Nghiên cứu kỹ thuật tạo bóng bề mặt của vật thể và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

PHẠM THỊ PHƯƠNG NGA

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TẠO BÓNG BỀ MẶT

CỦA VẬT THỂ VÀ ỨNG DỤNG

Ngành: Khoa học máy tính.

Mã số: 8 48 01 01.

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Vũ Đức Thái

Thái Nguyên năm 2020

i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phạm Thị Phương Nga

Sinh ngày: 08/10/1979

Học viên lớp cao học CHK17A - Trường Đại học Công nghệ Thông

tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên.

Hiện đang công tác tại: Trường THCS Quang Sơn - Đồng Hỷ - tỉnh

Thái Nguyên.

Xin cam đoan: Đề tài “ Nghiên cứu kỹ thuật tạo bóng bề mặt của vật thể

và ứng dụng”, do TS. Vũ Đức Thái hướng dẫn là công trình nghiên cứu

của riêng tôi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.

Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như

nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tôi

hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật.

Thái Nguyên, ngày 17 tháng 09 năm 2020

Tác giả luận văn

Phạm Thị Phương Nga

ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Vũ Đức Thái, là thầy giáo trực tiếp

hướng dẫn khoa học cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn này.

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo, cán bộ trong trường

Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên cùng

các anh chị đồng nghiệp trong cơ quan đã tạo những điều kiện thuận lợi cho

tôi học tập và nghiên cứu hoàn thành chương trình học tập và thực hiện luận

văn tốt nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, các chị và các bạn học viên lớp

Cao học Khoa học máy tính CK -17A, trường Đại học Công nghệ Thông tin

và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên đã luôn động viên, giúp đỡ và nhiệt

tình chia sẻ với tôi những kinh nghiệm học tập, công tác trong suốt khoá học.

Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, những người

thân luôn bên cạnh và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

tốt nghiệp.

Mặc dù rất cố gắng, song luận văn này không thể tránh khỏi những

thiếu sót, kính mong được sự chỉ dẫn của các quý thầy cô và các bạn.

Thái Nguyên, ngày 17 tháng 9 năm 2020

Học viên

Phạm Thị Phương Nga

iii

MỤC LỤC

Lời cam đoan................................................................................................. i

Lời cảm ơn.................................................................................................... ii

Mục lục ........................................................................................................ iii

Danh mục hình ảnh......................................................................................iv

MỞ ĐẦU........................................................................................................1

1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................1

2. Mục tiêu......................................................................................................4

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ..............................................4

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ

MÔ HÌNH BÓNG BỀ MẶT.........................................................................5

1.1. Tổng quan về thực tại ảo..........................................................................5

1.1.1.Thực tại ảo là gì .....................................................................................5

1.1.2. Lịch sử phát triển của thực tại ảo ......................................................................5

1.1.3 .Ứng dụng của thực tại ảo ..................................................................................6

1.2. Mô hình 3D trong thực tại ảo...................................................................6

1.3. Vai trò của việc mô phỏng không gian 3D ............................................10

1.4. Mô hình hóa mô hình 3D.......................................................................11

1.4.1. Hệ trục tọa độ......................................................................................12

1.4.2. Kỹ thuật hiển thị mô hình Bump Mapping. ........................................13

1.4.3. Kỹ thuật xử lý ảnh hoa văn .................................................................19

1.4.4. Kỹ thuật Ánh xạ bề mặt chạm nổi...................................................................20

1.4.5. Kỹ thuật sử dụng môi trường ánh xạ bump mapping .....................................20

Chương 2. MỘT SỐ KỸ THUẬT HIỂN THỊ BỀ MẶT CỦA VẬT THỂ

3D .................................................................................................................22

2.1. Kỹ thuật chiếu sáng ...............................................................................22

2.2. Hiệu ứng ánh sáng .................................................................................24

2.2.1.Các hiệu ứng ánh sáng .....................................................................................24

2.3.Thuật toán chiếu sáng toàn cục...............................................................28

2.3.1.Một số thuật toán chiếu sáng toàn cục .............................................................28

2.4.Kỹ thuật chiếu sáng cục bộ .....................................................................32

Chương 3. MÔ PHỎNG TÁC ĐỘNG ÁNH SÁNG LÊN BỀ MẶT VẬT

THỂ..............................................................................................................44

3.1. Phân tích các yêu cầu hệ thống ..............................................................44

3.2. Phân tích chi tiết ....................................................................................45

3.2.1. Phân tích hình ảnh ..............................................................................45

3.2.2. Phân tích chức năng người dùng.........................................................46

3.2.3.Phân tích các yêu cầu biểu diễn ...........................................................47

3.3 . Thiết kế các thuật toán..........................................................................49

3.3.1.Thuật toán xác định hướng ánh sáng trong môi trường .......................49

3.3.2. Thuật toán tính toán tương tác giữa các vật thể khi xoay....................50

3.4. Thiết kế giao diện ..................................................................................51

KẾT LUẬN..................................................................................................57

TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................58

PHỤ LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Một hình ảnh kết quả thực nghiệm ................................................. 10

Hình 1.2. Hệ trục tọa độ Trục ......................................................................... 12

Hình 1.3. Bề mặt đá tại nhà thờ đá Phát Diệm................................................ 14

Hình 1.4. Cây đổ bóng .................................................................................... 15

Hình 1.5. Không gian tiếp tuyến ..................................................................... 17

Hình 1.6. Sự phản xạ của tia sáng trên bề mặt............................................... 18

Hình 2.1. Nguyên tắc đặt đèn trong trưng bày................................................ 23

Hình 2.2. Minh họa quá trình sinh và dò tia của ray tracing .......................... 29

Hình 2.3. Các bước xử lý trong giải thuật Ray tracing ................................... 30

Hình 2.4. So sánh giữa Scan line và ray tracing ............................................. 31

Hình 2.5. Chiếu sáng bằng photon mapping................................................... 32

Hình 2.6. Các bước xử lý trong giải thuật Scan line....................................... 33

Hình 2.7. MAX cung cấp ba loại điều chỉnh điểm chốt ................................ 38

Hình 2.8. Use Selection Center (tâm của tập chọn)....................................... 39

Hình 2.9. Transform Coordinate Center (tâm của hệ tọa độ phép biến đổi) .. 39

Hình 2.10. Trước khi Occlusion Culling. ....................................................... 40

Hình 2.11. Dung lượng phát triển bóng Culling............................................ 42

Hình 2.12. Một ảnh hoa văn phức tạp............................................................. 43

Hình 3.1. Một số vật thể trưng bày ................................................................. 45

Hình 3.2. Bề mặt vật thể trong suốt ................................................................ 46

Hình 3.3. So sánh ảnh bị nhiễu sáng và đã chỉnh sửa..................................... 46

Hình 3.4. Biểu đồ Use case ............................................................................. 47

Hình 3.5. Sơ đồ phân tích .............................................................................48

Hình 3.6. Mô hình thuật toán xác định hướng ánh sáng trong môi trường .... 49

Hình 3.7. Sơ đồ khối của phương pháp tích phân số hỗn hợp........................ 51

Hình 3.8. Biểu diễn hiện vật Trống với hướng chiếu sáng từ trên xuống ...... 53

Hình 3.9. Biểu diễn hiện vật Bình với hướng chiếu sáng từ trên xuống ........ 54

Hình 4.0. Biểu diễn hiện vật Cồng với hướng chiếu sáng từ trên xuống ...... 55

Hình 4.1. Biểu diễn hiện vật Giỏ với hướng chiếu sáng từ trên xuống ......... 56

iv