Thạc Sĩ Bóng và ánh sáng trong hiển thị đối tượng ba chiều

iv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/


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 . 1
Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HOẠ BA CHIỀU VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ
ĐỐI TƯỢNG BA CHIỀU
1.1. Khái quát về đồ hoạ ba chiều . 5
1.1.1. Sơ lược sự phát triển đồ hoạ ba chiều. 5
1.1.2. Các lĩnh vực ứng dụng của đồ hoạ ba chiều. 6
1.2. Bài toán hiển thị đối tượng ba chiều 8
1.2.1. Quy trình hiển thị đối tượng ba chiều . 8
1.2.2. Các phương pháp biểu diễn đối tượng . 12
1.3. Kết luận chương 1 14
Chương 2: KỸ THUẬT TẠO BÓNG KHỐI TRONG HIỂN THỊ ĐỐI TƯỢNG
BA CHIỀU v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/


2.1. Biểu diễn dữ liệu các vật thể ba chiều . 15
2.1.1. Đường cong . 15
2.1.2. Mặt cong 16
2.2. Các dạng dữ liệu nguồn sáng . 16
2.3. Kỹ thuật tạo bóng trong 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 giữa hai thuật toán 46
2.4. Kết luận chương 2 47
Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM
3.1. Bài toán 49
3.2. Phân tích, lựa chọn công cụ . 49
3.3. Kết quả thử nghiệm . 60
3.4. Kết luận chương 3 62
KẾT LUẬN . 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 64
vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/





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 CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm
4 GPU Graphical Processing Unit
Bộ xử lý đồ họa đôi khi được
hiểu đồng nghĩa với card đồ
họa
vii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. So sánh giữa hai thuật toán


viii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/


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 của ánh sáng
Hình 2.2: Sự phản xạ không toàn phần của ánh sáng
2.3. Bối cảnh không có đổ bóng
2.4. Bối cảnh có bóng khối
2.5. Mô tả các phần của bóng khối
Hình 2.6. Biểu diễn của một căn nhà.
Hình 2.7.Cạnh viền (Silhouette Edge) được tô đỏ.
Hình2.8. Khi nhìn từ vị trí của nguồn sáng ta sẽ không thấy bóng và rất dễ để xác
định cạnh và đỉnh viền.
Hình 2.9. Cạnh viền là cạnh có một mặt kề hướng ánh sáng còn mặt còn lại thì
không
Hình 2.10. Dựng shadow volume mesh bằng các thêm vào các mặt phụ
2.11 .

Hình 2.13. Khối bao của tam (ABC) giác với nguồn sáng điểm L.
Hình 2.14. Đường bao của một đa giác trong không gian hai chiều.
Hình 2.15.Tư tưởng chính của Z-Pass.
. ix

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/


.
2.18 .
.
Hình 2.20. Thuật toán tạo bóng khối với kỹ thuật z-fail
Hình 2.21. Tư tưởng của Z-Fail
3.1. -fail
3.2. -
t - .










x

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/


1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay trước sự phát triển mạnh của các ngành khoa học kỹ thuật và
những ứng dụng của khoa học kỹ thuật vào cuộc sống đã mang lại hiệu quả to
lớn đặc biệt là Công nghệ thông tin. Bất kỳ đâu và bất kể lĩnh vực nào của cuộc
sống Công nghệ thông tin đều có mặt, hiệu quả mà Công nghệ thông tin mang lại
thật to lớn và là điều được tất cả mọi người quan tâm.
Sự phát triển của công nghệ thông tin đã đẩy nhanh sự phát triển nhiều lĩnh
vực của đời sống xã hội. Với sự phát triển của phần cứng về cả phương diện thu
nhận và hiển thị đã mở ra nhiều hướng mới cho sự phát triển của phần mềm.
Trong số đó phải kể đến lĩnh vực thể hiện hình ảnh 3 chiều và thực tại ảo.
Công nghệ đồ họa máy tính phát triển đã làm thay đổi hoàn toàn việc tương
tác giữa người và máy. Nhờ đó mà một loạt các ứng dụng đồ họa máy tính ra
đời, đáp ứng được nhiều nhu cầu của xã hội. Cụ thể như trong các lĩnh vực giải
trí và nghệ thuật : Các chương trình thiết kế mỹ thuật, tạo mô hình cho việc quy
hoạch, cho phép tạo dựng và hiệu chỉnh kiến trúc của các công trình, cho phép
quan sát ở nhiều góc độ để có một cái nhìn tổng quan về công trình từ đó đưa ra
các chỉnh sửa phù hợp. Ngoài ra đồ họa ba chiều còn giúp tạo ra các chương
trình trò chơi giải trí; hỗ trợ các kỹ xảo điện ảnh. 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 2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/


tạo ra trong máy tính giống thật nhất. Và một trong các phương pháp đó chính là
tạo bóng cho đối tượng.
Xuất phát từ những lý do trên, dưới sự gợi ý của thầy hướng dẫn, em đã
chọn đề tài “Bóng và ánh sáng trong hiển thị đối tượng 3 chiều”.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Đối tượng của 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 về các kiến thức tổng quan về đồ họa ba chiều: cách hiển
thị vật thể ba chiều
+ 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. Hướng nghiên cứu của đề tài
+ Về khoa học 3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/


- Đề tài tập trung nghiên cứu khái quát về các kiến thức cơ bản của đồ họa ba
chiều và tạo bóng ánh sáng
- 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. Phương 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
- 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 4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/


+ 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 (3D) và bài toán hiển thị đối tượng.
Trong chương này trình bày khái quát về đồ họa 3D, các ứng dụng cơ bản và bài
toán hiển thị.
Chương 2: Kỹ thuật tạo bóng khối trong đồ họa ba chiều. Chương này trình
bày hai kỹ thuật chính về hiển thị đối tượng 3D.
Chương 3: Chương trình thử nghiệm. Trình bày cài đặt thử nghiệm kỹ thuật
hiển thị đối tương 3D.

5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/