Đồ án Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng shadow volume - Nguyễn Tiến Dũng

Nội dung text: Đồ án Tìm hiểu kỹ thuật tạo bóng cứng shadow volume - Nguyễn Tiến Dũng

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG o0o ISO 9001:2008 TÌM HIỂU KỸ THUẬT TẠO BÓNG CỨNG SHADOW VOLUME ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ Thông tin Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tiến Dũng Giáo viên hƣớng dẫn: PGS.TS. Đỗ Năng Toàn Mã số sinh viên: 1351010036 HẢI PHÒNG – 2013
2. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô khoa Công nghệ thông tin trường Đại học Dân Lập Hải Phòng, 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. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Đỗ Năng Toàn, người đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn chúng em thực hiện tốt đồ án 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 đồ án tốt nghiệp này. Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 1
3. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng Mục Lục LỜI NÓI ĐẦU 3 CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA BA CHIỀU VÀ BÀI TOÁN TẠO BÓNG 4 1.1. Khái quát về đồ họa 3 chiều 4 1.1.1. Hiển thị 3D(3D Viewing) 4 1.1.2 Bộ đệm và các phép kiểm tra 11 1.2 Bài toán tạo bóng 12 1.2.1 Bóng và các dạng nguồn sáng 12 1.2.2 Một số cách tiếp cận trong tạo bóng 17 CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT TẠO BÓNG CỨNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP SHADOW VOLUME 19 2.1 19 . 20 2.3 24 2.4 Tạo bóng khối bằng thuật toán Z-Pass. 27 2.5 Tạo bóng bằng thuật toán Z-Fail 30 2.5.1. Tất cả các mặt trƣớc của bóng từ vị trí điểm nhìn 31 2.5.2 Tất cả các mặt sau của bóng từ vị trí điểm nhìn 32 2.5.3. Vẽ bóng đậy nắp 2 đầu của khối 33 2.6 35 CHƢƠNG III: CHƢƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM 36 3.1 Bài toán 36 3.2 Phân tích, lựa chọn công cụ 36 3.2.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình 36 3.2.2 Lựa chọn công cụ 37 3.3 Kết quả chƣơng trình 37 KẾT LUẬN 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO: 39 Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 2
4. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng LỜI NÓI ĐẦU Đồ họa máy tính là một lĩnh vực phát triển nhanh nhất trong tin học. Nó đƣợc 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 ngƣời đầu tiên đặt nền bóng cho đồ họa 3D bằng việc phát minh ra thiết bị hiển thị trùm đầu (head-amounted display) đƣợc điều khiển bởi máy tính đầu tiên. Nó cho phép ngƣời nhìn có thể thấy đƣợc hình ảnh dƣới 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 đƣợc ứng dụng rộng rãi trong hầu hết tất cả các lĩnh vực nhƣ 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 nhƣ 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 tƣợng, các mô hình trong thế giới thật bằng máy tính sao cho càng giống với thật càng tốt. Việc nghiên cứu các phƣơng pháp các kỹ thuật khác nhau của đồ họa 3D cũng chỉ hƣớng đến một mục tiêu duy nhất đó là làm sao cho các nhân vật, các đối tƣợng, các mô hình đƣợc tạo ra trong máy tính giống thật nhất. Và một trong các phƣơng pháp đó chính là tạo bóng cho đối tƣợng. Xuất phát từ vấn đề này đồ án của em xây dựng gồm 3 chƣơng: CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA BA CHIỀU VÀ BÀI TOÁN TẠO BÓNG 3D, về biểu diễn điểm và các phép biến đổi . CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT TẠO BÓNG CỨNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP SHADOW VOLUME về Shadow Volume và các dạng nguồn sáng. CHƢƠNG 3: CHƢƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 3
5. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA BA CHIỀU VÀ BÀI TOÁN TẠO BÓNG 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 tƣợng trong thế giới thực phần lớn là các đối tƣợng 3 chiều còn thiết bị hiển thị chỉ 2 chiều. Do vậy, muốn có hình ảnh 3 chiều ta cần phải giả lập. Chiến lƣợc cơ bản là chuyển đổi từng bƣớc. Hình ảnh sẽ đƣợc hình thành từ từ, ngày càng chi tiết hơn. Các đối tƣợng trong mô hình 3D đƣợc xác định với tọa độ thế giới. Cùng với các tọa độ của đối tƣợng, ngƣời dùng cũng phải xác định vị trí và hƣớng của camera ảo trong không gian 3D và xác định vùng nhìn (là một vùng không gian đƣợc hiển thị trên màn hình) Việc chuyển từ các tọa độ thế giới sang tọa độ màn hình đƣợc thực hiện theo 3 bƣớc : Bƣớc đầu tiên thực hiện một phép biến đổi để đƣa camera ảo trở về vị trí và hƣớng tiêu chuẩn. Khi đó điểm nhìn (eyepoint) sẽ đƣợc đặt ở gốc tọa độ, hƣớng nhìn trùng với hƣớng 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 đƣợc 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, đƣợc gọi là phép biến đổi hiển thị (Viewing Transformation). Cả tọa độ thế giới và tọa độ mắt đều đƣợc biểu diễn bởi tọa độ đồng nhất (Homogeneous Coordinates) với w=1. Bƣớc thứ 2. Tọa độ mắt đƣợc chuyển qua tọa độ của thiết bị chuẩn hóa (Nomalized Device Coordinates) để cho vùng không gian mà ta muốn nhìn đƣợc đặt trong một khối lập phƣơng tiêu chuẩn: Các điểm ở gần điểm nhìn (điểm đặt camera) hơn sẽ có thành phần z nhỏ hơn. Bƣớc 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 x Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 4
6. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng 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) đƣợc chuyển sang đoạn [0,1] và sẽ đƣợc sử dụng nhƣ là giá trị chiều sâu (Depth-Value) trong thuật toán Z-Buffer (bộ đệm Z) đƣợc sử dụng cho việc xác định mặt sẽ đƣợc hiển thị. Bƣớc thứ 2 bao gồm 3 bƣớc con : - Một phép chiếu chuyển từ vùng nhìn sang 1 khối lập phƣơng tiêu chuẩn với tọa độ đồng nhất: 1 x 1, 1 y 1, 1 z 1. Trong trƣờng 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 trƣờng 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 đƣợc sau phép chiếu đƣợc gọi là hệ tọa độ cắt (Clipping Coordinate System). Phép chiếu sẽ là một phép biến đổi affine trong trƣờng 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) Bƣớc tiếp theo, các vùng của không gian hiển thị mà không nằm trong khối tiêu chuẩn đó (Khối này còn đƣợc gọi là khối nhìn tiêu chuẩn) sẽ bị cắt đi. Các đa giác, các đƣờng thẳng đƣợc chứa trong hoặc là có một phần ở trong sẽ đƣợc thay đổi để chỉ phần nằm trong khối nhìn tiêu chuẩn mới đƣợc giữ lại. Phần còn lại không cần quan tâm nhiều nữa. Sau khi cắt gọt, các tọa độ đồng nhất sẽ đƣợc 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 đƣợc gọi là phép chia phối cảnh (Perspective Division) Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 5
7. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng Hình 1.1: Tổng quan về hiển thị 3D và các phép chiếu. 1.1.1.2 Phép biến đổi hiển thị (Viewing Transformation) Phép biến đổi hiển thị sẽ đƣa một camera ảo đƣợc cho tùy ý về một camera với điểm nhìn trùng với gốc tọa độ và hƣớng nhìn dọc theo chiều âm của trục Z (xem hình 2.1) Trục Y sau phép biến đổi tƣơng 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 hƣớng V sẽ chỉ lên phía trên trong màn hình. Phép biển đổi hiển thị sẽ gồm 2 bƣớc: Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 6
8. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng ● Một phép tịnh tiến sẽ đƣa điểm nhìn E về gốc tọa độ. Ma trận biến đổi tƣơng ứng sẽ là M t ( E). Kết quả sẽ nhƣ sau: ● Một phép quay sẽ chuyển hƣớng nhìn ngƣợc về trục Z, quay vectơ V về mặt phẳng YZ. Vector sẽ chỉ đƣợc quay về trùng với trục Y nếu vuông góc với hƣớng nhìn. Trƣớc hết ta sẽ xây dựng tập các véc tơ chuẩn tắc phù hợp trong tọa độ thế giới. E R n Ngƣợc với hƣớng nhìn Z (Oz ) E R V n u Chỉ về phía phải, vuông góc với n X V n v n u Chỉ lên giống , nhƣng vuống góc với n và u Y Nhƣ vậy ma trận của phép quay sẽ là: M r (u,v,n) Và do đó ma trận của phép biến đổi sẽ là: Trong đó u,v và v đƣợc tính từ E , R và V Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 7
9. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng 1.1.1.3 Phép chiếu trực giao (Orthographic Projection) Trong trƣờng 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 thƣớc và vị trí của vùng không gian hiển thị đƣợc 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 đƣợc hiển thị trên đó. Cửa sổ này phải 2 đƣợc đƣa về dạng hình vuông [-1,+1] . zfront và zback định nghĩa 2 mặt phẳng cắt trƣớc 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 đƣợc đƣa 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. Hình 1.2 : Vùng không gian hiển thị của phép chiếu trực giao. Phép chiếu trực giao thu đƣợc bằng cách thực hiện các phép biến đổi sau theo thứ tự: ● Phép tịnh tiến M t ( M) sẽ đƣa tâm của vùng không gian hiển thị về gốc tọa độ của hệ tọa độ mắt. ● Một phép co giãn để đƣa kích thƣớc của vùng hiển thị về 2 đơn vị mỗi chiều. Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 8
10. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng ● Một phép đối xứng qua mặt XY để các điểm nằm gần hơn sẽ nhận giá trị z nhỏ hơn. Phép co giãn và phép đối xứng ở trên có thể thu đƣợc chỉ bằng một phép biển đổi đơn: M s (S) với: Nhƣ vậy ma trận của phép chiếu trực giao sẽ là: Thành phần z không thay đổi, bởi vì phép chiếu trực giao là một phép biến đổi affine. Phép chiếu này đƣợc sử dụng trong các ứng dụng cần đến các quan hệ hình học (các tỉ số khoảng cách) nhƣ là trong CAD. 1.1.1.4 Phép chiếu phối cảnh (Perspective Projection) Phép chiếu phối cảnh phù hợp và gần hơn với quan sát của con ngƣời (bằng một mắt) trong thế giới 3D. Tất cả các điểm trên một đƣờng thẳng đi qua điểm nhìn sẽ đƣợc ánh xạ lên cùng một điểm trong màn hình 2D. Điểm ảnh này đƣợc xác định bởi tọa độ thiết bị chuẩn hóa x và y. Nếu 2 điểm đƣợc ánh xạ vào cùng một điểm trên màn hình, ta cần phải xác định điểm nào sẽ đƣợc 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 (đƣợc đặt ở gốc tọa độ), nhƣng nó sẽ đƣợc tính toán đơn giản hơn và cũng đủ để xác định đƣợc các mặt sẽ đƣợc hiển thị. Nhƣ vậy, phép chiếu trực giao sẽ đƣa một điểm (với tọa độ đồng nhất) trong hệ tọa độ mắt (x,y,z,1) về một điểm (tọa độ đồng nhất) trong hệ tọa độ cắt (x’,y’,z’,w’). Sau đó các tọa độ của thiết bị chuẩn hóa (affine) (x”,y”,z”) sẽ thu đƣợc bằng cách chia x’,y’,z’ cho w’ (Phép chia phối cảnh): Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 9
11. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng Với phép chiếu phối cảnh, vùng không gian hiển thị là một hình tháp cụt với đầu mút là gốc tọa độ. Hình 1.3: Vùng không gian hiển thị của phép chiếu phối cảnh cân xứng (Symmetrical Perspective Projection) 1.1.1.5 Phép biến đổi cổng nhìn (Viewport Transformation) Phép biến đổi cổng nhìn chỉ gồm một phép tịnh tiến và một phép thay đổi tỉ lệ để: ● Tọa độ thiết bị chuẩn hóa (x, y) với 1 x 1, 1 y 1 đƣợc chuyển qua tọa độ pixel. ● Thành phần z với 1 z 1 đƣợc co lại trong đoạn 0 zw 1 . Giá trị zw này sẽ đƣợc sử dụng để loại bỏ những bề mặt bị ẩn. Những điểm có giá trị zw nhỏ sẽ nằm trƣớc những điểm có giá trị zw lớn hơn. Xây dựng ma trận biến đổi là công việc đơn giản. Tuy nhiên sẽ hiệu quả hơn nếu ta thực hiện phép biến đổi một cách trực tiếp: Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 10
12. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng 1.1.2 Bộ đệm và các phép kiểm tra Một mục đích quan trọng của hầu hết các chƣơng trình đồ họa là vẽ đƣợc các bức tranh ra màn hình. Màn hình là một mảng hình vuông của các pixel. Mỗi pixel đó có thể hiển thị đƣợc 1 màu nhất định. Sau các quá trình quét (bao gồm Texturing và fog ), dữ liệu chƣa trở thành pixel, nó vẫn chỉ là các “mảnh” (Fragments). Mỗi mảnh này chứa dữ liệu chung cho mỗi pixel bên trong nó nhƣ 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 trƣớc khi đƣợc vẽ ra màn hình. Nếu mảnh đó qua đƣợc các phép kiểm tra (test pass) thì nó sẽ trở thành các pixel. Để vẽ các pixel này, ta cần phải biết đƣợc màu sắc của chúng là gì, và thông tin về màu sắc của mỗi pixel đƣợc lƣu trong bộ đệm màu (Color Buffer). Nơi lƣu trữ dữ liệu cho từng pixel xuất hiện trên màn hình đƣợc gọi là bộ đệm (Buffer). Các bộ đệm khác nhau sẽ chƣa một loại dữ liệu khác nhau cho pixel và bộ nhớ cho mỗi pixel có thể sẽ khác nhau giữa các bộ đệm. Nhƣng trong một bộ đệm thì 2 pixel bất kỳ sẽ đƣợc cấp cùng một lƣợng bộ nhớ giống nhau. Một bộ đệm mà lƣu trữ một bít thông tin cho mỗi pixel đƣợc gọi là một bitplane. Có các bộ đệm phổ biến nhƣ Color Buffer, Depth Buffer, Stencil Buffer, Accumulation Buffer. 1.1.2.1. Bộ đệm chiều sâu (Z-Buffer) a. Khái niệm: Là bộ đệm lƣu trữ giá trị chiều sâu cho từng Pixel. Nó đƣợc dùng trong việc loại bỏ các bề mặt ẩn. Giả sử 2 điểm sau các phép chiếu đƣợc ánh xạ vào cùng một pixel trên màn hình. Nhƣ vậy điểm nào có giá trị chiều sâu (z) nhỏ hơn sẽ đƣợc viết đè lên điểm có giá trị chiều sâu lớn hơn. Chính vì vậy nên ta gọi bộ đệm này là Z-buffer. b. Depth test: Với mỗi pixel trên màn hình, bộ đệm chiều sâu lƣu khoảng cách vuông góc từ điểm nhìn đến pixel đó. Nên nếu giá trị chiều sâu của một điểm đƣợc ánh xạ vào pixel đó nhỏ hơn giá trị đƣợc lƣu trong bộ đêm chiều sâu thì điểm này đƣợc coi là qua Depth test (depth test pass) và giá trị chiều sâu của nó đƣợc Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 11
13. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng thay thế cho giá trị lƣu trong bộ đệm. Nếu giá trị chiều sâu của điểm đó lớn hơn giá trị lƣu trong Depth Buffer thì điểm đó “trƣợt” phép kiểm tra chiều sâu. (Depth test Fail) 1.1.2.2. Bộ đệm khuôn (Stencil Buffer) a. Khái niệm: Bộ đệm khuôn dùng để giới hạn một vùng nhất định nào đó trong khung cảnh. Hay nói cách khác nó đánh dấu một vùng nào đó trên màn hình. Bộ đệm này đƣợc sử dụng để tạo ra bóng hoặc để tạo ra ảnh phản xạ của một vật thể qua gƣơng b. Stencil Test: Phép kiểm tra Stencil chỉ đƣợc thực hiện khi có bộ đệm khuôn. (Nếu không có bộ đệm khuôn thì phép kiểm tra Stencil đƣợc coi là luôn pass). Phép kiểm tra Stencil sẽ so sánh giá trị lƣu trong Stencil Buffer tại một Pixel với một giá trị tham chiếu theo một hàm so sánh cho trƣớc nào đó. OpenGL cung cấp các hàm nhƣ là GL_NEVER, GL_ALWAYS, GL_LESS, GL_LEQUAL, GL_EQUAL, GL_GEQUAL, GL_GREATER hay là GL_NOTEQUAL. Giả sử hàm so sánh là GL_LESS, một “mảnh” (Fragments) đƣợc coi là qua phép kiểm tra (pass) nếu nhƣ giá trị tham chiếu nhỏ hơn giá trị lƣu trong Stencil Buffer. Ngoài ra OpenGL còn hỗ trợ một hàm là glStencilOp(GLenum fail, GLenum zfail, GLenum zpass); Hàm này xác định dữ liệu trong stencil Buffer sẽ thay đổi thế nào nếu nhƣ một “mảnh” pass hay fail phép kiểm tra stencil. 3 hàm fail, zfail và zpass có thể là GL_KEEP, GL_ZERO, GL_REPLACE, GL_INCR, GL_DECR Chúng tƣơng ứng với giữ nguyên giá trị hiện tại, thay thế nó với 0, thay thế nó bởi một giá trị tham chiếu, tăng và giảm giá trị lƣu trong stencil buffer. Hàm fail sẽ đƣợc sử dụng nếu nhƣ “mảnh” đó fail stencil test. Nếu nó pass thì hàm zfail sẽ đƣợc dùng nếu Depth test fail và tƣơng tự, zpass đƣợc dùng nếu nhƣ Depth test pass hoặc nếu không có phép kiểm tra độ sâu nào đƣợc thực hiện. Mặc định cả 3 tham số này là GL_KEEP. 1.2 Bài toán tạo bóng 1.2.1 Bóng và các dạng nguồn sáng 1.2.1.1 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” Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 12
14. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng Bóng là một trong những yếu tố quan trọng nhất của tri giác con ngƣời về việc nhận biết các vật thể trong thế giới 3 chiều. Bóng giúp cho ta nhận biết đƣợc vị trí tƣơng đối của vật đổ bóng (occluder) với mặt nhận bóng (receiver), nhận biết đƣợc kích thƣớc và dạng hình học của cả vật đổ bóng và mặt nhận bóng. Hình 1.4: Bóng cung cấp thông tin về vị trí tương đối của vật thể. Với ảnh ở bên trái ta không thể biết được vị trí của con rối. Nhưng với lần lượt 3 ảnh ở bên phải ta thấy vị khoảng cách của chúng so với mặt đất xa dần. Hình 1.5: Bóng cung cấp thông tin về dạng hình học của mặt tiếp nhận. Hình bên trái ta không thể biết được dạng hình học của mặt tiếp nhận, còn mặt bên phải thì dễ dàng thấy được. Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 13
15. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng Hình 1.6: Bóng cung cấp thông tin về dạng hình học của con rối. Hình bên trái con rối cầm đồ chơi, ở giữa nó cầm cái vòng, và bên phải nó cầm cái ấm trà. 1.2.1.2 Phân loại bóng Hầu hết các thuật toán và các phƣơng pháp tạo bóng đều có thể đƣợc chia làm 2 loại chính là bóng cứng (Hard shadow) và bóng mềm (Soft shadow), phụ thuộc vào loại bóng mà nó tạo ra. Vùng bóng đƣợc hiển thị đƣợc chia làm 2 phần phân biệt: Phần chính mà nằm hoàn toàn trong bóng đƣợc gọi là vùng bóng, vùng bao bên ngoài nó và có một phần nằm trong bóng đƣợc gọi là vùng nửa bóng. Các thuật toán tạo bóng cứng là nhị phần vi mọi thứ đều chỉ có 2 trạng thái là bóng(1) và đƣợc chiếu sáng (0) – Chúng chỉ hiển thị duy nhất phần bóng của bóng. Các thuật toán tạo bóng mềm hiển thị vùng nửa bóng bên ngoài vùng bóng trung tâm và phải xử lý tính toán phần mờ đục .(Kết quả từ sự phân bố cƣờng độ ánh sáng bất quy tắc trong vùng nửa bóng) Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 14
16. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng 1.7 . 1.2.1.3 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 hƣớng 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 đƣợc tắt bật từng cái giống nhƣ 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 đƣợc tính toán độc lập với nhau, và cuối cùng đƣợc kết hợp lại với nhau. Ambient Light là ánh sáng bị phân rã bởi môi trƣờng và không thể xác định hƣớng của chúng. Nếu trong một khung cảnh ta không xác định nguồn sáng thì kết quả đƣa ra cũng giống nhƣ khi chúng ta sử dụng Ambient Light. Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 15
17. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng Hình 1.8: Chiếc ấm được chiếu bằng Ambient Light. Diffuse Light (ánh sáng khuếch tán) là ánh sáng chiếu theo một hƣớng nhất, tuy nhiên khi nó gặp một bề mặt nó sẽ bị phân rã bằng nhau về mọi hƣớng, 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 hƣớng nhất định đều có thành phần Diffuse Light. Hình 1.9: Ấm chè được chiều bằng 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 đƣợc nhìn thấy trên những bề mặt cong. Ánh sáng xung quanh là mức sáng trung bình, tồn tại trong một vùng không gian. Một không gian lý tƣởng là không gian mà tại đó mọi vật đều đƣợc cung cấp một lƣợng ánh sáng lên bề mặt là nhƣ nhau, từ mọi phía ở mọi nơi. Thông thƣờng ánh sáng xung quanh đƣợc xác định với một mức cụ thể gọi là mức sáng xung quanh của vùng không gian mà vật thể đó cƣ ngụ, sau đó ta cộng với cƣờng độ sáng có đƣợc từ các nguồn sáng khác để có đƣợc cƣờng độ sáng cuối cùng lên một điểm hay một mặt của vật thể Nguồn sáng định hƣớng giống nhƣ những gì mà mặt trời cung cấp cho chúng ta. Nó bao gồm một tập các tia sáng song song, bất kể cƣờng độ của chúng có giống Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 16
18. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng nhau hay không. Có hai loại kết quả của ánh sáng định hƣớng khi chúng chiếu đến bề mặt là: khuyếch tán và phản chiếu. Nếu bề mặt phản xạ toàn bộ (giống nhƣ mặt gƣơng) thì các tia phản xạ sẽ có hƣớng ngƣợc với hƣớng của góc tới (Hình 8.1). Trong trƣờng hợp ngƣợc 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 hƣớng khác hay bị hấp thụ, phần còn lại thì phản xạ lại, và lƣợng ánh sáng phản xạ lại này tỷ lệ với góc tới. Ở đây chúng ta sẽ quan tâm đến hiện tƣợng phản xạ không toàn phần vì đây là hiện tƣợng phổ biến (vì chỉ có những đối tƣợng đƣợc cấu tạo từ những mặt nhƣ mặt gƣơng mới xảy ra hiện tƣợng phản xạ toàn phần), và đồng thời tìm cách tính cƣờng độ của ánh sáng phản xạ trên bề mặt. 1.2.2 Một số cách tiếp cận trong tạo bóng 1.2.2.1. 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 trƣờng hợp đặc biệt tạo bóng không đúng đắn bằng các phƣơng pháp toán học. Những kĩ thuật này chỉ đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp đăc biệt(ví dụ nhƣ bóng chỉ vẽ cho những đối tƣợng đặc biệt, hay là bóng chỉ đƣợc vẽ lên một mặt phẳng ). Tuy nhiên phƣơng 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 đƣợc 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 đƣợc 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 tƣởng chủ yếu là sử dụng bản đồ chiều sâu (hay còn gọi là bản đồ bóng) để lƣu 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 đƣợc chiếu sáng hay nằm trong bóng. Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 17
19. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng - Lần theo tia sáng (Ray Tracing) : với mỗi tia sáng đi ra từ mắt ta vào không gian là một đƣờng thẳng sẽ cắt vào cửa sổ (màn hình) và chạm vào vật thể trong không gian (gần nhất từ mắt). Tại điểm chạm vào vật thể đó thì tùy mỗi điểm chạm ở vật thể đó có tính chất nhƣ thế nào mà ta chia ra các tia sáng khác nhau. 1.2.2.2. Tạo bóng mềm . : - khung (Frame Buffer Algorithms): . - (Distributed and Bidirectional Ray Tracing) : - . - nâng cao (Radiosity): . Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 18
20. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT TẠO BÓNG CỨNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP SHADOW VOLUME 2.1 . 2.1 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 lƣới 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 đƣợc lấy từ một mô hình WireFrame, trong đó nó thể hiện hình dạng của đối tƣợng 3D bằng 2 danh sách: Danh sách các đỉnh: Lƣu tọa độ các đỉnh. Danh sách các cạnh: Lƣu các cặp điểm đầu và cuối của từng cạnh. Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 19
21. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng Trong đó các đỉnh và các cạnh đƣợc đánh số thứ tự cho thích hợp. Hình 2.2: Biểu diễn của một căn nhà. Ngoài ra còn có thể lấy từ file .obj đƣợc tạo ra khi ta sử dụng các công cụ xây dựng mô hình 3D nhƣ Google Sketchup, 3DSmax . 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 đƣợc 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 tƣởng để tạo ra bóng khối là ta sẽ xây dựng một lƣới các đa giác bao quanh vùng bóng khối mà vật thể tạo ra do đƣợc chiếu sáng. Để làm đƣợc 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. Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 20
22. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng Hình 2.3: Cạnh viền (Silhouette Edge) được tô đỏ. Hình 2.4: Khi nhìn từ vị trí của nguồn sáng ta sẽ không thấy bóng và rất dễ để xác định cạnh và đỉnh viền. Để tìm đƣợc các cạnh viền này, trƣớc tiên ta cần xác định mặt nào của vật thể sẽ đƣợc 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 phƣơng trình của mặt phẳng. Ta chỉ việc thay tọa độ nguồn sáng vào phƣơng 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 đƣợc chiếu sáng. Thủ tục xác định mặt đƣợc chiếu sáng sẽ nhƣ sau: Gọi P[i](x,y,z) = a*x + b*y + c*z + d là phƣơng trình của mặt thứ i của vật thể. L = (Lx, Ly, Lz) là vị trí của nguồn sáng. n: Số mặt của vật thể Procedure VisiblePlaneTest( ) Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 21
23. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng Begin Side: interger; For i = 0 to n do Begin Side =a*Lx + b*Ly + c*Lz + d; if (Side>0) then P[i].visible = True else P[i].visible = False; End End Mỗi cạnh sẽ có 2 mặt chứa nó, mỗi cạnh viền sẽ phải có một đa giác kề đƣợc chiếu tới bởi ánh sáng và một thì bị che. Bởi vì nếu cả 2 đa giác đó đều đƣợc chiếu sáng hoặc là cả 2 đều bị che thì cạnh đó sẽ không phải là cạnh viền. Khi đó ta có thuật toán tìm danh sách các cạnh viền dƣới dạng mã giả nhƣ sau: Gọi P[i] là đa giác thứ i của vật thể. n: là số đa giác. Procedure Danhsachcanhvien() Begin for i = 0 to n do // Kiểm tra tất cả các đa giác. if (P[i].visible = true} // Nếu mặt chứa đa giác đó đƣợc chiếu sáng Begin for {tất cả cạnh của đa giác} do if {cạnh đó đã có ở trong danh sách cạnh viền} - Loại bỏ nó ra khỏi danh sách. else - Thêm cạnh đó vào danh sách. End; End; Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 22
24. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng Code tìm danh sách cạnh viền for(int ring=1; ring<torusPrecision+1; ring++) { for(int i=0; i<torusPrecision+1; i++) { vertices[ring*(torusPrecision+1)+i].position=vertices[i].position.GetRotated Y(ring*360.0f/torusPrecision); vertices[ring*(torusPrecision+1)+i].normal=vertices[i].normal.GetRotatedY( ring*360.0f/torusPrecision); } } //calculate the indices for(int ring=0; ring<torusPrecision; ring++) { for(int i=0; i<torusPrecision; i++) { indices[((ring*torusPrecision+i)*2)*3+0]=ring*(torusPrecision+1)+i; indices[((ring*torusPrecision+i)*2)*3+1]=(ring+1)*(torusPrecision+1)+i; indices[((ring*torusPrecision+i)*2)*3+2]=ring*(torusPrecision+1)+i+1; indices[((ring*torusPrecision+i)*2+1)*3+0]=ring*(torusPrecision+1)+i+1; indices[((ring*torusPrecision+i)*2+1)*3+1]=(ring+1)*(torusPrecision+1)+i; indices[((ring*torusPrecision+i)*2+1)*3+2]=(ring+1)*(torusPrecision+1)+i+ 1; } } //Calculate the plane equation for each face Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 23
25. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng planeEquations=new PLANE[numTriangles]; if(!planeEquations) { errorLog.OutputError("Unable to allocate memory for %d planes", numTriangles); return false; } for(unsigned int j=0; j<numTriangles; ++j) { planeEquations[j].SetFromPoints(vertices[indices[j*3+0]].position, vertices[indices[j*3+1]].position, vertices[indices[j*3+2]].position); } 2.3 Khi chúng ta đã có danh sách các cạnh viền rồi, chúng ta sẽ tạo ra bóng khối bằng cách xây dựng các tứ giác từ mỗi cạnh viền đó dựa vào vị trí của nguồn sáng. 2 đỉnh đầu của tứ giác là 2 đỉnh của cạnh viền. 2 đỉnh tiếp theo sẽ nằm trên 2 đƣờng thẳng nối giữa nguồn sáng và 2 đỉnh đầu. 2 đỉnh này theo lý thuyết sẽ đƣợc chiếu ra vô cực nhƣng nhƣ thế sẽ không cần thiết vì thế ta sẽ chỉ cho chúng các giá trị tọa độ lớn là đƣợc. v1 và v2 là 2 đỉnh của một cạnh viền bất kỳ trong danh sách. L là vị trí của nguồn sáng. v3 và v4 sẽ là 2 điểm cần tìm tọa độ để tạo ra tứ giác. Const He_so_chieu 100 //Hệ số chiếu này là một số lớn. v3.x = (v1.x - L.x) * He_so_chieu; v3.y = (v1.y - L.y) * He_so_chieu; v3.z = (v1.z - L.z) * He_so_chieu; v4.x = (v2.x - L.x) * He_so_chieu; Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 24
26. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng v4.y = (v2.y - L.y) * He_so_chieu; v4.z = (v2.z - L.z) * He_so_chieu; 2.5 . Từ các điểm này ta sẽ vẽ đƣợc các tứ giác bao ngoài bóng khối. Vấn đề còn lại cần phải giải quyết với bóng khối là phải “đậy nắp” (Capping) 2 đầu của khối lại để nó trở thành một khối kín. Lúc đó ta có thể thực hiện các phép kiểm tra một cách chính xác nhất. Để “nấp” phía trƣớc thì đơn giản là ta dùng luôn các mặt trƣớc của vật thể đối với vị trí của ánh sáng. Nấp mặt sau thì ta chỉ cần chiếu từng mặt sau của vật thể với ánh sáng đó ra vô cực. Phần này không cần thiết lắm bởi vì ta đã chiếu nó ra gần nhƣ là vô cực. Nên những điểm đó không cần xét đến nhiều. 2.6 Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 25
27. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng Code để xác định các tứ giác bao quanh bóng khối isFacingLight=new bool[numTriangles]; if(!isFacingLight) { errorLog.OutputError("Unable to allocate memory for %d booleans", numTriangles); return false; } //Create space for connectivity data neighbourIndices=new GLint[numTriangles*3]; if(!neighbourIndices) { errorLog.OutputError("Unable to allocate memory for %d neighbour indices", numTriangles*3); return false; } //Create space for "is silhouette edge" booleans isSilhouetteEdge=new bool[numTriangles*3]; if(!isSilhouetteEdge) { errorLog.OutputError("Unable to allocate memory for %d booleans", numTriangles*3); return false; } //Calculate the neighbours SetConnectivity(); return true; } Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 26
28. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng 2.4 Tạo bóng khối bằng thuật toán Z-Pass. Để xác định xem đoạn đó cắt bao nhiêu mặt trƣớc, bao nhiêu mặt sau ta sẽ dùng một bộ đếm cho mỗi điểm cần kiểm tra, mà sẽ tăng lên 1 đơn vị khi nó đi xuyên qua một mặt trƣớc và giảm đi một đơn vị nếu nó đi xuyên qua một mặt sau của bóng khối. Khi đó nếu bộ đếm cho giá trị bằng 0 thì điểm đó không nằm trong phần bóng, Còn nếu nó lớn hơn 0 thì có nghĩa là điểm này nằm trong vùng bóng và sẽ không đƣợc đƣợc vẽ ra. Và Stencil Buffer sẽ thực hiện điều đó. Stencil Buffer sẽ cung cấp cho mỗi pixel trên màn hình một “bộ đếm” và chúng ta có thể tăng và giảm nó khi pixel đó đƣợc ghi vào trong Frame Buffer. Sau đó chúng ta hoàn toàn có thể kiểm tra bộ đếm đó để xác định xem điểm đó sẽ đƣợc ghi ra màn hình hay không. Khi ta đã tạo đƣợc lƣới các đa giác bao ngoài bóng khối. Chúng ta phải thực sự vẽ bóng của vật thể ra, hay nói chính xác là vẽ ra vật thể cùng với bóng của nó. Để làm đƣợc việc đó ta phải xác định đƣợc một pixel có nằm trong vùng bóng khối đó hay không. Thuật toán xác định một pixel có nằm trong vùng bóng khối đó hay không khá đơn giản. Tƣ tƣởng của nó là, nối điểm cần kiểm tra với điểm đặt camera (mắt nhìn). Nếu số mặt trƣớc và số mặt sau của bóng khối mà nó cắt bằng nhau thì điểm đó không nằm trong vùng bóng khối. Nếu nó cắt số mặt trƣớc của bóng khối nhiều hơn số mặt sau mà nó cắt thì có nghĩa là điểm đó nằm trong vùng bóng khối. Thuật toán sẽ đƣợc mô tả bằng mã giả nhƣ sau: Procedure IN_SHADOW_TEST // Z-pass For {tất cả các vật thể cần đổ bóng} do - Xây dựng danh sách các cạnh viền. - Tính toán các tứ giác bao quanh bóng khối dựa trên các cạnh viền và từ vị trí của nguồn sáng. End for For {Tất cả các mặt trƣớc của bóng khối nhìn từ vị trí của điểm nhìn} do if Depth test passes then - Tăng giá trị Stencil Buffer. End if End for Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 27
29. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng For {Tất cả các mặt sau của bóng khối nhìn từ vị trí của điểm nhìn} do if Depth test passes then - Giảm giá trị Stencil Buffer. End if End for 2.7 . 2.8 . Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 28
30. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng 2.9 . 2.10 : Không . Các bƣớc thực hiện nhƣ sau: Xóa hết trong Z-buffer và Stencil-Buffer, Chắc chắn rằng Chế độ ghi vào Z- buffer và chế độ Stencil test đƣợc bật. - Tạo ảnh của toàn bộ khung cảnh (bao gồm vật thể và các mặt hứng bóng) với Ambient Light để cho Z-buffer đƣợc cập nhật. - Tắt chế độ ghi vào Z-buffer. - Vẽ ra các mặt trƣớc của bóng khối, Nếu chúng thực sự đƣợc vẽ ra. (Có nghĩa là Depth Pass) thì tăng giá trị Stencil Buffer. Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 29
31. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng - Vẽ các mặt sau của bóng khối, Nếu chúng thực sự đƣợc vẽ ra.(Có nghĩa là Depth Pass) thì giảm giá trị Stencil Buffer. - Bật chế độ Stencil test (chỉ những điểm có giá trị Stencil = 0 mới đƣợc vẽ ra màn hình), Xóa Z-buffer, bật chế độ ghi vào Z-buffer, bật nguồn sáng. - Vẽ ra toàn bộ khung cảnh những điểm có giá trị trong stencil Buffer là 0. 2.5 Tạo bóng bằng thuật toán Z-Fail Thuật toán Z-Pass ở trên có một nhƣợc điểm rất lớn là chƣa xử lý đƣợc trƣờng hợp khi điểm nhìn (viewpoint) nằm ở trong vùng bóng khối. Có 3 giải pháp để xử lý trƣờng hợp này: Trừ giá trị của Stencil Buffer 1 đơn vị cho phần bóng khối mà điểm nhìn nằm trong (trong trƣờng hợp có nhiều vật thể). Tuy nhiên nếu làm nhƣ thế này thì chi phí tính toán sẽ rất đắt. Tạo một mặt phẳng nằm trƣớc và rất gần điểm nhìn cho mỗi phần bóng khối mà điểm nhìn nằm trong đó. Cách này cũng vậy, khá phức tạp và chi phí tính toán cũng đắt. Cách thứ 3 là sử dụng thuật toán Z-Fail do. Thay vì tính toán giá trị Stencil bằng việc tăng các mặt trƣớc của bóng khối và giảm giá trị của các mặt sau khi Z- Buffer Pass, toàn bộ quá trình sẽ đƣợc thay đổi để đếm từ vô cực thay vì đếm từ điểm nhìn. Vì thế thuật toán này còn gọi là Z-Fails. Thuật toán Z-fail đƣợc thể hiện bằng đoạn mã giả sau: Procedure IN_SHADOW_TEST // Z-fail For {tất cả các vật thể cần đổ bóng} do - Xây dựng danh sách các cạnh viền. - Tính toán các tứ giác bao quanh bóng khối dựa trên các cạnh viền và từ vị trí của nguồn sáng. End for For {Tất cả các mặt trƣớc của bóng khối nhìn từ vị trí của điểm nhìn} do if Depth test fails then - Giảm giá trị Stencil Buffer. End if Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 30
32. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng End for For {Tất cả các mặt sau của bóng khối nhìn từ vị trí của điểm nhìn} if Depth test fails then - Tăng giá trị Stencil Buffer. End if End for 2.5.1. Tất cả các mặt trƣớc của bóng từ vị trí điểm nhìn Void SHADOW_MODEL::SetConnectivity() { //set the neighbour indices to be -1 for(unsigned int i=0; i<numTriangles*3; ++i) neighbourIndices[i]=-1; //loop through triangles for(unsigned int i=0; i<numTriangles-1; ++i) { //loop through edges on the first triangle for(int edgeI=0; edgeI<3; ++edgeI) { //continue if this edge already has a neighbour set if(neighbourIndices[i*3+edgeI]!=-1) continue; //loop through triangles with greater indices than this one for(unsigned int j=i+1; j<numTriangles; ++j) { //loop through edges on triangle j for(int edgeJ=0; edgeJ<3; ++edgeJ) { Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 31
33. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng //get the vertex indices on each edge int edgeI1=indices[i*3+edgeI]; int edgeI2=indices[i*3+(edgeI+1)%3]; int edgeJ1=indices[j*3+edgeJ]; int edgeJ2=indices[j*3+(edgeJ+1)%3]; //if these are the same (possibly reversed order), these faces are neighbours if( (edgeI1==edgeJ1 && edgeI2==edgeJ2) ||(edgeI1==edgeJ2 && edgeI2==edgeJ1)) { neighbourIndices[i*3+edgeI]=j; neighbourIndices[j*3+edgeJ]=i; } 2.5.2 Tất cả các mặt sau của bóng từ vị trí điểm nhìn VoidSHADOW_MODEL::CalculateSilhouetteEdges(VECTOR3D lightPosition) { //Calculate which faces face the light for(unsigned int i=0; i<numTriangles; ++i) { if(planeEquations[i].ClassifyPoint(lightPosition)==POINT_IN_FRONT_OF _PLANE) isFacingLight[i]=true; else isFacingLight[i]=false; } //loop through edges for(unsigned int i=0; i<numTriangles*3; ++i) { //if this face is not facing the light, not a silhouette edge Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 32
34. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng if(!isFacingLight[i/3]) { isSilhouetteEdge[i]=0; continue; } //this face is facing the light //if the neighbouring face is not facing the light, or there is no neighbouring face, //then this is a silhouette edge if(neighbourIndices[i]==-1 || !isFacingLight[neighbourIndices[i]]) { isSilhouetteEdge[i]=1; continue; } isSilhouetteEdge[i]=0; } } 2.5.3. Vẽ bóng đậy nắp 2 đầu của khối Void SHADOW_MODEL::DrawInfiniteShadowVolume(VECTOR3D lightPosition, bool drawCaps) { glBegin(GL_QUADS); { for(unsigned int i=0; i<numTriangles; ++i) { //if this face does not face the light, continue if(!isFacingLight[i]) continue; //Loop through edges on this face for(int j=0; j<3; ++j) Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 33
35. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng { //Draw the shadow volume "edge" if this is a silhouette edge if(isSilhouetteEdge[i*3+j]) { VECTOR3D vertex1=vertices[indices[i*3+j]].position; VECTOR3D vertex2=vertices[indices[i*3+(j+1)%3]].position; glVertex3fv(vertex2); glVertex3fv(vertex1); glVertex4f(vertex1.x-lightPosition.x, vertex1.y-lightPosition.y, vertex1.z-lightPosition.z, 0.0f); glVertex4f( vertex2.x-lightPosition.x, vertex2.y-lightPosition.y, vertex2.z-lightPosition.z, 0.0f); } } } } glEnd(); //Draw caps if required if(drawCaps) { glBegin(GL_TRIANGLES); { for(unsigned int i=0; i<numTriangles; ++i) { for(int j=0; j<3; ++j) { VECTOR3D vertex=vertices[indices[i*3+j]].position; Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 34
36. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng if(isFacingLight[i]) glVertex3fv(vertex); else glVertex4f( vertex.x-lightPosition.x, vertex.y-lightPosition.y, vertex.z-lightPosition.z, 0.0f); } } glEnd(); } 2.6 -Pass -fail (Cap) . ) Nhanh hơn Z-fail. Nhƣợc điểm -pass. . . (Self-shadow) . . (Self-Shadow) Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 35
37. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng CHƢƠNG III: CHƢƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM 3.1 Bài toán Chƣơng trình ứng dụng kỹ thuật tạo bóng cứng minh họa cho kết quả đề tài sử dụng ngôn ngữ lập trình visual c.net và chạy trên môi trƣờng window.Đầu vào của chƣơng trình là 4 tori quay quanh 1 điểm sáng. 3.2 Phân tích, lựa chọn công cụ 3.2.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Phần quan trọng của VS .NET là các công nghệ mới với trung tâm là .NET Framework - tập các tính năng Windows đƣợc xây dựng trên nền tảng môi trƣờng thực thi ngôn ngữ chung (CLR – Common Language Runtime), trên đó là các lớp thƣ viện dùng để xây dựng ứng dụng Windows, ứng dụng web và dịch vụ web XML. Tất cả ngôn ngữ .NET đều đƣợc dịch sang dạng ngôn ngữ trung gian của Microsoft (MSIL – Microsoft Intermediate Language) trƣớc rồi mới đƣợc dịch sang dạng mã thực thi bởi một trình dịch JIT (Just – in Time) trên nền .NET. CLR và MSIL cho phép tất cả các ngôn ngữ .NET làm việc với nhau. Ví dụ bạn có thể dùng một lớp C# kế thừa từ một đối tƣợng COM C++/ATL, lớp này lại có thể bắt lỗi từ một chƣơng trình Vbasic. Nhờ có sự hỗ trợ từ cấp hệ thống cho phép tích hợp đa ngôn ngữ, bạn có thể chạy từng bƣớc để bẫy lỗi qua cả 3 ngôn ngữ trong cùng một môi trƣờng phát triển ứng dụng VS.NET. Trình dịch JIT cung cấp thêm khả năng bảo mật, tính an toàn lúc thực thi và khả năng chạy trên nhiều nền tảng (Microsoft cho biết sẽ dùng một tập con chuẩn hoá của .NET Framework - đƣợc gọi là nền tảng ngôn ngữ chung” - để xây dựng một thể hiện trên FreeBSD). Nếu trình JIT cho mã ngôn ngữ trung gian làm bạn liên tƣởng đến Java thì cũng đừng hoang mang, Microsoft đã lẳng lặng dùng ngôn ngữ trung gian trong Vbasic và hầu hết các phần mềm ứng dụng của mình (kể cả Office)từ nhiều năm qua. C# một ngôn ngữ phát triển từ C++ có nhiều nét giống Java, đƣợc đƣa vào VS.NET là Visual C#.NET. Tƣơng tự, ngôn ngữ Visual C++ quen thuộc đƣợc đóng gói vào VS.NET là Visual C++.NET bao gồm phần C++ truyền thống dùng cho ứng dụng độc lập với phần mở rông để dùng với nền .NET. Về phần VB.NET, đây là một cải tiến và không tƣơng thích hoàn toàn với các phiên bản Vbasic. Tuy nhiên dƣờng nhƣ những tính năng mới đã bù đắp khá nhiều cho sự không tƣơng thích. Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 36
38. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng 3.2.2 Lựa chọn công cụ Mô tả: Dự án này sẽ hiển thị bốn Tori xoay quanh một điểm ánh sáng nguồn. Mỗi casts Shadows trên khác Tori và trên tƣờng. Hiệu quả là đã đạt đƣợc trong ba qua: 1. Vẽ toàn bộ cảnh lit của ambient và một lƣợng nhỏ diffuse ánh sáng. Điều này cũng vƣợt qua đặt giá trị chiều sâu cho nhìn thấy cảnh. 2. Vẽ khối tin vào bóng tối stencil buffer. Theo mặc định, bóng tối khối tin, sử dụng "zFail" kỹ thuật, với một infinite clip bay xa, nhƣ đƣợc mô tả trong "mạnh mẽ Stenciled Shadow volumes" giấy. 3. Vẽ cảnh lit với đầy đủ diffuse và specular, trong khu vực unshadowed (nơi stencil == 0). Yêu cầu: Đối với hai bên-stencil Shadows: EXT_stencil_two_side: khối lƣợng bóng tối có thể đƣợc rút ra chỉ một lần cho từng đối tƣợng, chứ không phải hai lần. Phần cứng sẽ tăng / giảm các bộ đệm stencil trên cơ sở đó chỉ đạo các đa giác đang phải đối mặt. EXT_stencil_wrap Đối với khối lƣợng chƣơng trình vertex phun ra: ARB_vertex_program: Một chƣơng trình đơn giản tính toán đỉnh điểm giữa đỉnh bình thƣờng và vector ánh sáng, và nếu điều này là tiêu cực, đỉnh đƣợc dự đi đến vô cùng. Do thiếu các vị trí bất biến giữa các chƣơng trình đỉnh và các đƣờng ống dẫn tiêu chuẩn, chƣơng trình này để làm đƣờng truyền ánh sáng. 3.3 Kết quả chƣơng trình - Click vào biểu tƣợng hình ảnh để chuyển hƣớng quan sát bóng. - Khi các tori chạy quanh điểm sáng, bóng của nó sẽ song song đƣợc chiếu lên 4 bức tƣờng xung quanh, - Hình ảnh bóng rõ, cho ta cảm giác thật Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 37
39. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 38
40. Đồ án tốt nghiệp Trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng KẾT LUẬN Ngày nay với triển vƣợt bậc của công nghệ thông tin đặc biệt là đồ họa 3D đã cho ra đời những sản phẩm công nghệ có chất lƣợng,những hình ảnh sống động trong thế giới ảo.Và kỹ thuật tạo bóng cứng trong đồ họa 3D là một điển hình mà đại diện là kỹ thuật tạo bóng khối.Kỹ thuật này nhằm tạo nên khối lƣợng bóng khối bằng thuật toán z-fail,z-pass giúp cho hình ảnh của vật thể trở lên thật hơn,đƣợc ứng dụng rộng rãi trong game,phim hoạt hình, . Nhận biết tầm quan trọng của việc ứng dụng bóng cứng trong đồ họa 3D, đồ án của em đã xây dựng thuật toán tạo bóng khối bằng thuật toán z-fail. Sau mộ ồ án với sự chỉ dẫn nhiệt tình của thầy giáo hƣớng dẫn em đã học đƣợc cách tìm hiể ột vấn đề khoa học mới. Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, mặc dù bản thân đã rất nỗ lực, cố gắng, đầu tƣ nhiều thờ ệc tìm hiể ề tài và đã nhận đƣợc sự chỉ bảo, định hƣớng tận tình của thầy giáo hƣớng dẫn cùng các anh, chị đi trƣớ ế về mặt thờ ệc tìm kiếm tài liệ n chế về mặt kiế ủa bả ợc kết quả thực sự hoàn hảo.Kính mong các thầ ỉ bảo và giúp đỡ. TÀI LIỆU THAM KHẢO: Tiếng việt: 1. Đỗ ệt Bình (2008), Giáo trình Xử lý ảnh, Nhà xuất bản Khoa họ ật, Hà Nội. , , 15-09-2006 Tiếng anh: 3. Nehe tutorials bài học 28 - stencil bóng khối tin. Nehe.gamedev.net 4. Ikrima Elhassan, Shadow Algorithms,20-02-2007. 5. Practical & Robust Stenciled Shadow Volumes for Hardware-Accelerated Rendering, by Cass Everitt and Mark J Kilgard. developer.nvidia.com 6. Andrew V.Nealen, Shadow Volume and Shadow Mapping, Recent Development 7. In Real-time Shadow Rendering, University of British Columbia, 2000. Nguyễn Tiến Dũng- CT1301 39