Nội dung

Bài giảng Dựng hình 3D nâng cao – Ngành Truyền thông Đa phương tiện TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG BỘ MÔN TRUYỀN THÔNG ĐA PHƢƠNG TIỆN BÀI GIẢNG DỰNG HÌNH 3D NÂNG CAO (Dùng cho sinh viên ngành Truyền thông Đa phương tiện) Lƣu hành nội bộ Tập thể biên soạn: 1. GV. Trần Nguyễn Duy Trung Thái Nguyên, 2014 1 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Bài giảng Dựng hình 3D nâng cao – Ngành Truyền thông Đa phương tiện BÀI GIẢNG DỰNG HÌNH 3D NÂNG CAO Chƣơng 1: ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ 3D TRONG THIẾT KẾ 1.1 Tổng quan về lịch sử hội họa máy tính Hội họa máy tính xuất hiện trước khi khái niệm pixel ra đời. Khi những chiếc máy tính còn đang trong giai đoạn trứng nước, các nhà tiên phong trong công nghệ này đã sử dụng các bản in hoặc một thiết bị gọi là máy hiện sóng (oscilloscope) thay cho các màn hình máy tính. Một số game máy tính xuất hiện trước nhất là các game Tele Type mà ở đó người chơi sẽ gửi cập nhật cho nhau như những bản in. Khi kỹ thuật hiển thị phát triển, các tác phẩm đồ họa máy tính chuyển từ máy in sang màn hình máy tính. Các màn hình trước đây là những màn hình đơn sắc và được thiết kế dành cho văn bản, chứ không dành cho đồ họa. Tuy nhiên, các họa sỹ luôn tìm cách để sáng tạo nghệ thuật ngay cả khi có một màu. Hầu hết mọi người đề đánh dấu năm 1963 là sự khởi nguồn của đồ họa máy tính, khi Ivan Sutherland phát minh ra thiết bị Sketchpad. Sketchpad cho phép các họa sỹ sử dụng bút quang học làm việc với các hình ảnh vector trên một màn hình hiển thị đồ họa vector. Đồ họa vector là các đường thẳng và các đường cong được tính toán từ các công thức toán học. Vào cuối thập niên đó, đồ họa raster được phát minh và khái niệm pixel ra đời. Raster là một dòng điểm định hình nên bức ảnh. Hình ảnh mành được tạo ra từ các dòng pixel nằm ngang. Số lượng các đường thẳng nằm ngang và số lượng các pixel trên mỗi đường xác định nên độ phân giải của các màn hình máy tính. Hình ảnh raster đầu tiên trông khá thô bởi vì các máy tính trước đây không đủ mạnh để chiếu được nhiều pixel. Bạn có thể nhìn thấy khá rõ tiến trình hiển thị các hình ảnh mành của các nhân vật trong game. Hình 1-1 cho thấy một nhân vật game ở thời kỳ đầu. Hình ảnh chỉ có một màu và các pixel rất lớn. Nhân vật này chỉ có bề rộng là 5 pixel và chiều cao là 5 pixel. 2 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Bài giảng Dựng hình 3D nâng cao – Ngành Truyền thông Đa phương tiện Hình 1-1 Cũng không mất quá lâu trước khi các nhà khoa học biết cách thay đổi màu sắc trên màn hình máy tính. Máy tính vẫn còn được xem là các công cụ thương mại hoặc nghiên cứu. Mặc dù chưa được nhìn nhận là một công cụ nghệ thuật nhưng các họa sỹ vẫn không đứng ngoài cuộc. Các nhà lập trình quan tâm đến việc sáng tạo đồ họa trên máy tính bắt đầu viết các chương trình sáng tạo nghệ thuật trên máy tính. Trong suốt thời gian này có một sự kiện quan trọng khác đã diễn ra: Máy tính cá nhân (PC) được đưa vào thị trường. Các máy tính PC thời kỳ này không mạnh như các hệ thống máy tính lớn, nhưng chúng cũng gây nên sự thay đổi lớn cho bộ mặt của nền công nghệ máy tính. Họ đặt các máy tính lên tay hàng triệu người, một số người trong đó lại yêu thích sáng tạo nghệ thuật. Những người này bắt đầu viết các chương trình đồ họa máy tính cho các loại máy tính cá nhân, đặt nền tảng cho các chương trình mà chúng ta sử dụng ngày nay. Hình 1-2 cho ta thấy một nhân vật game khác. Bạn sẽ thấy là anh ta có nhiều pixel hơn và có nhiều màu sắc phân biệt hơn so với nhân vật trong hình 1-1. Nhân vật này có chiều cao 16 pixel và chiều rộng 7 pixel. 3 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Bài giảng Dựng hình 3D nâng cao – Ngành Truyền thông Đa phương tiện Hình 1-2 Nhân vật này có ít màu. Ngày đó, nhiều hệ thống máy tính bị giới hạn bởi một số lượng màu sắc mà màn hình có thể hiển thị được. Một số máy tính có được các nhóm màu, như các máy tính IBM. Một số máy tính khác cũng cho phép nhiều biến thể màu khác nhau. Càng ngày, hệ thống máy tính càng có độ phân giải cao hơn và hiển thị được nhiều màu hơn. Hình 1-3 cho thấy một nhân vật game gồm 16 màu. Khi có được nhiều màu sắc hơn có nghĩa là các họa sỹ có thể tô bóng cho nhân vật của họ. Lưu ý là nhân vật game lúc này đã bắt đầu tạo được cảm giác khối tích. Hình 1-3 4 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Bài giảng Dựng hình 3D nâng cao – Ngành Truyền thông Đa phương tiện Vào thập niên 80, các game trở nên hiện thực hơn nhưng chúng trông vẫn còn thô. Điều tương tự cũng xảy ra với đồ họa máy tính. Số lượng màu tăng tạo cho họa sĩ máy tính cơ hội sáng tạo các bức ảnh số hiện thực hơn. Được coi trọng hơn về phương diện đồ họa, hệ thống máy tính cá nhân bước vào một hướng phát triển hoàn toàn mới, đem đến các hệ thống hiển thị tốt hơn và có độ phân giải cao hơn. Nhân vật game có độ cao từ 30 pixel, 60 pixel tăng lên 200 pixel. Màn hình có độ phân giải từ 320x300 tăng lên 640x480. Hình 1-4 cho thấy một nhân vật game có chiều cao khoảng 180 pixel. Hình 1-4 Đồ họa 3 chiều bắt đầu từ những ứng dụng trong các chương trình mô phỏng sử dụng trong quân sự. Máy mô phỏng là những chiếc máy tính được chế tạo theo sự đặt hàng riêng liên kết với các hệ thống thủy lực để mô phỏng chuyển động của máy bay hoặc xe ô tô. Tất nhiên mô phỏng ban đầu còn sơ khai và chưa hiện thực lắm, nhưng cũng mang lại cho người dùng có cảm giác ở trong một môi trường thực sự. Khi khả năng đồ họa càng được nâng cao, đồ họa máy tính được sử dụng trong cả hai lĩnh vực game và hoạt hình. Đầu tiên, đồ họa kỹ thuật số 3D được sử dụng để bổ sung cho các mô hình thực tế hoặc để tạo hiệu quả đặc biệt cho phim ảnh. Tuy nhiên, càng lúc nó càng được sử dụng nhiều hơn, cho cả bộ phim, chẳng hạn như phim Toy ’Story và Disnosaur. Được thực hiện hoàn toàn bằng đồ họa máy tính và không có diễn viên thật. 5 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Bài giảng Dựng hình 3D nâng cao – Ngành Truyền thông Đa phương tiện Phần lớn các sản phẩm đồ họa 3D trong các phim hoạt hình được tạo ra trên các hệ thống máy tính mạnh gọi là workstation. Các hệ thống này được thiết kế đặc biệt với phần cứng hỗ trợ đồ họa rất mạnh. Chúng có giá thành cao nhưng tuổi thọ lại rất ngắn. Các máy tính PC không phải là hệ thống duy nhất được cải tiến về sức mạnh tính toán. Các hệ thống video game cũng trở nên mạn hơn. Những năm cuối thập niên 1990 và những năm đầu 2000, các hệ thống game có khả năng thể hiện được các nhân vật đồ họa giống như thật. Hình 1-5 cho thấy một nhân vật từ một trong những hệ thống này. Hình 1-5 Sau này, nhiều máy PC có cấu hình đủ mạnh để xử lý các tác phẩm đồ họa kỹ thuật số phức tạp. Các phần mềm như Adobe Photoshop, Corel Draw, Maya, 3Ds max... 6 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Bài giảng Dựng hình 3D nâng cao – Ngành Truyền thông Đa phương tiện Hình ảnh trục thời gian cho thấy sự cải tiến các tác phẩm đồ họa kỹ thuật số trong các video game, Hình 1-6. 1.2 Đồ họa 3D trong game Đỉnh – Vertex Đơn vị cấu tạo đơn giản nhất của một vật 3D là đỉnh. Đỉnh là một điểm đơn lẻ trong không gian 3D. Nó không có kích thước trong không gian ảo. Thật ra nó dùng để xác định một vị trí trong không gian. Thậm chí để bắt đầu tính toán một đối tượng 3D, máy tính phải bắt đầu từ một điểm. Từ điểm đó, máy tính mới có thể xác định được các điểm khác để định nghĩa một đối tượng 3D. Mặt đa giác – Polygon Mặt đa giác – Polygon là các mặt phẳng trong không gian ảo. Các đỉnh hình thành nên các góc của một mặt đa giác. Các đường thẳng nối giữa các đỉnh hình thành nên mặt đa giác được gọi là các cạnh (Edge). Hình 1-7 cho thấy nhiều mặt đa giác, đỉnh và cạnh. 7 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Bài giảng Dựng hình 3D nâng cao – Ngành Truyền thông Đa phương tiện Hình 1-7 Bởi vì mặt đa giác là một mặt phẳng, nên nó không có bề dày thật sự. Nó đơn giản là một mặt phẳng được tạo thành bằng cách nối liền ba, bốn hoặc nhiều đỉnh. Điều quan trọng cần nắm rõ là mặt đa giác không có chiều dày bởi vì các mô hình lưới mặt đa giác chỉ bao gồm các bề mặt đa giác sao cho chúng kết nối với nhau, họa sỹ game có thể mô phỏng một đối tượng 3D. Hoa văn – Texture Hoa văn – Texture là các hình ảnh 2D được áp cho mô hình 3D để tạo chi tiết cho bề mặt mô hình. Trong thực tế, mọi bề mặt đều có hoa văn. Đôi khi hoa văn chỉ là một màu nhưng cũng có những dạng hoa văn rất phức tạp, chẳng hạn như vở cây. Hình 1-8 với mô hình người được áp hoa văn. 8 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Bài giảng Dựng hình 3D nâng cao – Ngành Truyền thông Đa phương tiện Hình 1-8 Có thể nhận thấy là mọi bề mặt trong tự nhiên đều có một số thuộc tính, chúng ta có thể chia thành các loại cụ thể sau: - Màu sắc (Color). - Độ thô ráp (Roughness). - Độ trong mờ (Translucency). - Độ phản xạ (Reflectivity). - Độ sáng (Luminance). Mỗi thuộc tính là một phần của tất cả những gì tạo nên cảm giác và vẻ ngoài của bề mặt đó.Để làm cho một mô hình 3D trông giống như thật, các họa sỹ cần nắm được các thuộc tính vốn có của bề mặt mà mình muốn thể hiện bằng cách tạo ra các dạng hoa văn càng giống với bề mặt càng tốt. 1.3 Nguồn sáng và sự phản xạ Một phần quan trọng trong việc xây dựng được các môi trường 3D mang tính hiện thực là thể hiện các thuộc tính và đặc tính của môi trường mà bạn thấy trong thế giới thực. Cách thức mà môi trường được chiếu sáng đóng vai trò rất lớn trong việc thể hiện một môi trường thực tế. Nhân tố quan trọng khác của một môi trường 9 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Bài giảng Dựng hình 3D nâng cao – Ngành Truyền thông Đa phương tiện là bản chất phản chiếu của nó. Một vật thể sáng bóng sẽ phản chiếu những gì xung quanh nó. Nguồn sáng Nguồn sáng điểm – Point Light Nguồn sáng điểm tương tự như ánh sáng tỏa ra từ một bóng đèn. Ánh sáng phát ra theo mọi hướng và độ sáng giảm dần theo khoảng cách đối với nguồn sáng. Hình 1-9 cho thấy ánh sánh chiếu rất mạnh lên quả bỏng. Khu vực bao quanh nguồn sáng là sáng nhất, các khu vực khác nằm ở các góc mặt phẳng thì tối hơn. Nguồn sáng điểm rất phù hợp cho việc chiếu sáng một căn phòng hoặc một khu vực cục bộ ngoài trời sử dụng một nguôn sáng nhân tạo, chẳng hạn như ngọn đèn đường về đêm. Hình 1-9 Nguồn sáng định hướng – Directional Light Nguồn sáng định hướng mô phỏng ánh sáng của mặt trời. Mặt trời là một nguồn sáng rất mạnh, chiếu sáng hàng triệu dặm. Các tia sáng mặt trời hầu như song song với nhau khi chúng chạm vào bề mặt trái đất. Một nguồn sáng trực tiếp chiếu sáng mọi thứ như nhau. Hình 1-10 cho thấy cách chiếu sáng lên mặt phẳng là như nhau (chiếu sáng phẳng). Không có sự suy giảm cường độ sáng tính theo khoảng cách đối với loại nguồn sáng này. 10 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông