tổng hợp tài liệu đồ họa máy tính

Loại bỏ mặt ẩnz Với sự phát triển của các thiết bị hiển thị dẫn đến nhu cầu thể hiện các vật thể một cách thực tế hơn, đòi hỏi các mô hình có rất nhiều đa giác.. Sự hữu hình của các đối

Đồ họa máy tính

Loại bỏ mặt ẩn

z Với sự phát triển của các thiết bị hiển thị dẫn đến nhu cầu

thể hiện các vật thể một cách thực tế hơn, đòi hỏi các mô

hình có rất nhiều đa giác.

z Từ đó dẫn đến nhu cầu phát triển các thuật toán để loại

bỏ mặt ẩn (hidden surface removal).

z Một số thuật toán được gọi chính xác hơn là các thuật

toán mặt hiện (visible surface algorithms), but tuy nhiên

cả hai tên đều được dùng thay nhau.

Sự hữu hình của các đối tượng cơ bản

z Chúng ta không muốn phí thời gian để hiển thị

những đối tượng không đóng góp vào bức ảnh

cuối cùng.

z Một đối tượng có thể không hữu hình vì 3 lý do:

– Nằm ngoài vùng hiển thị

– Quay vào trong (back-facing)

– Bị che bởi các đối tượng khác gần người quan sát hơn

z Làm thế nào để loại bỏ chúng một cách hiệu quả?

z Làm thế nào để xác định chúng một cách hiệu

quả?

Vấn đề hữu hình

Hai vấn đề còn lại:

(Chúng ta đã làm quen với clipping)

• Loại bỏ các bề mặt hướng ra phía khác so với người quan sát.

• Loại bỏ các bề mặt che bởi các đối tượng gần hơn.

Các thuật toán mặt hiện

Loại bỏ/Xác định Mặt/đoạn Ẩn/hiện

z Yêu cầu

– Có thể xử lý các tập đối tượng khác nhau

– Có thể xử lý một lượng lớn các đại lượng hình học

Phân loại: Sutherland, Sproull, Schumacher (1974):

Xác định mặt sau

z Chúng ta thường thấy trong mô

hình hóa, các đỉnh của một đa

giác thường được tính theo chiều

ngược theo chiều kim đồng hồ

khi nhìn vào từ bên ngoài –

vec-tơ pháp tuyến N trỏ ra ngoài

z Kiểm tra thành phần z của vec-tơ

pháp tuyến Nếu âm – quay vào

trong

Xử lý sự chồng chéo?

Làm thế nào để vẽ các đa giác theo đúng thứ tự để có được kết

quả đúng?

Có phải đây chỉ là vấn đề sắp xếp? Chỉ đúng với 2D, tuy nhiên

trong 3D các đa giác chồng chéo lên nhau có thể tạo thành một

thứ tự vòng tròn, không sắp xếp được.

Thuật toán Z-buffering

z Rất đơn giản, có thể ghép vào thuật toán

đường quét.

z Nội suy z trong quá trình tính toán.

z Lưu trữ một ma trận độ sâu tương ứng với

ảnh đầu ra.

z Mỗi khi xử lý một đa giác, so sánh với các

giá trị z đang lưu trữ.

z Lưu lại giá trị màu của những điểm gần

nhất.

Cài đặt

z Khởi tạo bộ đệm ảnh với màu nền.

z Khởi tạo bộ đệm độ sâu với z = giá trị

max của mặt phẳng clipping.

z Cần tính giá trị z cho mỗi điểm

– Bằng cách nội suy từ các đỉnh đa giác.

z Cập nhật cả bộ đệm ảnh và bộ đệm độ sâu.

Tại sao thuật toán z-buffering lại

Lợi điểm

z Dễ dàng cài đặt trên phần cứng

– Kết hợp với thuật toán đường quét

– Bộ nhớ cho z-buffer không quá đắt

z Xử lý được nhiều loại đối tượng hình học – không chỉ đa giác

z Có thể xử lý cảnh vật phức tạp đến bất cứ mức nào

z Không cần tính toán phần giao giữa các đối tượng

Nhược điểm

z Tốn thêm bộ nhớ và băng thông

z Tốn thời gian tính toán những đối tượng ẩn

Thuật toán Painters (không

gian vật thể)

z Vẽ các bề mặt theo thứ

tự từ sau đến trước – các

đa giác gần hơn sẽ được

vẽ đề lên đa giác xa hơn.

Cây BSP (Binary Space Partitioning)

•Trả về thứ tự vẽ.

•Chọn đa giác bất kỳ

•Chia cảnh vật ra 2 nửa không gian: trước và

sau.

•Chia những đa giác nằm ở cả hai nửa không gian.

•Chọn một đa giác ở mỗi nửa – chia đôi cảnh vật

2

5

View of scene from above

Cây BSP

3

3

4 1

2

5 5a

5b

1 2 5a

4 5b

sau Trước

Cây BSP

3

3

4 1

2

5 5a

5b

4 5b

Trước 2 Trước

Cây BSP

3

3

4 1

2

5 5a

5b

sau Trước

2 1 5a

Trước

5b 4

Cây BSP

3

3

4 1

2

5

sau

1 Trước

Hiện thị cây BSP

z Once we have the regions – need priority list

z BSP tree can be traversed to yield a correct priority list

for an arbitrary viewpoint.

z Start at root polygon.

– If viewer is in front half-space, draw polygons behind root first,

then the root polygon, then polygons in front

– If polygon is on edge – either can be used

– Recursively descend the tree

z If eye is in rear half-space for a polygon – then can back

face cull.

Cây Tree.

z Cần một lượng lớn tính toán khi bắt đầu

– Chia đa giác

z Nhanh chóng để xác định tính hữu hình khi

cây được tạo ra.

z Có thể được sử dụng để tính toán sự hữu

hình chính xác cho bất kỳ cảnh vật nào

⇒ Hiệu quả khi các vật thể không thay đổi

trong cảnh vật.

Thuật toán Warnock

z Lai giữa không gian vật thể và không gian ảnh.

z Sử dụng giải pháp đồ họa chuẩn:- nếu tình huống

phức tạp quá, thì chia nhỏ bài toán ra.

z Bắt đầu với một cửa sổ gốc:

– Nếu không có hay chỉ có một đa giác giao với cửa sổ, quét đa

giác đó

– Nếu không thì chia cửa sổ ra làm bốn

– Tiếp tục như vậy cho đến khi chỉ có một hoặc không có đa giác

nào giao với cửa sổ, hoặc đạt đến độ sâu nào đó

– Độ sâu có thể là độ phân giải điểm, Hiển thị đa giác gần nhất

Ví dụ về thuật toán Warnock

Hiệu năng của thuật toán Warnock

z Chia không gian màn hình (độ phân giải

màn hình, r = w*h), thuật toán lai giữa

không gian vật thể và không gian ảnh, tốt

với một số lượng nhỏ đối tượng, chính xác.

Hiệu năng của thuật toán BSP

z Xây dựng cây và duyệt cây (thuật toán thứ tự

trong không gian vật thể – tốt với một số lượng

Hiệu suất của Z-buffer

z Brute-force image-space algorithm scores

best for complex scenes – not very

accurate but is easy to implement and is

very general.

z Bộ nhớ làm việc: O(1)

z Bộ nhớ lưu trữ: O(1)

z Thời gian để xác định tính hữu hình: O(n)

z Vẽ thừa: tối đa

Ví dụ Cảnh kiến trúc

Một lượng lớn đối tượng bị che khuất

Sự che khuất ở các mức độ khác nhau

Tổng kết

z Xác định mặt quay vào trong

z Thuật toán z-buffer

z Thuật toán BSP