Luận văn Nghiên cứu các thuật toán tạo bóng trong đồ họa ba chiều tương tác thời gian thực
TRƯỜNG ĐH KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ TRI THỨC
oOo
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
ĐẾ TÀI
NGHIÊN CỨU CÁC THUẬT TOÁN TẠO
BÓNG TRONG ĐỒ HỌA BA CHIỀU
TƯƠNG TÁC THỜI GIAN THỰC
HƯỚNG DẪN : Th.S ĐINH NGUYỄN ANH DŨNG
THỰC HIỆN : NGUYỄN VĂN THÀNH 9912072
NGUYỄN THANH SƠN 9912062
Tp. Hồ Chí Minh, 7/2003
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô khoa Công nghệ thông tin
trường Đại học Khoa học tự nhiên, những người đã ân cần dạy dỗ cho
chúng em những kiến thức bổ ích và quý giá trong suốt 4 năm học qua,
những người đã trang bị cho chúng em hành trang quý giá để bước vào đời
Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Đinh Nguyễn Anh Dũng,
người đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn chúng em thực hiện tốt luận văn tốt
nghiệp này
Chúng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, hậu phương vững chắc
cho tiền tuyến chúng em trong suốt những năm học gian khổ, và gần đây đã
cho chúng em nguồn động viên to lớn về tinh thần và vật chất để chúng em
có thể hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này
Chúng em xin gửi lời cảm ơn tới sự giúp đỡ của anh Trần Thế Vinh dành
cho chúng em trong thời gian thực hiện luận văn này
- 2 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN................................................2
MỤC LỤC...................................................3
PHẦN 1 : MỞ ĐẨU...........................................5
I. BÓNG TRONG ĐỒ HỌA BA CHIỀU TƯƠNG TÁC...............6
II. MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN..............................9
III. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN.............................10
IV. CÁC THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT.....................10
PHẦN 2 : KỸ THUẬT KIỂM TRA STENCIL TRÊN TỪNG ĐIỂM ẢNH....13
I. GIỚI THIỆU........................................13
II. Ý TƯỞNG CHÍNH.....................................14
III. KỸ THUẬT KIỂM TRA STENCIL TRÊN TỪNG ĐIỂM ẢNH......15
PHẦN 3 : CÁC THUẬT TOÁN TẠO BÓNG.........................19
I. PLANAR SHADOW.....................................19
1)GIỚI THIỆU.....................................19
2)KHÔNG ÁP DỤNG KỸ THUẬT STENCIL TEST............22
3)ÁP DỤNG KỸ THUẬT STENCIL TEST..................23
4)CÁC CẢI TIẾN QUAN TRỌNG........................26
5)ƯU ĐIỂM........................................28
6)KHUYẾT ĐIỂM....................................28
7)NHẬN XÉT.......................................28
II. SHADOW VOLUME.....................................29
1)GIỚI THIỆU.....................................29
2)SHADOW VOLUME..................................30
a.TÍNH SILHOUETTE..........................30
b.TÍNH SHADOW VOLUME.......................33
- 3 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
3)THUẬT TOÁN SHADOW VOLUME.......................33
a.THUẬT TOÁN...............................33
b.CÁC CẢI TIẾN QUAN TRỌNG..................37
4)ƯU ĐIỂM........................................49
5)KHUYẾT ĐIỂM....................................50
6)NHẬN XÉT.......................................50
III. PROJECTIVE SHADOW MAPPING.........................51
1)Ý TƯỞNG CHÍNH..................................51
2)TẠO SHADOW MAP.................................52
3)CHIẾU SHADOW MAP LÊN VẬT HỨNG BÓNG.............57
4)ƯU ĐIỂM........................................59
5)KHUYẾT ĐIỂM....................................59
6)NHẬN XÉT.......................................60
PHẦN 4 : ĐÁNH GIÁ VÀ CÁC HƯỚNG PHÁT TRIỂN................61
I. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN...............................61
II. YÊU CẦU...........................................61
III. ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN..............................62
PHỤ LỤC..................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................68
- 4 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
PHẦN 1 : 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.
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 họa, hóa học, vật lý học, mô phỏng phóng tàu vũ
trụ, lái xe, lái máy bay, các bảng đồ thông tin địa lý GIS…
- 5 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
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
Du lịch ảo : cho du khách có thể tham quan và tương tác với các
thế giới giống như thế giới thật mà không cần phải tới tận nơi, và
tốn các chi phí cho một chuyến du lịch
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
I. BÓNG TRONG ĐỒ HỌA BA CHIỀU TƯƠNG TÁC
Trên thế giới thực con người nhìn được thế giới qua ánh sáng, ánh sáng lại
đi đôi với bóng, cứ ở đâu có ánh sáng là ở đó có bóng. Do đó nếu thể hiện
được hai yếu tố bóng và ánh sáng thì sẽ làm tăng tính trung thực của các
hình ảnh ba chiều trên máy tính.
Khi người dùng giao tiếp với một chương trình đồ họa ba chiều trên máy
tính họ thường có cảm giác như các đối tượng đang lơ lửng trong không
gian trong khi thực tế là chúng đang nằm trên một bề mặt nào đó, do đó
nếu camera chỉ đứng yên một chỗ, người dùng rất khó nhận ra được chiều
sâu cũng như vị trí tương đối của các đối tượng. Nếu chương trình đồ họa
ba chiều đó có cài đặt kỹ thuật làm bóng cho các đối tượng thì sẽ giúp
người dùng dễ dàng cảm nhận đúng hơn về thế giới trong chương trình đó.
Chính vì vậy, trong các chương trình đồ họa ba chiều, cho dù tạo bóng cho
các đối tượng rất dở vẫn hơn là không tạo bóng cho chúng
- 6 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
A
B
Chúng ta sẽ dễ nhận biết được vị trí của khối hộp tại hình B hơn là hình A
Trong thực tế, ánh sáng là các hạt photon năng lượng, khi ánh sáng chiếu
vào một vật thể nào đó, các hạt photon một phần sẽ được hấp thụ, một
phần sẽ được phản xạ lại bởi vật thể đó. Nơi nào không có các hạt photon
chiếu tới hay được chiếu tới nhưng với cường độ yếu là nơi có bóng. Trong
đồ họa ba chiều, cách tính toán để tạo bóng này sẽ tạo ra được bóng như ở
ngoài thế giới thực tuy nhiên kỹ thuật này rất phức tạp và tốn nhiều chi phí.
Chúng ta sẽ phải giải quyết nhiều bài toán khó trong cách tiếp cận này, đó
là bài toán phản xạ, hấp thụ, bài toán giao giữa một tia và một đa giác,…
và quan trọng hơn là chúng ta sẽ phải tính toán trên từng điểm ảnh trong
không gian của thế giới ba chiều, nếu không gian là một thế giới rộng lớn
thì tốc độ xử lý sẽ rất chậm, và vì hệ thống phần cứng máy tính thông dụng
hiện này cón hạn chế nên kỹ thuật này không thể thực hiện được trong các
hệ thống thời gian thực.
Các kỹ thuật tạo bóng thực thường được áp dụng trên các thiết bị chuyên
dụng đặc biệt rồi xuất ra thành phim hay dựng lên các mô hình ba chiều
tĩnh. Có hai kỹ thuật tạo bóng thực nổi tiếng là Ray Trace và Radiosity tuy
nhiên luận văn này không chú trọng tới việc xây dựng các thuật toán tạo
- 7 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
bóng này mà tập trung vào nghiên cứu các thuật toán tạo bóng trong các hệ
thống mang tính thời gian thực
Trong các hệ thống thời gian thực, chúng ta phải áp dụng các thuật toán tạo
bóng giả, các thuật toán này không có độ chính xác 100% tuy nhiên chúng
cho ra bóng có thể chấp nhận được đối với thị giác con người. Độ phức tạp
cũng như chi phí tính toán của các thuật toán này thấp hơn nhiều so với các
thuật toán tạo bóng thực do đó các thuật toán này rất khả thi trên các hệ
thống máy tính thông thường và áp dụng được trong các chương trình đồ
họa ba chiều mang tính tương tác, thời gian thực. Từ phần này của luận
văn khi nói về thuật toán tạo bóng, xin hiểu là thuật toán tạo bóng giả
Các thuật toán tạo bóng (giả) trong đồ họa ba chiều đã được nghiên cứu từ
những năm 80 của thế kỷ trước. Có thể kể ra những thành tựu lớn về việc
nghiên cứu bóng trong thời gian này, đó là :
Thuật toán về tạo bóng dựa trên phép chiếu của Jim Blinn năm 1988
và cải tiến của nó vào năm 1996
Thuật toán tạo bóng trên mặt phẳng của Thant Tessman năm 1989
Ý tưởng sơ khai về shadow volume của Pllippe Bergeron năm 1986
Ý tưởng về việc sử dụng thành phần độ sâu của William Reeves,
David Salesin và Robert Cook năm 1987
Tuy nhiên đây chỉ là các ý tưởng thuật toán sơ khai, chưa hoàn chỉnh và
thiếu sự hỗ trợ về mặt công nghệ nên chưa thể thực hiện tốt được trong
thời gian đó và phải tới giữa thập kỷ 1990 các vấn đề về việc tạo bóng
trong đồ họa ba chiều tương tác mới có thể thực hiện đúng theo các thuật
toán được trên máy tính
Từ giữa thập kỷ 1990 tới nay là thời gian có nhiều thành tựu to lớn nhất về
bóng với :
- 8 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
Thuật toán tạo bóng trên các mặt phẳng (Planar Shadow) của
Schilling, Andreas, G.Knittel và Wolfgang năm 1996
Thuật toán vùng bóng (shadow volume) của Heidmann năm 1991 –
và các cải tiến của Tom McReynolds và David Blythe năm 1997 –
của Yen Kwoon, Eric Lengyel năm 2002, cải tiến của Tom Hall năm
2003
Thuật toán Shadow Mapping của Mark J.Kilgard năm 2000
Thuật toán Projective Shadow Mapping của Mark A.Deloura năm
2000
Mặc dù vậy, vì tính phức tạp khi cài đặt các thuật toán trong các thế giới
rộng lớn và các thuật toán đều có những ưu điểm và khuyết điểm, rất khó
để áp dụng trong trường hợp tổng quát nên trên thực tế chỉ có một số ít
chương trình hiện nay có cài đặt các kỹ thuật tạo bóng.
II. MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN
Bài toán tạo bóng giả là một bài toán khó trong đồ họa ba chiều thời gian
thực, và hiện đang là một trong những đề tài thu hút nhiều sự quan tâm tại
các trung tâm nghiên cứu và các trường đại học trên thế giới. Đây cũng là
một lĩnh vực chưa được giải quyết trọn vẹn, vẫn còn mở ra nhiều hướng
nghiên cứu, phát triển trong tương lai. Trước thực trạng như vậy đề tài này
hướng tới 2 mục tiêu như sau
Nghiên cứu và cài đặt thử nghiệm các thuật toán tạo bóng phổ biến
và hiệu quả cao trong đồ họa ba chiều thời gian thực hiện nay, bao
gồm :
o Thuật toán tạo bóng phẳng Planar Shadow
o Thuật toán tạo bóng Shadow Volume
o Thuật toán Projective Shadow Mapping
- 9 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
Xây dựng mô hình nhà tù Chuồng Cọp thuộc Bảo Tàng Di Tích
Chiến Tranh tại thành phố Hồ Chí Minh, và cài đặt các thuật toán
tạo bóng trên mô hình này nhằm minh họa bóng trong một thế giới
tương tác thời gian thực
III. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Nội dung của luận văn được chia ra làm 4 phần
Phần 1 – Phần mở đầu
Phần 2 – Kỹ thuật kiểm tra stencil trên từng điểm ảnh : Phần này
trình bày về kỹ thuật kiểm tra stencil trên từng điểm ảnh sẽ được áp
dụng cho các thuật toán tạo bóng để giới hạn vùng bóng. Đây là
phần tùy chọn mô tả một kỹ thuật của đồ họa ba chiều có thể bỏ qua
nếu đã biết
Phần 3 – Các thuật toán tạo bóng : Giới thiệu về các thuật toán tạo
bóng được nghiên cứu trong luận văn, đưa ra đánh giá về ưu và
khuyết điểm của mỗi thuật toán
Phần 4 – Đánh giá và các hướng phát triển : Đánh giá kết quả đạt
được của luận văn và các hướng phát triển
IV.THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ
Ý nghĩa
Một điểm ảnh trong không gian ba chiều, có các
thuộc tính chính là màu, độ sâu, độ alpha và giá
trị stencil
Pixel
Các hình ảnh được dán lên một bề mặt nào đó,
làm cho bề mặt giống thật hơn
Texture
- 10 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
Thực hiện một quá trình biến đổi để cho ra một
Render
hình ảnh ba chiều dạng đầy đủ ra màn hình
Một thuộc tính của điểm ảnh trong không gian
ba chiều
Stencil
Bộ đệm chứa các giá trị thuộc tính stencil của
điểm ảnh
Stencil Buffer
Quá trình kiểm tra thuộc tính stencil của từng
điểm ảnh, sử dụng các hàm kiểm tra (stencil
function) được hỗ trợ bởi phần cứng và phần
mềm
Stencil Test
Depth Buffer
Depth Test
Bộ đệm chứa các giá trị thuộc tính chiều sâu
của điểm ảnh
Quá trình kiểm tra thuộc tính chiều sâu của từng
điểm ảnh, sử dụng các hàm kiểm tra (depth
function) được hỗ trợ bởi phần cứng và phần
mềm
Là bộ đệm chứa điểm ảnh đã có đầy đủ các tính
chất, chờ được render ra màn hình
Frame Buffer
Camera
Chỉ tọa độ của điểm quan sát thế giới, ta có thể
hình dung đây là điểm đặt camera và chúng ta
nhìn thấy được thế giới qua camera này
Một vùng không gian được tạo ra khi chiếu một
vật thể ta xa từ một điểm
Volume
Khối quan sát, chỉ có các đối tượng nằm trong
view volume mới được hiển thị ra màn hình
Là một khối chóp cụt, là kết quả từ phép chiếu
View Volume
View Frustum
- 11 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
phối cảnh trên khối quan sát
Mặt phẳng đáy gần phía camera của View
Mặt phẳng Near
Mặt phẳng Far
Frustum
Mặt phẳng đáy ở xa phía camera của View
Frustum
Field of View
Silhouette
Góc của View Frustum
Hình bao của một vật thể nhìn từ một điểm
Thuật ngữ chỉ kỹ thuật dùng các toán tử biến
đổi hai ngôi trên hai điểm ảnh
Blend
- 12 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
PHẦN 2 : KỸ THUẬT KIỂM TRA
STENCIL TRÊN TỪNG ĐIỂM ẢNH
I. GIỚI THIỆU
Nếu chỉ có một nguồn sáng, một vật hứng sáng, một mặt hứng bóng thì các
thuật toán tạo bóng rất đơn giản do chỉ có một bóng duy nhất đổ lên một
mặt, tuy nhiên khi chúng ta dựng lên một thế giới ba chiều mô phỏng thế
giới thực thì thế giới ba chiều đó không chỉ có một mà có rất nhiều nguồn
sáng, vật chắn sáng và mặt hứng bóng, do đó có rất nhiều bóng đổ lên
nhiều mặt khác nhau và có khi một bóng đổ lên rất nhiều mặt. Vấn đề đặt
ra là làm sao chúng ta có thể điều chỉnh bóng sao cho chúng chỉ đổ lên
những nơi nào bị chắn sáng bởi các vật thể chắn sáng và với nguồn sáng
tương ứng mà thôi. Trong kỹ thuật planar shadow và shadow volume
chúng ta sử dụng kỹ thuật kiểm tra stencil trên từng điểm ảnh (stencil test)
để giải quyết vấn đề này
Silicon Graphics đã giới thiệu về kỹ thuật kiểm tra stencil trên từng điểm
ảnh trong phần cứng cách đây hơn mười năm trước, tuy nhiên vào thời
điểm đó giá cho một thiết bị phần cứng hỗ trợ kỹ thuật stencil test rất đắt
và chỉ hỗ trợ 4-bit stencil buffer. Hiện nay các card đồ họa có hỗ trợ kỹ
thuật stencil test đã xuất hiện rất phổ biến và giá thành thấp, hỗ trợ từ 8 Æ
64 bit stencil buffer, các card đồ họa này cũng cung cấp một bộ các hàm
3D API hỗ trợ cho kỹ thuật stencil test trên phần cứng. Quá trình dữ liệu
- 13 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
qua các quá trình kiểm tra trước khi được đưa vào framebuffer để render ra
màn hình được mô tả như sau :
Trong đó Fragment là một điểm ảnh đã có đầy đủ các tính chất của mình
như màu, độ alpha, giá trị stencil, giá trị độ sâu, … . Các quá trình kiểm tra
như Sissor Test, Alph Test,Blending, … là các quá trình kiểm tra các thuộc
tính của điểm ảnh để có những xử lý tương ứng, chúng ta chỉ quan tâm tới
stencil test và depth test. Hai quá trình kiểm tra này chúng tôi sẽ giới thiệu
chi tiết hơn ở các phần phía sau
Stencil buffer được hỗ trợ cả trong hai thư viện đồ họa ba chiều rất mạnh
và phổ biến hiện nay là OpenGL và DirectX. Trong một chương trình ta có
bật tắt chế độ hỗ trợ stencil buffer và điều chỉnh số bit của stencil buffer.
Hầu hết các phần mềm, thư viện đều hỗ trợ 8-bit stencil buffer còn phần
cứng thì hỗ trợ nhiều loại thông dụng nhất là 4, 8, 16 và 32-bit. Khi thực
hiện kỹ thuật stencil trên từng điểm ảnh, nếu phần cứng có hỗ trợ stencil
buffer thì phần mềm sẽ tự động chuyển quyền xử lý qua cho phần cứng
còn nếu không sẽ dùng phần mềm để thực hiện và tốc độ giảm đi đáng kể
- 14 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
II. Ý TƯỞNG CHÍNH
Kỹ thuật kiểm tra stencil trên từng điểm ảnh (stencil test) là một kỹ thuật
thực hiện trên từng điểm ảnh tương tự như kỹ thuật kiểm tra độ sâu của
từng điểm ảnh trong đồ họa ba chiều (depth test), depth test kiểm tra và
điều chỉnh giá trị độ sâu của điểm ảnh trong depth buffer còn stencil test
kiểm tra và điều chỉnh giá trị stencil của điểm ảnh trong stencil bufer.
Trong kỹ thuật stencil test khi render, mỗi một điểm ảnh được gán cho một
giá trị stencil và giá trị này sẽ được thay đổi và được kiểm tra lại ở lần
render kế tiếp, các xử lý tương ứng sẽ được thực hiện đối với từng sự thay
đổi.
Trong một thế giới ba chiều có bóng, một điểm ảnh có thể ở một trong hai
trạng thái, nằm trong vùng bóng hay nằm ngoài vùng bóng. Chúng ta sẽ
gán giá trị stencil tương ứng cho tất cả cả các điểm ảnh, sau đó điều chỉnh
các hàm của kỹ thuật stencil test sao cho chỉ cập nhật giá trị stencil của các
điểm ảnh nằm trong vùng bóng và render lại thế giới ba chiều này mà
không có ánh sáng. Sau đó lại điều chỉnh các hàm của kỹ thuật stencil test
sao cho chỉ cập nhật giá trị stencil cuả các điểm ảnh nằm ngoài vùng bóng,
render lại thế giới ba chiều một lần nữa với ánh sáng. Các điểm ảnh nằm
trong vùng bóng sẽ được render trong trạng thái không có ánh sáng và các
điểm ngoài vùng bóng sẽ được render trong trạng thái có ánh sáng và tạo ra
bóng trong thế giới ba chiều. Vấn đề đặt ra là làm sao điều chỉnh giá trị
stencil của các điểm ảnh nằm trong hay ngoài vùng bóng?
III. KỸ THUẬT KIỂM TRA STENCIL TRÊN TỪNG ĐIỂM ẢNH
Một điểm ảnh thông thường sẽ có giá trị màu (lưu trong color buffer) và
giá trị độ sâu (lưu trong depth buffer), khi được render ra màn hình, điểm
ảnh sẽ có giá trị màu tương ứng trong khi giá trị độ sâu không được thể
- 15 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
hiện tường minh mà chỉ để quyết định điểm nào nằm trước điểm nào nằm
sau, điểm nào được nhìn thấy, điểm nào không từ đó chương trình sẽ quyết
định có render điểm ảnh đó ra màn hình hay không. Cũng giống như depth
buffer, stencil buffer là tập hợp các giá trị không được vẽ ra màn hình của
một điểm ảnh, stencil buffer chứa các giá trị stencil dùng để bổ sung thêm
thông tin cho các giá trị của điểm ảnh
Giá trị stencil là một số nguyên không dấu, các thao tác tăng, giảm, so sánh
và đánh dấu bit có thể thực hiện được trên các giá trị nguyên này. Khi bắt
đầu render một thế giới ba chiều sử dụng kỹ thuật stencil test và stencil
buffer phải thiết lập tất cả các giá trị stencil của các điểm ảnh trong stencil
buffer về một giá trị nào đó, sau đó sẽ bật hay tắt quá trình kiểm tra giá trị
stencil cho từng điểm ảnh, nếu kết quả kiểm tra sai không thực hiện quá
trình xác lập các thuộc tính mong muốn nào đó cho một điểm ảnh trong
frame buffer để render ra màn hình, nếu kết quả kiểm tra đúng hay chế độ
kiểm tra stencil không được bật lên thì thực hiện quá trình xác lập các
thuộc tính mong muốn nào đó cho một điểm ảnh trong frame buffer để
render ra màn hình. Quá trình kiểm tra stencil sẽ so sánh giá trị stencil
trong stencil buffer với giá trị stencil đang tham chiếu tới. Để minh họa các
hàm trong kỹ thuật này, chúng tôi xin mượn các hàm trong thư viện đồ họa
OpenGL để đưa ra một ví dụ thực tiễn
Trước khi render một thế giới, stencil buffer phải được xóa về một giá trị
nào đó đã được định sẵn, trong OpenGL công đoạn này được thực hiện
như sau :
glClearStencil(0);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT |
GL_STENCIL_BUFFER_BIT);
- 16 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
Cũng như kỹ thuật depth test, kỹ thuật stencil test cũng có thể được bật lên
hay tắt đi. Khi được bật lên kỹ thuật stencil test sẽ được thực hiện trên từng
điểm ảnh. Chúng ta bật tắt kỹ thuật này như sau :
glEnable(GL_STENCIL_TEST);
glDisable(GL_STENCIL_TEST);
Có 8 hàm so sánh : NEVER, ALWAYS, LESS THAN, LESS THAN OR
EQUAL, GREATER THAN, GREATER THAN OR EQUAL, EQUAL và
NOT EQUAL. Để thực hiện nhanh hơn so với việc so sánh trược tiếp,
trước khi so sánh cả giá trị stencil trong stencil buffer lẫn giá trị stencil
đang được tham chiếu tới đều được so sánh từng bit với một mặt nạ bit so
sánh stencil. Trong OpenGL hàm so sánh giá trị stencil, giá trị stencil tham
chiếu, mặt nạ bít so sánh các giá trị stencil được thể hiện như sau :
glStencilFunc(GL_EQUAL, // hàm so sánh
0x1, // giá trị tham chiếu
0xff); // mặt nạ so sánh
Vì sau khi quá trình kiểm tra độ sâu các giá trị trong depth buffer sẽ được
cập nhật để quyết định điểm nào được render ra màn hình và chúng ta chỉ
quan tâm đến điểm nào được render ra màn hình thôi nên quá trình kiểm
tra stencil phụ thuộc vào quá trình kiểm tra độ sâu do đó kết quả của quá
trình kiểm tra stencil lại được chia nhỏ ra thành 3 loại :
Kiểm tra stencil sai
Kiểm tra stencil đúng + kiểm tra độ sâu sai
Kiểm tra stencil đúng + kiểm tra độ sâu đúng
Ứng với từng kết quả chúng ta sẽ thực hiện các thao tác tương ứng cho các
giá trị stencil trong buffer.
Có 6 thao tác thay đổi giá trị trong stencil buffer :
keep : không thay đổi giá trị stencil của điểm ảnh trong stencil buffer
- 17 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
replace : thay đổi giá trị stencil của điểm ảnh trong stencil buffer với
giá trị tham chiếu
zero : xóa giá trị stencil của điểm ảnh trong stencil buffer về 0
increment : tăng thêm một đơn vị vào giá trị stencil của điểm ảnh
trong stencil buffer cho tới sao cho vẫn nhỏ hơn giá trị lớn nhất
decrement : giảm một đơn vị vào giá trị stencil của điểm ảnh trong
stencil buffer cho tới sao cho vẫn lớn hơn 0
invert : đảo ngược bit của giá trị stencil của điểm ảnh trong stencil
buffer
Một hàm thực hiện các thao tác stencil trong OpenGL có dạng như sau :
glStencilOp(GL_KEEP, // kiểm tra stencil sai
GL_DECR, // kiểm tra stencil đúng, kiểm tra độ sâu sai
GL_INCR); // kiểm tra stencil đúng, kiểm tra độ sâu đúng
glStencilMask(0xff);
- 18 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
PHẦN 3 : CÁC THUẬT TOÁN
TẠO BÓNG
I. PLANAR SHADOW
1. Giới thiệu
Trường hợp đơn giản nhất của bóng là khi một vật thể đổ bóng trên một
mặt phẳng, lúc đó ta có thể chiếu vật thể đó lên mặt phẳng và rút ra
được ma trận chiếu ứng với nguồn sáng và mặt phẳng, hình chiếu này
chính là hình dạng của bóng của vật thể trên mặt phẳng ; đó chính là ý
tưởng chính của thuật toán tạo bóng planar
Nguồn sáng L chiếu một điểm P xuống mặt phẳng thành P’
- 19 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
Giả sử nguồn sáng L đổ bóng một vật thể xuống mặt phẳng D, gọi
P(x,y,z,1) là một điểm bất kỳ trên vật thể, hình chiếu của nó trên mặt
phẳng là P’(x’,y’,z’,1). Gọi E là một điểm thuộc mặt phẳng hứng bóng
và n là vector pháp tuyến của mặt phẳng. Ta có :
Đường thẳng đi qua nguồn sáng và điểm P là :
Mặt phẳng hứng bóng (dạng Euler)
Đường thẳng này cắt mặt phằng tại P’, thế x trong đường thẳng
vào mặt phẳng ta được :
Từ đó suy ra
Thế lại vào phương trình đường thẳng ta được điểm P’ tính như
sau :
Ta đã có tọa độ của một điểm chiếu từ một điểm trên vật chắn
sáng, vấn đề là làm sao đưa ra ma trận chiếu M, để đơn giản hóa
các hệ số của ma trận ta gán
và
- 20 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
P’ được tính lại như sau
và
Từ đó ta có thể viết lại ba thành phần của vector P’ để tính toán
ra ma trận chiếu
Khai triển tích vô hướng nP
ta được
Quy đồng mẫu số ở mỗi thành phần
- 21 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
Khai triển ra ta được
Gom nhóm theo Px, Py và Pz ta được
Gọi ma trận chiếu là M và có các hệ số là m11 Æ m44 ta có tích của
một điểm trên vật chắn sáng với ma trận chiếu sẽ là điểm chiếu của nó
trên mặt phẳng, hay M*P = P’. Nhân M với P(x,y,z,1) ta được
Kết quả thu được chính là điểm P’ nên
- 22 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
Từ đây ta có thể dễ dàng rút ra ma trận chiếu M như sau
2. Không áp dụng kỹ thuật stencil
Để tạo bóng cho một vật từ một nguồn sáng xuống một mặt phẳng ta
chỉ cần tính toán ma trận chiếu từ các thông số của mặt phẳng và nguồn
sáng và sau đó chuyển đổi vật thể này bằng ma trận chiếu sẽ được hình
hình chiếu của nó trên mặt phẳng sau đó render hình chiếu này này với
màu đen và không có ánh sáng ta sẽ được bóng của vật thể xuống mặt
phẳng
Thuật toán được phát biểu như sau :
Đầu vào :
Một nguồn sáng điểm
Một mặt phẳng
Một vật chắn sáng
Thuật toán :
Tính toán ma trận Model View trong phép biến đổi view
tranform
- 23 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
Tính toán phương trình mặt phẳng, bật chế độ ánh sáng lên và
render mặt phẳng hứng bóng, vật chắn sáng
Lưu ma trận Model View
Tính toán ra ma trận chiếu từ phương trình mặt phẳng và nguồn
sáng, sau đó nhân ma trận Model View với ma trận này
− Render lại vật chắn sáng ( lúc này đã được chuyển đổi qua
ma trận chiếu ) với màu đen, trong chế độ không có ánh sáng
Phục hồi ma trận Model View
3. Áp dụng kỹ thuật stencil
Phương trình mặt phẳng biểu điễn cho một mặt phẳng vô hạn trong khi
đó mặt phẳng hứng bóng lại là hữu hạn nên đôi khi bóng đổ ra ngoài
mặt phẳng hứng bóng, đòi hỏi phải sử dụng kỹ thuật stencil test để giải
quyết
Bóng đổ ra ngoài do chiếu xuống mặt phẳng trên lý thuyết là vô hạn
trong khi mặt hứng bóng trong thực tế lại hữu hạn
- 24 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
Đầu tiên ta render mặt phẳng hứng bóng vào stencil buffer với giá trị
stencil là 1 hay nói cách khác các điểm ảnh nằm trong mặt phẳng hứng
bóng sẽ có giá trị stencil là 1, sau đó chúng ta render bóng với điều kiện
là chỉ render bóng tại điểm ảnh nào có giá trị stencil là 1. Bóng được tạo
ra sẽ chỉ nằm trong vùng giới hạn bởi mặt phẳng hứng bóng mà không
được render ở các vùng nằm ngoài mặt phẳng hứng bóng
Thuật toán phát biểu như sau :
Đầu vào :
Một nguồn sáng điểm
Một mặt phẳng
Một vật chắn sáng
Thuật toán :
Tính toán ma trận Model View trong phép biến đổi view
tranform
Bật chế độ kiểm tra stencil, đặt hàm kiểm tra giá trị stencil là
luôn gán giá trị stencil = 1
Tính toán phương trình mặt phẳng, bật chế độ ánh sáng lên và
render mặt phẳng hứng bóng, vật chắn sáng
Lưu ma trận Model View
Tính toán ra ma trận chiếu từ phương trình mặt phẳng và nguồn
sáng, sau đó nhân ma trận Model View với ma trận này
Đặt hàm kiểm tra là chỉ thông qua khi giá trị stencil là 1
Render lại vật chắn sáng ( lúc này đã được chuyển đổi qua ma
trận chiếu ) với màu đen, trong chế độ không có ánh sáng
Phục hồi ma trận Model View
Tắt chế độ kiểm tra stencil
- 25 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
Chỉ render bóng ở nơi nào thuộc về mặt phẳng hứng bóng dùng kỹ
thuật stencil test
4. Các cải tiến quan trọng
Màu của bóng là đen và sẽ che mất nền do đó chúng ta phải blend bóng
với nền để cho ra bóng thực hơn
- 26 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
Bóng đổ lên nền gạch trông không thực vì bóng có màu đen và che
khuất các chi tiết của nền
Bóng đổ lên đã được blend đi để trông thực hơn
Bóng planar là hình chiếu của vật chắn sáng xuống mặt phẳng, tuy
nhiên do việc tính toán và làm tròn số trên số thực nên bóng không
hoàn toàn nằm trên mặt phẳng mà có phần của bóng nằm trên mặt
phẳng, có phần của bóng nằm dưới mặt phẳng gây ra hiện tượng chập
- 27 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
chờn chỗ thấy chỗ không, để giải quyết vấn đề này chúng ta phải tắt quá
trình kiểm tra depth test để cho bóng không bị nền che khuất.
Bóng planar có phần thấy và có phần không thấy do có phần nằm trên
và có phần nằm dưới mặt hứng bóng
Ma trận bóng luôn luôn được tính và bóng luôn được render lại ở mỗi
một khung hình, cho dù bóng không hề bị thay đổi. Để giải quyết vấn
đề này ta render toàn bộ bóng vào một texture mà đã được tạo ra từ
trước. Texture bóng này sẽ chỉ được tính lại khi bóng thay đổi (do mặt
hứng bóng hay vật chắn sáng hay nguồn sáng thay đổi), texture này
chúng ta có thể lưu lại dưới dạng texture có thành phần alpha, nó sẽ
được render trên bề mặt của mặt hứng bóng với kỹ thuật blend vì thế
những điểm ảnh nằm trong vùng bóng sẽ tối đi và các điểm ảnh nằm
ngoài vùng bóng không bị thay đổi
Áp ma trận chiếu vào vật thể chắn sáng đôi khi cũng cho ra bóng không
chính xác đó là khi nguồn sáng nằm giữa mặt phẳng hứng bóng và vật
thể chắn sáng. Trường hợp này đáng lẽ là không đổ bóng tuy nhiên khi
áp ma trận chiếu vào sẽ cho ra bóng đổ ngược để giải quyết vấn đề này
- 28 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
mỗi khi đổ bóng ta phải chọn các mặt phẳng để đổ bóng tương ứng với
1 nguồn sáng và vật chắn sáng, tuy nhiên điều này rất khó thực hiện cho
vật thể có số đa giác lớn
5. Ưu điểm
Planar shadow cài đặt khá đơn giản, bóng của vật thể tạo ra có độ chính
xác trên mặt phẳng hứng bóng tương ứng với nguồn sáng.
Chi phí tính toán cho bóng không cao nên không làm chậm tốc độ của
chương trình, đây là một ưu điểm lớn của planar shadow
Đối với bóng tạo với kỹ thuật stencil, nếu phần cứng có hỗ trợ stencil
buffer thì không ảnh hưởng tới tốc độ
6. Khuyết điểm
Chỉ tạo được bóng trên các mặt phẳng
Bóng của vật thể hình chiếu của vật thể nên có số lượng đa giác và độ
phức tạp và tốn chi phí render như nhau trong khi bóng trong thực tế
đơn giản hơn vật chắn sáng nhiều
Không có khả năng tự đổ bóng lên chính vật thể chắn sáng
7. Nhận xét
Thuật toán tạo bóng Planar Shadow tuy không cài đặt được trong một
thế giới có các đối tượng hình học phức tạp và các mặt cong, nhưng rất
phù hợp trong các thế giới có dạng hình khối như một căn phòng, toà
nhà, hay đổ bóng tĩnh của một vật thể lên sàn nhà, …
- 29 -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN TIN HỌC KHÓA 99
II. SHADOW VOLUME
1. Giới thiệu
Trong thực tế nhiều khi bóng đổ lên các bề mặt không phải là mặt
phẳng đòi hỏi phải có một kỹ thuật mạnh hơn kỹ thuật planar shadow
để tạo ra bóng trong trường hợp này đó là kỹ thuật tạo bóng dựa vào
vùng bóng (shadow volume)
Trong thế giới thực khi một vật thể chắn một nguồn sáng nó sẽ tạo ra
một vùng không gian không được chiếu sáng bởi nguồn sáng đó, vùng
không gian này này được gọi là shadow volume. Ý tưởng chính của
thuật toán tạo bóng dựa vào vùng bóng (shadow volume) là coi vùng
bóng là một volume
Thuật toán gồm 2 bước
Tính toán shadow volume được hình thành bởi nguồn sáng và tập
các vật chắn sáng
Xác định rằng một điểm nằm trên bề mặt hứng bóng được chiếu
sáng hay bị che bởi một hay nhiều vật thể chắn sáng , để làm
được điều này ta phải xác định xem điểm đó nằm trong hay ngoài
shadow volume. Nếu điểm đó nằm ngoài shadow volume nó
được chiếu sáng bởi nguồn sáng, còn nếu nằm trong shadow
volume nó không được chiếu sáng bởi nguồn sáng và tạo ra bóng
- 30 -
Tải về để xem bản đầy đủ
70 trang
23/07/2025
730
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nghiên cứu các thuật toán tạo bóng trong đồ họa ba chiều tương tác thời gian thực", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- luan_van_nghien_cuu_cac_thuat_toan_tao_bong_trong_do_hoa_ba.pdf
