Bóng và ánh sáng trong hiển thị đối tượng ba chiều

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

ĐẶNG THU THƢƠNG

BÓNG VÀ ÁNH SÁNG TRONG HIỂN THỊ
ĐỐI TƢỢNG BA CHIỀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên - 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

ii

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn là sự nghiên cứu, tìm hiểu, tổng hợp các kiến thức mà học viên
đã thu thập đƣợc trong quá trình học tập tại Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin
và truyền thông – Đại học Thái Nguyên, dƣới sự hƣớng dẫn, giúp đỡ của các
thầy cô và bạn bè đồng nghiệp. Đặc biệt là sự hƣớng dẫn, giúp đỡ của thầy giáo
TS Nguyễn Văn Huân.
Học viên cam đoan luận văn không phải là sản phẩm sao chép của bất kỳ
tài liệu khoa học nào.
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 5 năm 2015
Học viên

Đặng Thu Thƣơng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

iii

LỜI CẢM ƠN
Luận văn sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự động viên, hỗ trợ hết
mình của rất nhiều ngƣời. Trƣớc hết tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS
Nguyễn Văn Huân ngƣời thầy đã chỉ bảo, giúp đỡ tận tình trong cả quá trình học
tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo tại trƣờng Đại học Công nghệ
thông tin và truyền thông – Đại học Thái Nguyên, những ngƣời đã trang bị các
kiến thức cơ sở, nền tảng cho việc nghiên cứu, tiếp thu những tri thức mới, mà từ
đó tôi có thể hoàn thành tốt luận văn của mình.
Quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi hi vọng
sẽ đƣợc sự góp ý chân thành từ phía các thầy, cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp để đề
tài nghiên cứu đƣợc hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

iv

MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................. ii
MỤC LỤC ....................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................. v
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................. vi
DANH MỤC CÁC HÌNH (HÌNH VẼ, ẢNH CHỤP, ĐỒ THỊ...) .................. vii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HOẠ BA CHIỀU VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ
ĐỐI TƢỢNG BA CHIỀU
1.1. Khái quát về đồ hoạ ba chiều ................................................................... 5
1.1.1. Sơ lƣợc sự phát triển đồ hoạ ba chiều. .......................................... 5
1.1.2. Các lĩnh vực ứng dụng của đồ hoạ ba chiều. ................................ 6
1.2. Bài toán hiển thị đối tƣợng ba chiều ........................................................ 8
1.2.1. Quy trình hiển thị đối tƣợng ba chiều ........................................... 8
1.2.2. Các phƣơng pháp biểu diễn đối tƣợng ......................................... 12
1.3. Kết luận chƣơng 1 .................................................................................... 14
Chƣơng 2: KỸ THUẬT TẠO BÓNG KHỐI TRONG HIỂN THỊ ĐỐI TƢỢNG
BA CHIỀU
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

v

2.1. Biểu diễn dữ liệu các vật thể ba chiều ..................................................... 15
2.1.1. Đƣờng cong ................................................................................... 15
2.1.2. Mặt cong ........................................................................................ 16
2.2. Các dạng dữ liệu nguồn sáng ................................................................... 16
2.3. Kỹ thuật tạo bóng trong đối tƣợng ba chiều ............................................ 21
2.3.1. Giới thiệu ....................................................................................... 21
2.3.2. Danh sách cạnh viền ...................................................................... 24

2.3.3. Xác định tứ giác bao quanh ........................................................... 30
2.3.4. Kỹ thuật tạo bóng Z-Pass .............................................................. 35
2.3.5. Kỹ thuật tạo bóng Z-Fail ............................................................... 41
2.3.6. So sánh giữa hai thuật toán............................................................ 46
2.4. Kết luận chƣơng 2 .................................................................................... 47
Chƣơng 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM
3.1. Bài toán .................................................................................................... 49
3.2. Phân tích, lựa chọn công cụ ..................................................................... 49
3.3. Kết quả thử nghiệm ................................................................................. 60
3.4. Kết luận chƣơng 3 .................................................................................... 62
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 64

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu/
STT

Chữ viết

Viết đầy đủ

Ý nghĩa

tắt

1

2D

2 Dimentional

Hai chiều

2

3D

3 Dimentional

Ba Chiều

3

CPU

Central Processing Unit

Bộ xử lý trung tâm
Bộ xử lý đồ họa đôi khi đƣợc

4

GPU

Graphical Processing Unit

hiểu đồng nghĩa với card đồ
họa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

vii

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ( HÌNH VẼ, ẢNH CHỤP, ĐỒ THỊ…)
Hình 1.1: Quy trình hiển thị đối tƣợng ba chiều
Hình 2.1: Sự phản xạ của ánh sáng
Hình 2.2: Sự phản xạ không toàn phần của ánh sáng
2.3. Bối cảnh không có đổ bóng
2.4. Bối cảnh có bóng khối
2.5. Mô tả các phần của bóng khối
Hình 2.6. Biểu diễn của một căn nhà.
Hình 2.7.Cạnh viền (Silhouette Edge) đƣợc tô đỏ.
Hình2.8. Khi nhìn từ vị trí của nguồn sáng ta sẽ không thấy bóng và rất dễ để xác
định cạnh và đỉnh viền.

Hình 2.9. Cạnh viền là cạnh có một mặt kề hƣớng ánh sáng còn mặt còn lại thì
không
Hình 2.10. Dựng shadow volume mesh bằng các thêm vào các mặt phụ
2.11

.

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

.
/>

ix

.
2.18

.

.
Hình 2.20. Thuật toán tạo bóng khối với kỹ thuật z-fail
Hình 2.21. Tƣ tƣởng của Z-Fail

t

3.1.

-fail

3.2.

-

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

.

/>

x

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay trƣớc sự phát triển mạnh của các ngành khoa học kỹ thuật và
những ứng dụng của khoa học kỹ thuật vào cuộc sống đã mang lại hiệu quả to
lớn đặc biệt là Công nghệ thông tin. Bất kỳ đâu và bất kể lĩnh vực nào của cuộc
sống Công nghệ thông tin đều có mặt, hiệu quả mà Công nghệ thông tin mang lại
thật to lớn và là điều đƣợc tất cả mọi ngƣời quan tâm.
Sự phát triển của công nghệ thông tin đã đẩy nhanh sự phát triển nhiều lĩnh
vực của đời sống xã hội. Với sự phát triển của phần cứng về cả phƣơng diện thu

nhận và hiển thị đã mở ra nhiều hƣớng mới cho sự phát triển của phần mềm.
Trong số đó phải kể đến lĩnh vực thể hiện hình ảnh 3 chiều và thực tại ảo.
Công nghệ đồ họa máy tính phát triển đã làm thay đổi hoàn toàn việc tƣơng
tác giữa ngƣời và máy. Nhờ đó mà một loạt các ứng dụng đồ họa máy tính ra
đời, đáp ứng đƣợc nhiều nhu cầu của xã hội. Cụ thể nhƣ trong các lĩnh vực giải
trí và nghệ thuật : Các chƣơng 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 đƣa ra
các chỉnh sửa phù hợp. Ngoài ra đồ họa ba chiều còn giúp tạo ra các chƣơng
trình trò chơi giải trí; hỗ trợ các kỹ xảo điện ảnh. Việc nghiên cứu các phƣơng
pháp các kỹ thuật khác nhau của đồ họa ba chiều cũng chỉ hƣớng đến một mục
tiêu duy nhất đó là làm sao cho các nhân vật, các đối tƣợng, các mô hình đƣợc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

2

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 những lý do trên, dƣới sự gợi ý của thầy hƣớng dẫn, em đã
chọn đề tài “Bóng và ánh sáng trong hiển thị đối tƣợng 3 chiều”.
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Đối tƣợng của đề tài
+ Đồ họa ba chiều
+ Bài toán tạo bóng
+ Một số kỹ thuật tạo bóng khối
2.2. Phạm vi nghiên cứu
+ Đề tài nghiên cứu về các kiến thức tổng quan về đồ họa ba chiều: cách hiển

thị vật thể ba chiều
+ Đề tài khái quát về bài toán tạo bóng trong đồ họa ba chiều. Tìm hiểu các
dữ liệu đầu vào và đầu ra của bài toán: nguồn sáng, vật chắn sáng và bóng.
+ Đề tài giới hạn trong phạm vi nghiên cứu hai kỹ thuật tạo bóng khối trong
đồ họa ba chiều: kỹ thuật tạo bóng Z-Pass, kỹ thuật tạo bóng Z-Failr
+ Khảo sát, phân tích, thiết kế và xây dựng phần mềm thử nghiệm
3. Hƣớng nghiên cứu của đề tài
+ Về khoa học

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

3

- Đề tài tập trung nghiên cứu khái quát về các kiến thức cơ bản của đồ họa ba
chiều và tạo bóng ánh sáng
- Nghiên cứu một số kỹ thuật tạo bóng khối trong đồ họa ba chiều
- Nghiên cứu đề xuất kiến trúc, công nghệ thích hợp cho việc phát triển ứng
dụng
+ Về xây dựng phần mềm thử nghiệm
- Tìm hiểu, khảo sát bài toán
- Phân tích, lựa chọn giải pháp xây dựng phần mềm thử nghiệm đƣa ra kết
quả tạo bóng khối bằng hai kỹ thuật: kỹ thuật tạo bóng Z-Pass, kỹ thuật tạo bóng
Z-Failr
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Thu thập, đọc và phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài.
- Phân tích, so sánh với các mô hình khác
- Dựa trên việc tìm hiểu các thuật toán của hai kỹ thuật tạo bóng khối để đƣa
ra so sánh và lựa chọn phƣơng pháp trong trƣờng hợp các trƣờng hợp khác nhau

- Kết hợp các nghiên cứu trƣớc đây của các tác giả trong và ngoài nƣớc cùng
với sự chỉ bảo, góp ý của Thầy hƣớng dẫn để hoàn thành nội dung nghiên cứu.
- Thực nghiệm cài đặt ứng dụng để minh họa các vấn đề trình bày trong đề
tài.
5. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

4

+ Về khoa học
- Hiểu đƣợc tổng quan các kiến thức cơ bản của đồ họa ba chiều và bài toán
tạo bóng.
- Nghiên cứu các kỹ thuật tạo bóng khối trong đồ họa ba chiều, trợ giúp cho
việc nâng cao chất lƣợng hình ảnh.
+ Về thực tiễn
- Cài đặt hoàn chỉnh các thuật toán hiển thị đối tƣợng, nguồn sáng của bài
toán tạo bóng.
- Xây dựng chƣơng trình thử nghiệm dùng hai phƣơng pháp tạo bóng khối đã
nêu đáp ứng và trợ giúp ngƣời sử dụng dễ dàng, trực quan và nhanh chóng.
- Cấu trúc của luận văn bao gồm “Phần mở đầu”, “Phần kết luận” và ba
chƣơng nội dung, cụ thể:
Chương 1: Khái quát về đồ họa ba chiều (3D) và bài toán hiển thị đối tƣợng.
Trong chƣơng này trình bày khái quát về đồ họa 3D, các ứng dụng cơ bản và bài
toán hiển thị.
Chương 2: Kỹ thuật tạo bóng khối trong đồ họa ba chiều. Chƣơng này trình
bày hai kỹ thuật chính về hiển thị đối tƣợng 3D.
Chương 3: Chƣơng trình thử nghiệm. Trình bày cài đặt thử nghiệm kỹ thuật
hiển thị đối tƣơng 3D.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

5

Chƣơng 1
KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA BA CHIỀU VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ
ĐỐI TƢỢNG BA CHIỀU
1.1. Khái quát về đồ họa ba chiều
1.1.1. Sơ lƣợc sự phát triển đồ họa ba chiều
Đồ họa máy tính là một lĩnh vực khoa học nghiên cứu về các thuật toán
cũng nhƣ cho phép tạo, hiển thị và điều khiển hình ảnh trên màn hình máy tính
[3]. Đồ họa máy tính có liên quan đến đại số, hình học giải tích, hình học họa
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

6

hình, quang học … kĩ thuật máy tính và chế tạo phần cứng (các loại màn hình,
các thiết bị nhập, xuất, các vi mạch đồ họa… ).
Hệ đồ họa bao giờ cũng có hai thành phần chính đó là phần cứng và phần
mềm [3]. Phần cứng gồm thiết bị hiển thị và nhập dữ liệu, … Phần mềm gồm
công cụ lập trình và các ứng dụng đồ họa. Công cụ lập trình cung cấp tập các
hàm đồ họa có thể đƣợc dùng trong các ngôn ngữ lập trình cấp cao nhƣ C,
Pascal, … Các hàm cơ sở của đồ họa bao gồm việc tạo đối tƣợng cơ sở của hình
ảnh nhƣ đoạn thẳng, đa giác, đƣờng tròn, …, thay đổi màu sắc, chọn khung nhìn,
áp dụng các phép biến đổi, …

Việc thể hiện các đối tƣợng 3D trên máy tính là cần thiết vì phần lớn các
đối tƣợng trong thế giới thực là đối tƣợng 3D còn thiết bị hiển thị chỉ hiển thị
ảnh 2 chiều. Do vậy muốn có hình ảnh 3 chiều ta phải giả lập. Biểu diễn đối
tƣợng 3D bằng máy tính phải tuân theo quy luật về phối cảnh, sáng, tối… giúp
ngƣời xem nhìn thấy hình ảnh gần đúng nhất.
Khi chúng ta mô hình hóa và hiển thị một cảnh 3D, ta cần phải xem xét rất
nhiều khía cạnh và vấn đề khác nhau chứ không đơn giản là thêm vào tọa độ thứ
ba cho đối tƣợng [3]. Bề mặt đối tƣợng có thể xây dựng bởi nhiều tổ hợp khác
nhau của các mặt phẳng và mặt cong. Ngoài ra, chúng ta cũng cần mô tả một số
thông tin về bên trong các đối tƣợng. Các công cụ hỗ trợ đồ họa (graphics
package) thƣờng cung cấp một số hàm hiển thị các thành phần bên trong, những
đƣờng nét tiêu biểu hoặc hiển thị một phần của đối tƣợng ba chiều (solid object).
Ngoài ra, các phép biến đổi hình học thƣờng đƣợc sử dụng nhiều hơn và đa dạng
hơn trong đồ họa ba chiều so với trong đồ họa hai chiều. Phép biến đổi hệ quan
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>

7

sát trong không gian ba chiều phức tạp hơn nhiều so với trong không gian hai
chiều do chúng ta phải chọn lựa nhiều tham số hơn khi mô tả một cảnh ba chiều
sẽ xuất hiện trên màn hình nhƣ thế nào.
Các mô tả về một cảnh ba chiều phải đi qua một quy trình xử lí gồm nhiều
công đoạn nhƣ phép biến đổi hệ tọa độ quan sát và phép chiếu chuyển cảnh từ
hệ tọa độ quan sát ba chiều xuống hệ tọa độ thiết bị hai chiều. Những phần nhìn
thấy đƣợc của cảnh, ứng với một hệ quan sát đƣợc chọn nào đó, phải đƣợc xác
định và cuối cùng, các thuật toán vẽ mặt sẽ đƣợc áp dụng nhằm tạo ra hình ảnh
trung thực (gần với thực tế) của cảnh.
1.1.2. Các lĩnh vực ứng dụng của đồ họa ba chiều
3D là công nghệ đƣợc xây dựng từ các phần mềm máy tính, giúp ngƣời sử

dụng có thể quan sát hình ảnh trong không gian ba chiều. Ứng dụng của công
nghệ này đƣợc sử dụng trong một số lĩnh vực đạt hiệu quả cao nhƣ Y học, xây
dựng, kiến trúc, phim, trò chơi... Tại Việt Nam công nghệ này chỉ mới đƣợc sử
dụng phần lớn trong quảng cáo và kiến trúc.
 Ứng dụng đồ hoạ 3D trong y tế
Ứng dụng công nghệ hình ảnh 3D thu hút sự chú ý của nhiều ngƣời trong
lĩnh vực y học. Nhiều bác sĩ cũng tận dụng công nghệ mới này phục vụ điều trị
bệnh nhân giúp tăng độ chính xác và hiệu quả.
Với phƣơng pháp chụp cắt lớp điện toán (CT) hay chụp cộng hƣởng từ
(MRI). Bác sĩ phải theo dõi hình ảnh 2D trên màn hình, vừa phải tƣởng tƣợng
hình ảnh trong không gian 3 chiều đã gặp không ít khó khăn. Ứng dụng công
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

8

nghệ hình ảnh 3D, bác sĩ nhìn đƣợc các hình ảnh 3 chiều rõ nét ngay lập tức và
tập trung hơn vào phẫu thuật.
 Ứng dụng đồ hoạ 3D trong xây dựng kiến trúc
Đối với ngƣời thiết kế: có thể vẽ lên không gian 3 chiều, ứng dụng vật liệu
thật vào không gian, phối trí và phân tích ánh sáng, thông gió hợp lý nhất cho
công trình thiết kế xây dựng làm cho sự kết hợp giữa các yếu tố, bố trí các vật
dụng trở nên hài hoà. Tính toán tải trọng kết cấu chính xác nhất, đƣa ra giải pháp
tiết kiệm vật tƣ và chi phí nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh.
Đối với ngƣời khách hàng: ứng dụng 3D trong kiến trúc làm cho ngƣời
xem nhƣ đứng ngay trong không gian trong thực tế.
 Ứng dụng đồ hoạ 3D trong phim, trò chơi
Công nghệ 3D trong phim ảnh đang là xu hƣớng phát triển của điện ảnh
thế giới. Ứng dụng tạo hình 3D mang đến cho ngƣời xem những trải nghiệm

thực sự, những hình ảnh sống động và hấp dẫn. Nó cũng đƣợc sử dụng để tạo các
hiệu ứng phim và thực tại ảo, khán giả sẽ trải nghiệm những hành động, cử chỉ
sống động nhƣ thật.
Trong game, ứng dụng công nghệ 3D để xây dựng mô hình, và chuyển
động cho hình ảnh sắc nét giúp ngƣời chơi bao quát đƣợc toàn bộ góc nhìn với
chất lƣợng hình ảnh tốt nhất và không bị gián đoạn.
 Ứng dụng đồ hoạ 3D trong mô phỏng, đào tạo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

9

Hệ thống phần mềm mô phỏng các thí nghiệm bằng hình ảnh minh họa
sống động, giúp học sinh dễ nhận biết, tiếp thu và tạo sự hứng thú với môn học.
Cho phép học sinh, sinh viên đƣợc quan sát trực quan các mô hình cụ thể, thấy
đƣợc những hoạt động, chuyển động của các sự vật, sự kiện đƣợc giảng viên
trình bày.
Học sinh đƣợc hình dung một cách rõ ràng và đầy đủ các khái niệm về
hình học không gian, địa lý vũ trụ, mô hình sinh học hoặc các khái niệm khó
tƣởng tƣợng ra trong thế giới hai chiều.
 Ứng dụng đồ hoạ 3D trong lĩnh vực quốc phòng và an ninh
Những sản phẩm mô phỏng sẽ đƣợc áp dụng trong giảng dạy các môn
khoa học nhƣ Giáo dục quốc phòng, quân sự. Ngƣời học có thể quan sát chi tiết
các hoạt động của các bộ phận cơ khí, quy trình hoạt động và tƣơng tác, những
hiện tƣợng xảy ra trong các hoạt động của vũ khí. Công nghệ mô phỏng 3D mô
tả chi tiết cụ thể hiện tƣợng bắn, quá trình chuyển vận của các bộ phận trong
tƣơng tác sự vật, hiện tƣợng giúp cho học sinh dễ nhận biết, tiếp thu tạo sự hứng
thú với môn học. Có thể nói các ứng dụng tiềm năng của công nghệ hình ảnh 3D

là vô hạn và để làm đƣợc điều đó ta phải nắm đƣợc quy trình hiển thị ảnh 3D.
1.2. Bài toán hiển thị đối tƣợng ba chiều
1.2.1. Quy trình hiển thị đối tƣợng ba chiều
Quy trình xử lí thông tin trong đồ họa 3 chiều là chuỗi các bƣớc nối tiếp
nhau, kết quả của mỗi bƣớc là đầu vào của bƣớc tiếp theo.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

10

Quy trình bắt đầu bằng việc xây dựng các mô hình đối tƣợng trong không
gian ba chiều (x, y, z). Các mô hình thƣờng thể hiện vật thể (solid) hoặc bề mặt
(boundaries) của đối tƣợng. Nhƣ vậy có hai kiểu mô hình hóa. Trong solid
modeling các đối tƣợng đồ họa mô tả các đối tƣợng thể tích (volume). Trong
boundary representations(B-reps), các đối tƣợng đƣợc định nghĩa bởi bề mặt .
Các mô hình thƣờng đƣợc biểu diễn trong hệ tọa độ đối tƣợng. Trong hệ
tọa độ này chỉ có đối tƣợng đƣợc định nghĩa, vì vậy gốc tọa độ và đơn vị đo
lƣờng thƣờng đƣợc chọn sao cho việc biểu diễn đối tƣợng tiện lợi nhất.
Modeling

Biến đổi mô hình: biến đổi từ hệ tọa độ đối tƣợng (object-

Transformation

space) sang hệ tọa độ thế giới thực thực (world space)

Trivial Rejection

Tối ƣu hóa: loại bỏ các đối tƣợng không nhìn thấy đƣợc

Illumination

Chiếu sáng đối tƣợng

Viewing
Chuyển từ world space sang eye space
Transformation
Clipping

Loại bỏ phần nằm ngoài viewing space

Projection

Chiếu từ eye space xuống screen space

Rastorization
Display

Chuyển đối tƣợng sang dạng pixel
Hiển thị đối tƣợng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

11

Hình 1.1: Quy trình hiển thị đối tƣợng ba chiều

Các bƣớc trong quy trình hiển thị đối tƣợng 3D đƣợc hiểu nhƣ sau:
Bƣớc 1: biến đổi đối tƣợng từ không gian đối tƣợng (object-space) vào
một không gian chung gọi là không gian thực (world space). Trong không gian
này các đối tƣợng, nguồn sáng, và ngƣời quan sát cùng tồn tại. Bƣớc này đƣợc
gọi là giai đoạn biến đổi mô hình (modeling transformation).
Bƣớc 2 : tối ƣu hóa. Trong giai đoạn loại bỏ đơn giản (trivial rejection) ta
cần loại trừ tất cả các đối tƣợng không thể nhìn thấy. Điều này giúp chúng ta
tránh đƣợc việc xử lí một số phần không cần thiết của cảnh (scene) mà ta đang
chuẩn bị hiển thị ở các bƣớc sau.

Bƣớc 3: chiếu sáng (illumination) các đối tƣợng có thể nhìn thấy đƣợc
bằng cách gán cho chúng màu sắc dựa trên các đặc tính của các chất tạo nên vật
và các nguồn sáng tồn tại trong cảnh.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

12

Bƣớc 4 : Biến đổi hệ tọa độ để đặt vị trí quan sát (viewing position) về gốc
tọa độ và mặt phẳng quan sát (viewing plane) về một vị trí mong ƣớc.

Bƣớc này gọi là bƣớc đổi hệ quan sát. Sau bƣớc này, các đối tƣợng đƣợc
chuyển từ không gian thực sang không gian quan sát (eye space).
Bƣớc 5: Trong không gian quan sát, ta phải thực hiện việc xén các đối
tƣợng trong cảnh để cảnh nằm gọn trong một phần không gian chóp cụt mà ta
gọi là viewing frustum.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

13

Bƣớc này sẽ loại bỏ hoàn toàn các đối tƣợng (các mảnh đối tƣợng) không
nhìn thấy đƣợc trong ảnh.
Bƣớc 6: chiếu các đối tƣợng xuống mặt phẳng hai chiều. Bƣớc Projection
thực hiện phép biến đổi từ không gian quan sát sang không gian màn hình
(screenspace).

Bƣớc 7: chuyển đối tƣợng thành các pixel.
Bƣớc cuối cùng: toàn cảnh sẽ đƣợc hiển thị lên màn hình.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

14

Để có thể thực hiện đƣợc các bƣớc trong quy trình hiển thị đối tƣợng 3D
ta cần phải nắm rõ một số định nghĩa và cách biểu diễn về tái tạo khối.
1.2.2. Các phƣơng pháp biểu diễn đối tƣợng 3D
Có 2 phƣơng pháp biểu diễn đối tƣợng 3 chiều là phƣơng pháp biểu diễn
bề mặt và biểu diễn theo phân hoạch không gian.
+ Phƣơng pháp biểu diễn bề mặt mô tả đối tƣợng bằng một tập hợp các bề
mặt giới hạn phần bên trong của đối tƣợng với môi trƣờng bên ngoài. Thông
thƣờng ta xấp xỉ các bề mặt phức tạp bởi các mảnh nhỏ hơn gọi là các patch (mặt
vá). Các mảnh này có thể là các đa giác hoặc các mặt cong.
+ Phƣơng pháp phân hoạch không gian thƣờng dùng để mô tả các thuộc

tính bên trong đối tƣợng
Ngoài phƣơng pháp biểu diễn, khi biểu diễn đối tƣợng 3D bằng máy tính
ta cần quan tâm đến các vấn đề sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

15

 Các phép biến đổi hình học
Khi áp dụng một dãy các phép biến đổi hình học có thể tạo ra nhiều phiên
bản của cùng một đối tƣợng. Do đó có thể quan sát vật thể ở nhiều vị trí, nhiều
góc độ khác nhau và cảm nhận về các hình ảnh vẽ ba chiều sẽ trực quan, sinh
động hơn. Các phép biến đổi thƣờng đƣợc sử dụng là phép tịnh tiến, phép quy,
phép biến dạng… đƣợc mô tả bằng các ma trận. Ma trận của mỗi phép biến đổi
có các dạng khác nhau
 Vấn đề chiếu sáng
Tác dụng của việc chiếu sáng là làm cho các đối tƣợng hiển thị trong máy
tính giống với vật thể trong thế giới thực. Để thực hiện công việc này cần phải có
các mô hình tạo sáng.
Vật thể đƣợc chiếu sáng nhờ vào ánh sáng đến từ khắp mọi hƣớng gọi là ánh
sáng xung quanh (ambient light) hay ánh sáng nền (background light)
Trên bề mặt có 2 loại hiệu ứng phát sáng là khuếch tán (diffuse light) - ánh
sáng đi theo mọi hƣớng và phản xạ gƣơng (specular light).
 Vấn đề tạo bóng
Để tạo bóng ta ứng dụng các mô hình xác định cƣờng độ sáng theo nhiều
kiểu khác nhau tùy thuộc bài toán cụ thể. Các vật có bề mặt phẳng chỉ cần tính
cƣờng độ sáng chung cho một bề mặt là có thể hiển thị đối tƣợng tƣơng đối thật.
Các vật có bề mặt cong phải tính cƣờng độ sáng cho từng pixel trên bề mặt. Để
tăng tốc độ ta xấp xỉ các mặt cong bởi một tập hợp các mặt phẳng. Với mỗi mặt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>