Mục lục
Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Volume. 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 Volume các bạn có thể tham khảo thử nhé.
LỜI NÓI ĐẦU
Đồ họa máy tính là một lĩnh vực phát triển nhanh nhất trong tin học. Nó được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh 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.
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 3D trong việc tạo ra các game sử dụng đồ họa hiện nay như Doom, Halflife….Có thể nói đồ họa 3D đã đang và sẽ tạo nên một nền công nghiệp game phát triển mạnh mẽ.
Mục đích chính của đồ họa 3D 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 3D 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.
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA BA CHIỀU VÀ BÀI TOÁN TẠO BÓNG “Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Volume”
1.1. Khái quát về đồ họa 3 chiều
1.1.1. Hiển thị 3D(3D Viewing)
1.1.1.1. Tổng quan
Các đối tượng trong thế giới thực phần lớn là các đối tượng 3 chiều còn thiết bị hiển thị chỉ 2 chiều. Do vậy, muốn có hình ảnh 3 chiều ta cần phải giả lập.
Chiến lược cơ bản là chuyển đổi từng bước. Hình ảnh sẽ được hình thành từ từ, ngày càng chi tiết hơn.
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 đầu tiên 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 cuối cùng, 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 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. “Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Volume”
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: 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)
1.1.2 Bộ đệm và các phép kiểm tra “Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Volume”
Một mục đích quan trọng của hầu hết các chương trình đồ họa là vẽ được các bức tranh ra màn hình. Màn hình là một mảng hình vuông của các pixel. Mỗi pixel đó có thể hiển thị được 1 màu nhất định. Sau các quá trình quét (bao gồm Texturing và fog…), dữ liệu chưa trở thành pixel, nó vẫn chỉ là các “mảnh” (Fragments). Mỗi mảnh này chứa dữ liệu chung cho mỗi pixel bên trong nó như là màu sắc là giá trị chiều sâu. Các mảnh này sau đó sẽ qua một loạt các phép kiểm tra và các thao tác khác trước khi được vẽ ra màn hình.
Nếu mảnh đó qua được các phép kiểm tra (test pass) thì nó sẽ trở thành các pixel. Để vẽ các pixel này, ta cần phải biết được màu sắc của chúng là gì, và thông tin về màu sắc của mỗi pixel được lưu trong bộ đệm màu (Color Buffer).
Nơi lưu trữ dữ liệu cho từng pixel xuất hiện trên màn hình được gọi là bộ đệm (Buffer). Các bộ đệm khác nhau sẽ chưa một loại dữ liệu khác nhau cho pixel và bộ nhớ cho mỗi pixel có thể sẽ khác nhau giữa các bộ đệm. Nhưng trong một bộ đệm thì 2 pixel bất kỳ sẽ được cấp cùng một lượng bộ nhớ giống nhau. Một bộ đệm mà lưu trữ một bít thông tin cho mỗi pixel được gọi là một bitplane. Có các bộ đệm phổ biến như Color Buffer, Depth Buffer, Stencil Buffer, Accumulation Buffer.
1.2 Bài toán tạo bóng
1.2.1 Bóng và các dạng nguồn sáng
Khái niệm bóng
“Bóng (Shadow) là một vùng tối nằm giữa một vùng được chiếu sáng, xuất hiện khi một vật thể được chiếu sáng toàn bộ hoặc một phần”
Các dạng nguồn sáng
Ánh sáng trong đồ họa 3D đóng vai trò khá quan trọng. Và đặc biệt nó là thành phần không thể thiếu để tạo ra bóng. Có nguồn sáng chỉ chiếu theo một hướng nhất đinh (giống ánh sáng mặt trời), có nguồn sáng chiếu ra toàn khung cảnh….Trong một khung cảnh có thể có nhiều nguồn sáng. Các nguồn sáng này có thể được tắt bật từng cái giống như ta tắt đèn bằng công tắc vậy. Theo mô hình ánh sáng của OpenGl thì ánh sáng gồm có 4 thành phần chính: Emissive Light, Ambient Light, Diffuse Light, Specular Light. Các thành phần này có thể được tính toán độc lập với nhau, và cuối cùng được kết hợp lại với nhau.
Ambient Light là ánh sáng bị phân rã bởi môi trường và không thể xác định hướng của chúng. Nếu trong một khung cảnh ta không xác định nguồn sáng thì kết quả đưa ra cũng giống như khi chúng ta sử dụng Ambient Light.
Diffuse Light (ánh sáng khuếch tán) là ánh sáng chiếu theo một hướng nhất, tuy nhiên khi nó gặp một bề mặt nó sẽ bị phân rã bằng nhau về mọi hướng, Vì thế nó sáng bằng nhau cho dù có đặt mắt nhìn ở đâu chăng nữa. Mọi nguồn sáng đến từ một điểm hay từ một hướng nhất định đều có thành phần Diffuse Light.
Specular Light là ánh sáng phản xạ. Khi gặp một bề mặt nó sẽ phản xạ lại đúng theo quy luật phản xạ. Nó có thể được nhìn thấy trên những bề mặt cong. “Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Volume”
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.
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 (Hình 8.1). 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.
CÓ THỂ BẠN QUAN TÂM ĐẾN DỊCH VỤ:
1.2.2 Một số cách tiếp cận trong tạo bóng “Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Volume”
Tạo bóng cứng
Các tính toán bóng thực chất là việc xác định xem một điểm trong khung nhìn có nằm trong vùng bóng không. Một cách cơ bản nó là một phép kiểm tra tính hiển thị của một điểm. Các thuật toán tạo bóng cứng phổ biến là:
Kĩ thuật tạo bóng giả (Fakes Shadow) : các thuật toán tạo bóng giả bao gồm các trường hợp đặc biệt tạo bóng không đúng đắn bằng các phương pháp toán học. Những kĩ thuật này chỉ được sử dụng trong trường hợp đăc biệt(ví dụ như bóng chỉ vẽ cho những đối tượng đặc biệt, hay là bóng chỉ được vẽ lên một mặt phẳng ). Tuy nhiên phương pháp này cũng tạo ra bóng làm cho ta có cảm giác khá thật.
Bóng khối (Shadow Volume) : Bóng khối là kĩ thuật tạo bóng cần đến cấu trúc hình học của vật đổ bóng. Vật đổ bóng phải được tạo bởi các khối đa giác. Theo đó ta sẽ tìm các đỉnh và cạnh viền, là những cạnh đóng vai trò tạo nên bóng khối. Một tia sang khi chiếu tới vật thể sẽ tiếp xúc với vật thể tại điểm hoặc cạnh viền đó và đi cắt mặt phẳng nhận bóng. Những cạnh viền, đỉnh viền sẽ tạo ra các mặt bên đa giác của bóng khối. Từ đó dựa vào các phép kiểm tra ta sẽ kiểm tra được một điểm trong khung cảnh có thuộc bóng khối hay không.
Dùng bản đồ bóng (Shadow Mapping) : Đây là thuật toán sử dụng đến bộ đệm chiều sâu (Depth Buffer) . Ý tưởng chủ yếu là sử dụng bản đồ chiều sâu (hay còn gọi là bản đồ bóng) để lưu trữ các giá trị chiều sâu khi tạo ảnh từ vị trí của ánh sáng rồi sau đó sử dụng các giá trị này để xác định pixel nào được chiếu sáng.
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT TẠO BÓNG CỨNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP SHADOW VOLUME “Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Volume”
Thuật toán bóng khối là thuật toán tạo bóng dựa trên các thông tin về hình dạng của vật thể cần tạo bóng (Geometry Based Shadow Algorithm), vì thế nó đòi hỏi phải có các thông tin về tính kết nối của các lưới đa giác của tất cả các vật thể có trong khung hình (scene) để có thể tính toán một cách hiệu quả và chính xác.
Các thông tin về vật thể có thể được lấy từ một mô hình WireFrame, trong đó nó thể hiện hình dạng của đối tượng 3D bằng 2 danh sách:
Danh sách các đỉnh: Lưu tọa độ các đỉnh.
Danh sách các cạnh: Lưu các cặp điểm đầu và cuối của từng cạnh.
Ngoài ra còn có thể lấy từ file .obj được tạo ra khi ta sử dụng các công cụ xây dựng mô hình 3D như Google Sketchup, 3DSmax…. “Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Volume”
Thuật toán bóng khối còn là thuật toán trên từng pixel (Per Pixel Algorithm) Vì ta sẽ thực hiện một phép kiểm tra “trong bóng” (in shadow) cho mỗi điểm được vẽ ra màn hình. Nó bao gồm 2 phần riêng biệt. Phần đầu tiên chúng ta phải thực hiện các tính toán liên quan đến việc tạo ra cái mà gọi là bóng khối.
Mỗi vật thể đối với mỗi nguồn sáng sẽ có một bóng khối. Để đơn giản ta sẽ chỉ xét với một nguồn sáng duy nhất. Ý tưởng để tạo ra bóng khối là ta sẽ xây dựng một lưới các đa giác bao quanh vùng bóng khối mà vật thể tạo ra do được chiếu sáng. Để làm được điều đó, ta phải tìm ra danh sách các cạnh viền của vật thể, chúng là những cạnh chủ yếu để tạo ra bóng khối, khi ánh sáng chiếu đến những cạnh đó, nó sẽ không dừng lại mà đi tiếp. Có thể hiểu đó là những cạnh tiếp xúc của vật thể với tia sáng.
Để tìm được các cạnh viền này, trước tiên ta cần xác định mặt nào của vật thể sẽ được chiều bởi ánh sáng và mặt nào thì không. Việc này khá đơn giản khi ta đã biết tọa độ của nguồn sáng, vectơ pháp tuyến của mặt và phương trình của mặt phẳng. Ta chỉ việc thay tọa độ nguồn sáng vào phương trình mặt phẳng, rồi tính kết quả, nếu kết quả >0 thì khi đó pháp tuyến và nguồn sáng nằm cùng một phía với mặt phẳng đó, và do đó nó được chiếu sáng. Thủ tục xác định mặt được chiếu sáng sẽ như sau: “Đồ án: Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng Shadow Volume”.
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
