Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Mapping

Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Mapping. Bạn đang chuẩn bị làm bài báo cáo thực tập nghề nghiệp, hay bạn đang làm đồ án tốt nghiệp, nhưng các bạn lại chưa biết lựa chọn đề tài nào cho phù hợp với trường hợp của bạn, giờ đây các bạn không còn phải lo lắng về vấn đề đó nữa, vì dưới đây Dịch Vụ Hỗ Trợ Viết Luận Văn sẽ chia sẻ đến các bạn sinh viên một bài Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Mapping các bạn có thể tham khảo thử nhé.

PHẦN MỞ ĐẦU

Trong thực tế, con người cảm nhận thế giới bằng các giác quan của mình. Một vật thể có thể được cảm nhận bằng các xúc giác qua sự sờ mó hay được cảm nhận bằng mùi qua khứu giác , tuy nhiên trong một chừng mực nào đó có thể nói cảm nhận vật thể đó bằng thị giác qua màu sắc, đặc điểm, hình dạng,… sẽ cho con người một cảm nhận đầy đủ, trực quan và rõ ràng nhất. Vì vậy nếu có thể xây dựng được các chương trình trên máy tính mô phỏng được các vật thể, hiện tượng trong thế giới thực thì sẽ cung cấp cho người dùng một cách tiếp cận bằng thị giác trực quan hơn về các vấn đề mà họ đang xem xét.

Đồ họa máy tính là một lãnh vực phát triển nhanh nhất trong tin học. Nó được áp dụng rộng rãi trong nhiều lãnh vực khác nhau thuộc về khoa học, kỹ nghệ, y khoa, kiến trúc và giải trí.

Năm 1966, Sutherland ở Học viện Công nghệ Massachusetts là người đầu tiên đặt nền bóng cho đồ họa 3D 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 3D. Từ đó đến nay đồ họa 3D trở thành một trong những lĩnh vực phát triển rực rỡ nhất của đồ họa máy tính. “Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Mapping”

Với công nghệ phần cứng máy tính hiện nay, các hạn chế cơ bản về phần cứng của các chương trình đồ họa ba chiều phần nào đã được giải quyết, chính vì vậy các công nghệ về đồ họa ba chiều đang rất được quan tâm và phát triển trên thế giới. Các nhóm chương trình ứng dụng của đồ họa ba chiều có thể được kể ra như :

Hỗ trợ thiết kế : Một trong những ứng dụng của đồ họa ba chiều trên máy tính là các chương trình hỗ trợ thiết kế như CAD, 3D Max, Maya, Poser,… Các chương trình này được sử dụng cho các công việc như thiết kế nhà cửa, quần áo, phương tiện giao thông, các dụng cụ, các mô hình và cả con người,…

Giáo dục và đào tạo : Các chương trình mô phỏng ( thực tại ảo) : mô phỏng sinh học, hóa học, vật lý học, mô phỏng phóng tàu vũ trụ, lái xe, lái máy bay, các bản đồ thông tin địa lý GIS…

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…

Vấn đề quan trọng của đồ họa ba chiều hiện nay là làm thế nào thể hiện được các hình ảnh của thế giới lên màn hình máy tính một cách trung thực nhất.

CÓ THỂ BẠN QUAN TÂM ĐẾN DỊCH VỤ:

===>>> Viết Thuê Đồ Án Tốt Nghiệp

Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3 CHIỀU VÀ BÀI TOÁN TẠO BÓNG “Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Mapping”

1.1. Khái quát về đồ họa 3 chiều.

Hình ảnh được xuất hiện có chiều cao, chiều rộng và chiều sâu được gọi là 3 chiều – 3D(three-dimensional).

Các đối tượng trong mô hình 3D 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 camera ảo trong không gian 3D 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 :

Bước thứ 1: Thực hiện một phép biến đổi để đưa camera ảo trở về vị trí và hướng tiêu chuẩn. Khi đó điểm nhìn (eyepoint) sẽ được đặt ở gốc tọa độ, hướng nhìn trùng với hướng âm của trục Z. Trục X chỉ về phía phải và trục Y chỉ lên phía trên trong màn hình. Hệ tọa độ mới này sẽ được gọi là Hệ tọa độ Mắt (Eye Coordinate System). Phép biến đổi từ tọa độ thế giới sang các tọa độ mắt là một phép biến đổi affine, được gọi là phép biến đổi hiển thị (Viewing Transformation). Cả tọa độ thế giới và tọa độ mắt đều được biểu diễn bởi tọa độ đồng nhất (Homogeneous Coordinates) với w=1.

Bước thứ 2: Tọa độ mắt được chuyển qua tọa độ của thiết bị chuẩn hóa (Nomalized Device Coordinates) để cho vùng không gian mà ta muốn nhìn được đặt trong một khối lập phương tiêu chuẩn:

Các điểm ở gần điểm nhìn (điểm đặt camera) hơn sẽ có thành phần z nhỏ hơn.

Bước này gồm 3 bước con: “Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Mapping”

Một phép chiếu chuyển từ vùng nhìn sang 1 khối lập phương tiêu chuẩn với tọa độ đồng nhất: 1 x 1, 1 y 1, 1 z 1. Trong trường hợp sử dụng phép chiếu trực giao, vùng nhìn này sẽ có dạng một ống song song 3D với các mặt song song với các mặt của hệ tọa độ mắt. Trong trường hợp sử dụng 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 chiếu, thì phép chia này sẽ cho các động phối cảnh mong muốn trên màn hình. Vì lý do đó, phép chia này còn được gọi là phép chia phối cảnh (Perspective Division)

Bước thứa 3: Phép biến đổi cổng nhìn (Viewport Transformation) là sự kết hợp của 1 phép co giãn tuyến tính và 1 phép tịnh tiến. Sẽ chuyển thành phần x và y của tọa độ thiết bị chuẩn hóa 1 x 1, 1 y 1 sang tọa độ Pixel của màn hình. Thành phần z ( 1 z 1) được chuyển sang đoạn [0,1] và sẽ được sử dụng như là giá trị chiều sâu (Depth-Value) trong thuật toán Z-Buffer (bộ đệm Z) được sử dụng cho việc xác định mặt sẽ được hiển thị.

1.2. Biểu diễn điểm và các phép biến đổi “Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Mapping”

Sự chuyển đổi từ tọa độ thế giới sang tọa độ của thiết bị là một chuỗi các phép biến đổi affine và các phép chiếu trong không gian Decarts 3 chiều.

Các phép biến đổi affine và các phép chiếu trong không gian Decarts 3 chiều có thể được biểu diễn tốt nhất bởi các ma trận 4×4 tương ứng với các tọa độ đồng nhất (Homogeneous coordinates) (x,y,z,w). Điểm 3D với tọa độ đồng nhất (x,y,z,w) sẽ ọa độ affine là (x/w,y/w,z/w).

Mối quan hệ giữa tọa độ affine và tọa độ đồng nhất không phải là quan hệ 1-1. Cách đơn giản nhất để chuyển từ tọa độ affine (x,y,z) của một điểm sang tọa độ đồng nhất là đặt w=1: (x,y,z,1). Chúng ta thừa nhận rằng tất cả các tọa độ thế giới được biểu diễn bằng cách này.

Ta sẽ biểu diễn các phép biến đổi affine (như là co giãn (scaling transformations), phép quay (rotations), và phép tịnh tiến (translations)) bằng các ma trận mà sẽ không làm thay đổi thành phần w (w=1).

1.3. Phép biến đổi hiển thị (Viewing Transformation)

Phép biến đổi hiển thị sẽ đưa một camera ảo được cho tùy ý về một camera với điểm nhìn trùng với gốc tọa độ và hướng nhìn dọc theo chiều âm của trục Z. Trục Y sau phép biến đổi tương ứng sẽ chỉ lên phía trên của màn hình. Trục X sẽ chỉ về phía phải.

Một cách thuận tiện để xác định vị trí của camera ảo là cho sãn vị trí của điểm nhìn E , Một điểm trong khung nhìn R (điểm tham chiếu) và một hướng V  sẽ chỉ lên phía trên trong màn hình. Phép biển đổi hiển thị sẽ gồm 2 bước:

1.4. Phép chiếu trực giao (Orthographic Projection) “Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Mapping”

Trong trường hợp phép chiếu trực giao, vùng không gian hiển thị là một ống song song trong hệ tọa độ mắt. Các mặt của ống song song này song song với các mặt của hệ tọa độ mắt. Kích thước và vị trí của vùng không gian hiển thị được xác định bởi tọa độ mắt xleft, xright, ybottom, ytop, zfront và zback . (xleft, ybottom) và (xright, ytop) xác định một cửa sổ trong mặt phẳng chiếu (hoặc là bất kỳ mặt nào song song với mặt XY) mà vùng không gian hiển thị sẽ được hiển thị trên đó. Cửa sổ này phải được đưa về dạng hình vuông [-1,+1]2. Zfront và zback định nghĩa 2 mặt phẳng cắt trước và cắt sau. Tọa độ của tất cả các điểm trong không gian (hoặc ít nhất là những điểm ta muốn nhìn) phải thỏa mãn zback  z zfront . Khoảng giá trị của z phải được đưa về các giá trị chiều sâu (depth value) nằm trong đoạn [-1,+1]. Các điểm gần mắt hơn sẽ có giá trị chiều sâu nhỏ hơn.

1.5. Phép chiếu phối cảnh (Perspective Projection)

Phép chiếu phối cảnh phù hợp và gần hơn với quan sát của con người (bằng một mắt) trong thế giới 3D. Tất cả các điểm trên một đường thẳng đi qua điểm nhìn sẽ được ánh xạ lên cùng một điểm trong màn hình 2D. Điểm ảnh này được xác định bởi tọa độ thiết bị chuẩn hóa x và y. Nếu 2 điểm được ánh xạ vào cùng một điểm trên màn hình, ta cần phải xác định điểm nào sẽ được hiển thị bằng thuật toán Z-buffer, nghĩa là so sánh chiều sâu của chúng. Vì lý do này chúng ta cần định nghĩa một thành phần tọa độ khác của thiết bị chuẩn hóa là z sao cho nó là một hàm tăng đơn điệu của khoảng cách từ điểm đó đến mặt phẳng mắt XY. Khoảng cách từ một điểm trong không gian đến mặt phẳng XY không bằng với khoảng cách từ điểm đó đến điểm nhìn (được đặt ở gốc tọa độ), nhưng nó sẽ được tính toán đơn giản hơn và cũng đủ để xác định được các mặt sẽ được hiển thị.

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT TẠO BÓNG CỨNG SHADOW MAPPING VÀ CÁC LOẠI NGUỒN SÁNG. “Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Mapping”

2.1.1. Nguồn sáng xung quanh.

Ánh sáng xung quanh là mức sáng trung bình, tồn tại trong một vùng không gian. Một không gian lý tưởng là không gian mà tại đó mọi vật đều được cung cấp một lượng ánh sáng lên bề mặt là như nhau, từ mọi phía ở mọi nơi. Thông thường ánh sáng xung quanh được xác định với một mức cụ thể gọi là mức sáng xung quanh của vùng không gian mà vật thể đó cư ngụ, sau đó ta cộng với cường độ sáng có được từ các nguồn sáng khác để có được cường độ sáng cuối cùng lên một điểm hay một mặt của vật thể

2.1.2. Nguồn sáng định hướng.

Nguồn sáng định hướng giống như những gì mà mặt trời cung cấp cho chúng ta. Nó bao gồm một tập các tia sáng song song, bất kể cường độ của chúng có giống nhau hay không. Có hai loại kết quả của ánh sáng định hướng khi chúng chiếu đến bề mặt là: khuyếch tán và phản chiếu. Nếu bề mặt phản xạ toàn bộ (giống như mặt gương) thì các tia phản xạ sẽ có hướng ngược với hướng của góc tới. Trong trường hợp ngược lại, nếu bề mặt là không phản xạ toàn phần (có độ nhám, xù xì) thì một phần các tia sáng sẽ bị toả đi các hướng khác hay bị hấp thụ, phần còn lại thì phản xạ lại, và lượng ánh sáng phản xạ lại này tỷ lệ với góc tới. Ở đây chúng ta sẽ quan tâm đến hiện tượng phản xạ không toàn phần vì đây là hiện tượng phổ biến (vì chỉ có những đối tượng được cấu tạo từ những mặt như mặt gương mới xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần), và đồng thời tìm cách tính cường độ của ánh sáng phản xạ trên bề mặt.

2.1.3. Nguồn sáng điểm. “Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Mapping”

Nguồn sáng định hướng là tương đương với nguồn sáng điểm đặt ở vô tận. Nhưng khi nguồn sáng điểm được mang đến gần đối tượng thì các tia sáng từ nó phát ra không còn song song nữa mà được toả ra theo mọi hướng theo dạng hình cầu. Vì thế, các tia sáng sẽ rơi xuống các điểm trên bề mặt dưới các góc khác nhau. Giả sử vector pháp tuyến của mặt là n=(xn, yn, zn), điểm đang xét có toạ độ là (x0, y0, z0) và nguồn sáng điểm có tọa độ là (plx, ply, plz) thì ánh sáng sẽ rọi đến điểm đang sét theo vector (x0- plx, y0-ply, z0-plz), hay tia tới: a = (plx – x0, ply – y0,plz – z0).

Từ đó cường độ sáng tại điểm đang xét sẽ phụ thuộc vào Cos(θ) giữa n và a như đã trình bày trong phần nguồn sáng định hướng.

Vậy với nguồn sáng định hướng, chúng ta cần tính tia tới cho mọi điểm trên mặt, từ đó kết hợp với vector pháp tuyến của mặt để tính được cường độ sáng tại điểm đó, nếu tính toán trực tiếp thì có thể mất khá nhiều thời gian do phải tính vector a và tính Cos(θ) thông qua công thức (2.1) với tất cả các điểm trên mặt. Nên nhớ rằng trong tình hướng nguồn sáng điểm thì chúng ta buộc lòng phải tính Cos(θ) thông qua công thức (2.1) vì vector a sẽ thay đổi khi mặt hay nguồn sáng thay đổi (trừ khi mặt tĩnh, song nếu mặt tĩnh và nguồn sáng cố định thì suy ra chúng ta chỉ cần tính cường độ sáng một lần). “Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Mapping”

Dịch Vụ Viết Luận Văn 24/7 Chuyên cung cấp dịch vụ làm luận văn thạc sĩ, báo cáo tốt nghiệp, khóa luận tốt nghiệp, chuyên đề tốt nghiệp và Làm Tiểu Luận Môn luôn luôn uy tín hàng đầu. Dịch Vụ Viết Luận Văn 24/7 luôn đặt lợi ích của các bạn học viên là ưu tiên hàng đầu. Rất mong được hỗ trợ các bạn học viên khi làm bài tốt nghiệp. Hãy liên hệ ngay Dịch Vụ Viết Luận Văn qua Website:  https://hotrovietluanvan.com/ – Hoặc Gmail: hotrovietluanvan24@gmail.com