Báo cáo đề tài công nghệ 3D Môn lập trình đồ họa

Đồ họa máy tính là một trong nghững lĩnh vực lí thú nhất và phát triển nhanh nhất của tin học. Ngay từ khi xuất hiện, đồ họa máy tính đã có sức lôi cuốn mãnh liệt, được sử dụng ở nhiều lĩnh vực khác nhau như: khoa học, nghệ thuật, kinh doanh, thương mại, công nghiệp, quản lý, giáo dục, giải trí… và công nghệ 3D là một trong những ứng dụng đồ họa cấp cao đang được phổ biến rộng rãi đến đời sống.

MÔN LẬP TRÌNH ĐỒ HỌA

BÁO CÁO ĐỀ TÀI

LỜI NÓI ĐẦU

ồ họa máy tính là một trong nghững lĩnh vực lí thú nhất và phát triển nhanh nhấtcủa tin học Ngay từ khi xuất hiện, đồ họa máy tính đã có sức lôi cuốn mãnhliệt, được sử dụng ở nhiều lĩnh vực khác nhau như: khoa học, nghệ thuật, kinhdoanh, thương mại, công nghiệp, quản lý, giáo dục, giải trí… và công nghệ 3D là mộttrong những ứng dụng đồ họa cấp cao đang được phổ biến rộng rãi đến đời sống

Đ

Vậy công nghệ 3D tuyệt vời như thế nào? Nội dung đề tài “Công nghệ 3D” sẽ cho chúng

ta hiểu cơ bản về công nghệ và ứng dụng trong thực tiễn

Trong quá trình làm đề tài, nhóm em đã cố gắng học tập, tìm tài liệu, lắng nghe sự chỉbảo tận tình của thầy trong các buổi học Do sự hiểu biết kiến thức chưa sâu Đề tài vẫncòn nhiều thiết sót

Xin thầy xem xét lượng thứ, và đóng góp ý kiến để mỗi thành viên của nhóm ý thức hơn

và rút kinh nghiệm cho các đề tài sau này

Cuối cùng, chân thành cám ơn thầy đã tạo cơ hội cho nhóm hiện đề tài

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN BỘ MÔN

MỤC LỤC

PHẦN 1 : TỔNG QUAN 3 D

I Các khái niệm cơ bản

5

II Phần mềm mô phỏng 3D

6

PHẦN 2 : MỘT SỐ PHẦN MỀM – ĐỊNH DẠNG 3D

I 3D Max và định dạng 3DS

7

II Định dạng OJB

9

III Định dạng IGES

10

IV Định dạng FBX

11

V Định dạng MDX

11

VI Định dạng VRML – WEB 3D

12

VII Định dạng X3D

14

VIII Định dạng phần mềm AutoCard

15

IX Hình 3D các kiểu định dạng

17

PHẦN 3 : CÔNG NGHỆ ĐỊNH DẠNG PHIM 3D

I Lược sử phát triển

22

II Phân loại các nhóm xem 3D

III Phân loại nội dung 3D

25

PHẦN 4 : HÌNH ẢNH KHÔNG GIAN 3 CHIỀU

I Thế giới của thị giác hai mắt

28

II Các loại ảnh nổi 3D

29

III Nguyên lý tạo ảnh nổi 3D tích hợp

32

PHẦN 5 : MINH HỌA SẢN PHẨM 3D

I Thiết kế một hoạt cảnh đơn giản bằng 3D MAX

35

II Xem ảnh 3D với kính analyph

35

III Tài liệu tham khảo

38

PHẦN 1 : TỔNG QUAN VỀ 3D

I Các khái niệm cơ bản

- Vô chiều: Một điểm là một ví dụ của một đối tượng không Nó tạo ra một điểm

trong không gian nhưng rõ ràng là điểm đó không có độ dài, chiều cao hay độ sâu

- Một chiều: Một đối tượng một chiều là một đường thẳng đơn, nó chứa độ dài

nhưng không chứa chiều cao hoặc độ sâu

- Hai chiều: Một đối tượng 2 chiều chứa bất kỳ hai trong số ba chiều sau:

 Chiều rộng

 Chiều cao

 Độ sâu

- Ba chiều: Đối tượng 3 chiều (three-dimension hay 3-Dimentions hoặc 3D) sử

dụng tất cả 3 chiều (dài, cao và sâu) hoặc các trục tương ứng trong không gian X,

Y và Z Các ứng dụng 3D thực thi theo một chuẩn dựa trên các trục gọi là hệ tọa

độ Đề-Các trong không gian, khái niệm được đề cập tới đầu tiên vào những nămgiữa thế kỷ 17 Hệ trục tọa độ này gồm có các trục X, Y và Z tương ứng với cácchiều của không gian, tuân theo quy ước:

 Chiều rộng

 Chiều cao

 Độ sâu

Theo đồ thị bên, và theo quy ước trong 3D studio Max, các điểm X nằm ở trái và phải,

các điểm thuộc trục Y nằm hướng trên hoặc dưới, và các điểm thuộc trục Z dùng để biểuthị độ sâu theo hướng chéo

Các ứng dụng 3D sử dụng các trục này để chuyển đổi, quay và phân chia các đối tượngtrong không gian theo các trục xác định

Chẳng hạn, có thể biến dạng hoặc di chuyển một đối tượng dọc theo trục X bằng cách dichuyển nó theo hướng trái hoặc phải.Cũng có thể di chuyển đối tượng trên trục Y bằngcách kéo nó lên hoặc xuống Nếu di chuyển đối tượng của mình trên một trục Z, thì đốitượng sẽ xuất hiện ở gần hơn hoặc xa hơn từ tầm nhìn của đối với đối tượng trongviewport

Điều tuyệt vời ở đây là trong đồ họa máy tính, bạn chỉ việc tạo ra các dữ liệu 3D bằngcách sử dụng các công cụ 2D Màn hình máy tính là một đối tượng hiển thị 2D và chuộtcủa bạn cũng chỉ có thể di chuyển trên một mặt phẳng 2D, nó có thể phản hồi các tươngtác dựa trên các chuyển động theo hướng trái-phải, trước-sau, nhưng không thể phản hồiđược theo hướng trên hoặc dưới bàn đặt chuột

Xa hơn nữa, những gì xuất ra từ máy tính cũng sẽ luôn là 2D! Vậy làm sao mà máy tính

có thể diễn họa 3D từ các dữ liệu 2D nhập vào như vậy?

1 Lược sử

- Autodesk® 3ds Max® đã từng được biết đến với tên 3D Studio MAX là một

phần mềm đồ họa vi tính ba chiều (3D graphics application) của công ty

Autodesk Media & Entertainment.

- Hoạt động trên hệ điều hành Windows Win32 hoặc Win64 Phiên bản của 3dsMax vào năm 2006 là 3ds Max 9

- Tên khởi đầu của phần mềm này là 3d Studio, được nhóm Yost xây dựng trên

nền tảng của hệ điều hành DOS, được hãng Autodesk phát hành Sau nàyAutodesk mua lại bản quyền, được Studio Kinetix (là một bộ phận nằm trongtập đoàn truyền thông và giải trí Autodesk) tiếp tục phát triển Sau các phiên

bản 3ds 3 và 3ds 4, phần mềm được đổi tên thành 3ds MAX, viết trên nền tảng

hệ điều hành Windows NT.

- Tiếp đó, phần mềm này được đổi tên thành 3ds max, chuyển sang cho

Discreet tiếp tục phát triển được Autodesk mua lại Sau phiên bản thứ 8, phần

mềm được đổi lại tên thành 3ds Max, và được chính thức mang lại nhãn hiệu

của Autodesk

2 Ứng dụng

hoạt cảnh, và tạo cảnh 3D (rendering)

- Môi trường dễ học của nó cho phép các nghệ sĩ nhanh chóng tạo dựng mộtcách nhanh chóng các sản phẩm 3Ds Max thường được sử dụng để tạo phim

và các đoạnvideo nghệ thuật, phát triển game, thiết kế sản phẩm đa phươngtiện multimedia (cho in ấn và cho web), thiết kế một cách trực quan chuyênnghiệp

- 3ds Max là đang dẫn đầu các phần mềm trong lĩnh vực thiết kế trực quan,phát triển game, thiết kế các hiệu ứng ảo và đào tạo

- Nó còn đưa các hiệu ứng phim 3D lên màn hình lớn Tạo ra các nhân vật rấtthật cho game nhập vai Tạo rất nhiều các môi trường trực quan và phức tạp.Phần mềm tạo hoạt cảnh, tạo cảnh và mô hình Autodesk® 3ds Max® 9, được

sử dụng cho việc phát triển game, thiết kế các môi trường trực quan chuyênnghiệp, và các hiệu ứng nghệ thuật đem đến các hiệu quả tối đa và là mộtcông cụ tốt trong các dự án hoạt hình

3 3D Studio Max cho phép xuất các tập tin có định dạng

- ASC file :*ASC

- ASCII sence :*ASE

-4 3D Studio Max cho phép nhập các tập tin có định dạng

- 3D Studio Mesh : *DS hoặc *PRS

-5 Cơ cấu tổ chức định dạng của 3ds

- 3DS là một binary file format, do đó nó được tải rất nhanh.

- Định dạng này based in chunks, mỗi phần dữ liệu được nhúng trong một khối có

chứa một đoạn nhận dạng và độ dài của các dữ liệu (để cung cấp vị trí của cáckhối chính kế tiếp), cũng như các dữ liệu Điều này cho phép phân tích cú pháp để

bỏ qua những phần chúng không nhận ra, và cho phép mở rộng để định dạng

- Hình thành nên một cấu trúc phân cấp, tương tự như một XML CÂY DOM

 Hai byte đầu tiên là ID : Quá trình phân tích cú pháp có thể định dạng

chunk và quyết định xem nên phân tích hay là bỏ qua

 Bốn byte tiếp theo chứa little-endian kiểu số nguyên , đó là chiều dài củachunk, bao gồm dữ liệu, chiều dài của sub – block và 6- byte header

 Những bytes kế tiếp là những dữ liệu của chunk, cho phép sub – chunks, trong một cấu trúc có thể mở rộng đến nhiều levels deep

- Dưới đây là danh sách các ID phổ biến nhất

II Định dạng của OJB

- Đỉnh được lưu trữ theo một thứ tự ngược chiều kim đồng hồ, chỉ ra những pháp tuyến không cần thiết

 Paint 3D

III IGES - Initial Graphics Exchange Specification

1 Sơ lược

- Định nghĩa dạng dữ liệu trung lập, cho phép biến đổi dữ liệu kỹ thuật số của

thông tin giữa các hệ thống CAD ( Computer – aided – Design ).

- Tên chính thức đầu tiên của IGES là Digital Representation for Communication

of Product Definition Data, phát triển đầu tiên vào năm 1980 của Hoa Kỳ, Cục

tiêu chuẩn quốc gia

- Sử dụng IGES, một người dùng CAD có thể chuyển đổi các kiểu dữ liệu sảnphẩm dưới các hình thức: lược đồ bản mạch,…Những ứng dụng hỗ trợ bởi IGESbao gồm các bản vẽ kỹ thuật cổ điển, mô hình phân tích,…

2 Định dạng

- Một file IGES gồm 80 ký tự ASCII

- Chuỗi văn bản được thể hiện trong định dạng “ Hollerith”, số các ký tự trongchuỗi, sau đó là ký tự “ H”, kế đến là chuỗi văn bản , ví dụ “ 4HSLOST” ( Đây làđịnh dạng chuỗi văn bản sớm được sử dụng trong trong ngôn ngữ Fortran )

- Bên dưới là tập tin IGES năm 1987, bao gồm chỉ 2 điểm ( Type 116 ) , 2 vòngcung (Type 100), và 2 đường thẳng ( Type 110)

- Nó thể hiện một khe, với các điểm ở trung tâm của một nửa 2 vòng tròn và haiđường bên

- Khi hiển thị người dùng có thể nhìn thấy 2 điểm màu vàng, nằm ở vị trí gốc của

mô hình không gian [0,0,0], hai màu đỏ vòng cung, và hai đường thẳng màu xanh

- FBX là viết tắt của từ FILMBOX

- Filmbox là một thiết kế cho những người sử dụng để thu thập dữ liệu chuyểnđộng từ các thiết bị chuyên dụng

- Trước năm 1996, Filmbox 1.0 sử dụng FLM là định dạng cho ứng dụng Sau đó,

vì lý do nâng cấp định dạng FLM được đổi thành FBX Với định dạng mới làmột mô hình đối tượng, cho phép lưu trữ dữ liệu chuyển động cùng với dữ liệuvideo, âm thanh, 2D, 3D

- Sự hỗ trợ cho gói phần mềm khác bắt đầu với SoftImage 3D, Alias|WavefrontPowerAnimator, NewTek , Kinetix 3D syudio Max

- FBX mô hình dữ liệu thông tin và hình ảnh động, đó là một định dạng tuyệt vời

để lưu trữ dữ liệu nhân vật hoạt hình nào cũng được xác nhận bởi Cinema4D,DAZ, Lightwave và Softimage, vv

- Các định dạng Nhập khẩu của các nhân vật hoạt hình từ các định dạng FBX dạngtập tin 3D được hỗ trợ:

2 Ứng dụng trên web 3D

- Khi nói đến đồ họa thì ai cũng nghỉ ngay đến OPENGL nhưng trong thế giới webthì lại khác bởi OPENGL không dùng cho web trực tiếp được

được sử dụng để phát triển những hình ảnh 3 chiều và quang cảnh trên WorldWide Web Các tập tin VRML có kích thước nhỏ, thường không quá 1MB Tậptin nhỏ cho phép người dùng tương tác với quang cảnh bằng cách di chuyển "qua"hình ảnh Ví dụ, người dùng có thể "bước vào" một tòa nhà và đi từ phòng nàyqua phòng khác để nhìn tòa nhà từ mọi góc độ

- Nói đến web 3.0 thì có quá nhiều, VRML chỉ là công cụ lập trình 3D cho web vớikhả năng tương tác mạnh, đây cũng chính là một phần của web 3.0

- Một công nghệ trình duyệt Web, cho phép người sử dụng khám phá các môitrường 3D đơn giản trên mạng

- VRML là một chương trình mà trong nó là một tập các đối tượng 3D được địnhnghĩa, tương tác với nhau

- VRML được cung cấp khả năng tương tác 3D cao dễ lập trình và dễ bảo trì pháttriển với mô hình thiết kế hướng đối tượng hiện đại

- VRML có thể dùng cho nhiều ứng dụng khác nhau bao gồm: scientificvisualization, multimedia presentations, entertainment and educational titles, webpages, and shared virtual worlds

- Một nhà phân tích về công nghệ đồ họa nói rằng: "nếu muốn có text, chỉ việc gõbàn phím; nếu muốn hình ảnh 2-D, chỉ việc dùng máy quét Với 3-D, bạn phảilàm mô hình" Thực hiện mô hình khó hơn nhiều so với quét bằng scanner haynhập văn bản bằng bàn phím bởi nó phải sử dụng những phương trình toán họctạo ảnh 3-D

Hình ảnh được tạo ra trong VRML cho phép người dùng xoay

- Với VRML chất lượng ảnh cũng còn là một vấn đề phải bàn Hình ảnh 3-D đượctạo thành từ các đa giác Số đa giác càng nhiều, chất lượng ảnh càng cao

- Ví dụ ảnh trong phim hoạt hình Câu chuyện đồ chơi (Toy Story) có số đa giác đạtđến hàng triệu Thông thường, ảnh VRML có khoảng hàng chục nghìn đa giác

VII Định dạng X3D

- "Trước đây,đường truyền không đủ lớn, máy tính không đủ nhanh, trình duyệtWeb và hệ điều hành chưa có đủ tính năng để xây dựng 3D Nhưng giờ thì thờiđiểm đó đã đến" Tony Parisi, đồng tác giả của VRML nguyên bản và đồng biêntập của X3D hào hứng

- X3D đã vấp phải một thái độ tiếp nhận cứng rắn của công chúng Người ta vẫnkhông thể quên những chuyện đã xảy ra trước đây, và VRML vẫn bị coi là một

trong những công nghệ "hữu danh" nhất trong lịch sử Internet, tính từ khi đượcchính thức công nhận bởi Tổ chức tiêu chuẩn Quốc tế (ISO) vào năm 1997.

- Niềm hy vọng của X3D càng được củng cố thêm bởi những bước phát triển mớitrong ngành công nghệ kỹ thuật cao Những cải tiến về băng thông rộng và sứcmạnh của máy, những nâng cấp quan trọng trong giản đồ ngầm, cùng với sự hậuthuẫn của các tổ chức tiêu chuẩn khác, tất cả đã tạo ra một môi trường vô cùngthuận lợi cho công nghệ 3D trên mạng

- Cũng theo ông Parisi, chuẩn 3D mới đã khắc phục được kích thước cồng kềnh vàcấu trúc phức tạp của VRML cũ X3D có cấu trúc di động, được xây quanh mộtđộng cơ thu phát nhỏ, hoàn toàn tương phản với "người tiền nhiệm" của nó Trongkhi VRML ngốn tới 2.5 MB thì phần nhỏ nhất của X3D chỉ chiếm một dunglượng khiêm tốn là 300 KB

- Bản ghi kỹ thuật cũng đồng thời mô tả 3 cấu hình cơ bản của X3D module Đầutiên là Interchange (Trao đổi) phụ trách hình học và hình hoạ cũng như trao đổithông tin dữ kiện giữa các công cụ sáng tạo Trình độ tiếp theo, Interactive(Tương tác), bổ sung cho chức năng tương tác trong Interchange bằng các yếu tốcủa một trang 3D

- Cấu hình thứ ba, Extensibility (khả năng mở rộng), cho phép các tác giả 3D sángtạo ra hợp phần X3D và nối ứng dụng của họ với cơ sở dữ liệu cùng các nguồnthông tin bên ngoài khác

- Như vậy, về mặt lý thuyết thì X3D cung cấp một cơ sở hoàn thiện hơn VRML,cho phép các nhà phát triển có thể mở rộng mà không làm vụn cấu trúc hạt nhâncủa bản vẽ kỹ thuật - một lỗi mà VRML đã từng mắc phải

- Một yếu tố khác cũng góp phần không nhỏ vào uy tín của X3D là sự ủng hộ củacác nhóm chuẩn khác Nhóm chuyên gia hình ảnh động (MPEG) đã đồng ý nạpX3D vào MPEG 4, một chuẩn tiêu biểu cho video và audio kỹ thuật số

- Yếu tố thứ ba, theo các tác giả, có thể kích thích thị trường 3D chính là việc sửdụng đồ hoạ cao cấp trong các hệ điều hành

- Hội đồng tiêu chuẩn mạng World Wide Web Consortium (W3C), và đang có ýđịnh tích hợp chặt chẽ X3D với các công nghệ W3C

- W3D thậm chí còn lên kế hoạch thuê SMIL (Ngôn ngữ tích hợp multimedia đồngbộ) để đồng bộ hoá các yếu tố 3D với các hình thức truyền thông khác

- Những phiên bản trước của AutoCAD sử dụng các thực thể nguyên thủy

(primitive entity) – như là đường thẳng, đường polyline, đường tròn, đường cong, và văn bản – là nền cho những vật thể phức tạp hơn Tuy nhiên, từ giữa

thập niên 1990, AutoCAD đã hỗ trợ các vật thể đặc chế dùng giao diện lập trìnhứng dụng C++

- Những phiên bản AutoCAD gần đây bao gồm những công cụ cơ bản về hình khối 3D, nhưng nó thiếu một số tính năng cao cấp thường có trong những chương trìnhchuyên về lập mô hình khối

- AutoCAD hỗ trợ nhiều giao diện lập trình ứng dụng (API) để đặc chế và tự động hóa, bao gồm AutoLISP, Visual LISP, VBA, NET, và ObjectARX ObjectARX

là một thư viện lớp C++; nó được sử dụng để phát triển phần mềm dựa trên AutoCAD cho những ngành riêng, như là AutoCAD Architecture (kiến trúc), AutoCAD Electrical (điện tử), AutoCAD Civil 3D (kỹ thuật xây dựng), hay các chương trình bên thứ ba

- Các định dạng tập tin chính của AutoCAD là DWG và định dạng trao đổi DXF;hai định dạng này được trở thành tiêu chuẩn de facto về dữ liệu CAD Gần đây,

AutoCAD cũng hỗ trợ DWF, một định dạng được Autodesk phát triển và quảngcáo có mục đích xuất bản dữ liệu CAD

- AutoCAD hiện chỉ chạy trên Microsoft Windows Cho đến phiên bản R13 vàonăm 1994, nó cũng chạy trên MS-DOS Các phiên bản chạy trên Unix vàMacintosh được phát hành vào những năm 1980 và những năm 1990, nhưngAutodesk bác bỏ các hệ điều hành này

- Dù sao, AutoCAD vẫn chạy được trên chương trình mô phỏng (emulator) hay lớp

tương thích (compatibility layer) như là Microsoft Virtual PC hay Wine, mặc dù

hiệu suất bị giảm khi mở lên vật thể 3D hay bản vẽ lớn trong những chương trình này

IX Hình 3D và các kiểu định dạng

- Tập tin hình ảnh 3D bao gồm các mô hình ba chiều, hoạt họa 3D, và 3D các tập tin dự án 3D models are typically comprised of polygons and verticies and that create the model's shape mô hình 3D thông thường bao gồm các đa giác và verticies và tạo ra hình dạng của mô hình They may also include textures as well

as lighting and shading information Họ cũng có thể bao gồm kết cấu cũng như ánh sáng và bóng thông tin

Phổ biến hình ảnh 3D mở rộng tập tin bao gồm OBJ , IGS , và MA tập tin Các loại tập tin hình ảnh bao gồm đồ họa Raster và Vector Graphic tập tin.