BIỂU DIỄN ĐỐI TƯỢNG TRONG CAD
8.2. TẠO HÌNH ẢNH HIỆN THựC
8.2.1. Loại bỏ đường và mật khuất
, , ■ ° cacj dương khuât, mạt khuất trong khi hiển thị mô hình là cách làm đơn giản t e ^ mh bteu dien cua mô hình hiện thực hơn. Cần lưu ý rằng các chương trình phần
Cihỉ nhận dạnê các dường khuất để ra lệnh cho thiết bị không hiển thị chúng. Các đương khuât hoàn toàn không bị loại bỏ khỏi cơ sở dữ liệu hình học của đôi tượng.
159
c)
Hình 8.7. Hiệu quả của việc tạo hình ảnh hiện thực
a) Biểu diễn tất cả các đường và m ặ t; b) Loại bỏ đường và mặt khuất trên hình biểu diễn;
c) Tô bóng các mặt của mô hình
Giả sứ cán xét thấy khuất một đối tượng đơn giản là một đa diện lồi được miêu tả dưới dạng mô hình khung dây (hình 8.8). Có thể đưa ra một thuật toán đơn giản để phát hiện sơ bộ thấy khuất của mỗi mặt bên của đối tượng. Mỗi mặt bên có thể là hoàn toàn thấy hoặc hoàn toàn khuất hoặc bị chiếu thành một cạnh. Đối với mỗi mặt bên, hãy xét một pháp tuyến hướng ra ngoài đối tượng. Khi quan sát đối tượng từ điểm nhìn, một mặt bên sẽ thấy nếu pháp tuyến của nó hướng về phía người quan sát; sẽ khuất nếu pháp tuyến của nó hướng đi phía khác; sẽ bị chiếu thành một cạnh nếu pháp tuyến của nó vuông góc với tia nhìn.
A
Hình 8 .8 . X á c định th ấ y k h u ấ t củ a c á c m ặ t b ê n từ đ iể m nhìn Vp Góc ()•)< 90°: mặt bên ABC thấy; Góc 02> 90°; mặt bên ACD khuất
Nếu coi đối tượng là tạo bởi nhiều mặt bên, trên hình biêu diẻn mặt thây sẽ dược vẽ trên thiết bị bàng nét liền, mặt khuất sẽ được vẽ bằng nét đứt hoặc không vẽ.
Hình 8.8 minh họa một pháp tuyến n| hướng ra ngoài của mặt bên ABC. Đối với điểm nhìn Vp, góc 0| giữa pháp tuyến của mặt và véctơ đi từ gốc của pháp tuyến đến điểm nhìn nhỏ hơn 90°, mặt bên này sẽ thấy, nghĩa là sẽ được hiển thị bằng nét liền.
Xét mặt bên ACD, góc 01 giữa pháp tuyến n? của mặt và véctơ đi từ gốc của pháp tuyến đến đicm nhìn lớn hơn 90°, mặt bên này sẽ khuất, nghĩa là sẽ được hiển thị bàng nét đứt hoặc không được hiển thị.
Trong trường hợp phức tạp hơn, cháng hạn dối tượng là một đa diện lõm (hình 8.9), một phần của đối tượng còn bị che bới một mặt khác. Khi quan sát đối tượng dọc theo trục Y, hoặc theo trục z thì chỉ cần áp dụng thuật toán phát hiện thấy khuất sơ bộ ớ trê'lì là dủ đế phát hiện thấy khuất các mặt bên của đối tượng. Tuy nhiên, nếu chi áp dụng thuật toán trên thì không thế phát hiện được thấy khuất của các phần che lấp nhau. Theo thuật toán trên mặt ABCD là hoàn toàn thây ớ hình biểu diễn HCTD nàv, mặc dù trên thực tê một phần của nó lại bị che khuất.
ỉ Y
X
Hình 8.9. Trường hợp p h ứ c tạp:
M ặ t b ê n A B C D có m ộ t p h ầ n th ấ y và m ộ t p h ầ n b ị c h e k h u ấ t
Dễ dàng thấy rằng thuật toán phát hiện thấy khuất ở trên chỉ có thể nhận dạng đúng các mặt “phía sau” hoàn toàn không được thấy mà thôi, nên trong các trường hợp phức tạp nó chỉ được áp dụng ở bước đầu để loại bỏ các mặt khuất này ra khỏi việc xem xét ở các bước tiếp theo. Người ta đã nghiên cứu và đưa ra nhiều thuật toán loại bỏ đường và mặt khuất trong các trường hợp phức tạp và tổng quát hơn.
8.2.2. Biểu diễn hiện thực
Với việc thể hiện hình dáng, kích thước và loại bỏ các phần bị che khuất của mô hình như trên, hình biểu diễn nhận được vẫn chưa gây được ấn tượng giống với hình ảnh khi ta quan sát đối tượng trong thực tế. Trong thế giới thực các yếu tố ánh sáng, cảnh quan môi trường... đều tác động đến hình ảnh đối tượng mà ta quan sát.
Để tạo được các hình ảnh giống như quan sát đối tượng trong không gian thực, trong các phần mềm CAD người ta còn nghiên cứu mô tả mặt ngoài mô hình của đối tượng bằng mầu sắc, chất liệu, độ nhẵn..., nghiên cứu nguồn sáng chiếu vào mô hình, độ sáng tối, phản quang hay bóng đổ lên mô hình, nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố cảnh quan môi trường...
Mô hình đối tượng được xét ở dạng tổ hợp các mảnh mặt tạo bởi các tam giác hoặc tứ giác phang (Phần 2, mục 2) và quy ước gọi mỗi mảnh mặt là một mặt bên.
Để tạo được hình ảnh thực, trước tiên tính các pháp tuyến ngoài của các mặt bên, xác định các mặt khuất (như ở mục 1) và loại bỏ các mặt này ra khỏi việc tính toán trong các bước tiếp theo. Sau đó, tiến hành so sánh khoảng cách tương đối giữa các mặt bên còn lại đối với điểm nhìn để xầc định các mặt bị che khuất và loại bỏ chúng.
Sau khi loại bỏ các mặt khuất sẽ tính độ sáng tối và mầu sắc cho các điểm của mỗi mặt thấy chủ yếu dựa vào các yếu tố sau:
- Bản chất các nguồn sáng: ánh sáng nền (môi trường), ánh sáng mặt trời (nguồn sáng song song), ánh sáng đèn (nguồn sáng điểm), ánh sáng phản xạ của các đối tượng xung quanh...
- Cường độ của các nguồn sáng, mức độ giảm sáng theo khoảng cách tới điểm được chiếu sáng.
- Góc tạo bởi mặt bên với tia sáng: tia sáng xiên góc hay vuông góc với mặt bên (thường được tính qua góc tạo bởi tia sáng với pháp tuyến của mặt).
- Khoảng cách từ nguồn sáng tới điểm được chiếu sáng.
- Độ phản xạ cúa mặt bèn: chất liệu tạo mặt, bể mặt nhẩn hay gồ ghề...
a) Các phương pháp tạo ảnh thực
Có nhiều phương pháp tô bóng các mặt bên cúa mô hình đối tượng để tạo hình ảnh hiện thực. Sau đây là một sô phương pháp hay gặp trong các phần mềm CAD.
- T ô bóng ph ẳn g (Flat Shading)
Phương pháp này coi độ sáng và mầu sắc của mọi điểm trên một mặt bên là như nhau, vì vậy chỉ cần tính độ sáng cho một điểm rồi áp dụng cho toàn mặt bên. Cách tô bóng này được thực hiện với tốc độ rất nhanh nhưng cho hình ảnh có chất lượng hạn chế vì sự thay đổi đột ngột độ sáng của hai mặt bên liền nhau.
- T ô bóng trơn (Smooth Shading)
Để khắc phục nhược điểm của phương pháp trên, phương pháp này coi độ sáng và mầu sắc của các điểm khác nhau trên một mặt bên là khác nhau. Cách tô bóng này sẽ tính toán độ sáng cho một số điểm trên mặt rồi nội suy ra độ sáng của các điểm khác của mặt và tạo được sự chuyển tiếp về độ sáng của hai mặt bên liền nhau.
Hình 8.10. Tô bóng phẳng Hình 8.11. Tô bóng trơn Độ sáng của hai mặt bên liền nhau có thể Độ sáng của hai mặt bên liền nhau có sự
như nhau hoặc thay đổi đột ngột chuyển tiếp trơn tru
Để nội suy dộ sáng của. các điểm trên một mặt bên. người ta thường dùng hai thuật toán sau:
Nội suy Gouraud
Henry Gouraud đã đưa ra thuật toán sau:
- Xác định dộ sáng của các đỉnh của mặt bên. Khi tính độ sáng, pháp tuyến tại một đỉnh được coi là trung bình cộng của các pháp tuyến của các mặt bèn có chung đỉnh này.
- Nội suy tuyến tính độ sáng của các điểm trên cạnh biên dựa vào độ sáng các đính thuộc cạnh này.
- Nội suy tuyến tính độ sáng của các điểm trong mặt bên theo các điểm trên cạnh biên của mặt bên này. Bước tính này được lặp lại cho các điểm nằm trên một đường quét ngang qua mặt bên.
Hình ảnh nhận được bằng thuật toán này còn thiếu sót do việc nội suy tuyến tính có thể tạo ra các vệt sáng, tối không bình thường.
Nội suy Phong
Để cải tiến thuật toán trên, Bùi Tường Phong đã đưa ra thuật toán nội suy véctơ pháp tuyến.
Thay thế cho việc nội suy giá trị độ sáng của các điểm trên cạnh biên, các điểm bên trong trực tiếp từ độ sáng của các đỉnh của một mặt bên, Phong nội suy véctơ pháp tại các điểm trên biên từ các véctơ pháp tại đỉnh, gắn cho mỗi điểm bên trong một véctơ pháp nội suy từ các véctơ pháp của các điểm trên biên. Sau đó, tính toán giá trị độ sáng của một điểm tương ứng với véctơ pháp của nó.
Thuật toán Phong cho phép nhận được hình ảnh hiện thực hơn rất nhiều so với thuật toán Gouraud, tuy nhiên nó đòi hỏi khối lượng và thời gian tính toán tãng lên đáng kể.
- Dò tia (Ray Tracing)
Phương pháp này tính toán các thuộc tính độ sáng, độ trong suốt, độ phản xạ cho mỗi đối tượng của mô hình bằng cách vạch các tia ngược từ mắt người quan sát đế biết chúng bị tác động ra sao khi đi từ nguồn sáng đến mắt người quan sát. Các thuộc tính này được dùng để tính toán các thông số mầu sắc và cường độ cho từng điểm ảnh tạo nên hình ảnh trên màn hình. Phương pháp dò tia tạo được hình ảnh hiện thực cao hơn hẳn hai phương pháp trên, tuy nhiên đòi hỏi nhiều thời gian tính toán và bộ nhớ của MTĐT.
Hình 8.12. Tô b ó n g dò tia n h ậ n được h ình ả n h h iện thực c a o
b) N guồn sáng, chất liệu Nẹuồn sáng
Các loại nguồn sáng sau đây thường gặp trong các phần mềm CAD :
- Ánh sáng nền còn gọi là ánh sáng môi trường là ánh sáng vô hướng, có độ sáng như nhau đối với mọi điểm trong mô hình, không gầy bóng đổ.
- Nguồn sáng song song phát ra các tia sáng song song theo một hướng nhất định, cường độ sáng không đổi. Có thể coi nguồn sáng này là mặt trời.
- Nguồn sáng điểm phát ra các tia sáng theo mọi hướng trong không gian, độ sáng giảm dần theo khoảng cách chiếu sáng.
- Nguồn sáng đèn chiếu phát ra các tia sáng nằm trong một hình nón chiếu theo hướng xác định.
Chất liệu
Để tạo được hình ảnh hiện thực, việc xác định loại chất liệu tạo nên mô hình đối tượng là không thể thiếu. Các phần mềm CAD có thư viện phong phú các chất liệu đê gán cho mô hình đối tượng (hình 8.13). Người thiết kế có thể sửa đổi các chất liệu đã có hay tạo các chất liệu mới bằng cỏch thay đổi cỏc thuộc tớnh: màu sắc, độ phản xạ, độ nhẵn,ô độ trong suốt...
t§ @
320x200x24) 320x200x24)
ashsen benediti
1 28x 7 8x2 4
brnbricb granite grybrick
mmìmm ., -
86x88x24 64x64x24
lltwoodl imarblel
'64x64x24
[pavers’ ishmg!2 *stone2
3 2 0 x 2 00 x24 2S6x 1 3 1 x 2 4 11 7x5 8 x24
marbteal oak_bedl patOOŨ3
7 ix 6 3 x l6 b
patoooó
66x83xl6b p a t 0 0 0 7
Hình 8 . 1 3 . M ộ t sô c h â t liệu trong thư viện của p h ầ n m ề m A u t o C A D
Cảnh quan môi trường
Việc đặt mô hình đối tượng vào môi trường cảnh quan cụ thể, nơi sẽ thi công xây dựng công trình, sẽ tạo nên hình ảnh gây ấn tượng giống như quan sát trong thực tế. Các yếu tố môi trường thường gặp là độ mù sương giới hạn tầm nhìn xa của ngưòi quan sát, ảnh nền sau mô hình, các đối tượng cảnh quan... Các yếu tố này được chỉ định và bổ sung vào khung cảnh trước khi thực hiện việc tạo ảnh hiện thực.
Có thể lấy ví dụ minh hoạ các lệnh tạo ảnh hiện thực của các phần mềm CADD bằng thanh công cụ phần mềm AutoCAD (hình 8.14).
Hiệu quả tạo ảnh hiện thực với việc đặt các nguồn sáng khác nhau và gán các loại vật liệu khác nhau cho các đối tượng trong phần mềm AutoCAD (hình 8.15).
L o ạ i b ỏ đ ư ờ n g v à m ặ t k h u ấ t T ạ o ả n h h iệ n th ự c
X á c đ ịn h k h u n g c ả n h X á c lậ p n g u ồ n s á n g
G á n c h ấ t liệ u
T h ư v iệ n c h ấ t liệ u
C á c h g á n c h ấ t liệ u lê n đ ố i tư ợ n g
3
Đ ặ t ả n h n ề n
S ư ơ n g m ù Đ ặ t đ ố i tư ợ n g c ả n h q u a n
S ử a đ ố i tư ợ n g c ả n h q u a n T h ư v iệ n đ ố i tư ợ n g c ả n h q u a n
X á c lậ p c á c t h ô n g s ố tạ o ả n h T h ố n g k ê c á c t h ô n g s ố tạ o ả n h
Hình 8.14. Thanh công cụ các lệnh tạo ảnh hiện thực của phần mềm AutoCAD
Hình 8.15. Tạo ảnh hiện thực với các nguồn sáng và chất liệu khác nhau
Trong thực tế người ta sử dụng đồng thời nhiều cách khác nhau và các phần mềm khác nhau để biểu diễn đối tượng cần thiết kế (hình 8.16).
a ) B iể u d iễ n dưới d ạ n g k h u n g d ả y ( p h ầ n m ề m A u to C A D )
167
b ) B iể u d iễ n b ằ n g c á c h tô b ó n g ( p h ầ n m ề m A u t o C A D )
c ) T ạ o ả n h h iệ n th ự c v ớ i v iệ c g á n c h ấ t liệ u , đ ặ t n g u ồ n s á n g v à đ ố i tư ợ n g c ả n h q u a n m ô i trư ờ n g ( p h ầ n m ề m 3 D M A X )
H ì n h 8 . 1 6 . Sử dụng các cách biểu diễn khác nhau trong thiết kế
168