Khóa luận Nghiên cứu và xây dựng thử nghiệm 3D Engine - Phần 4

guồn ánh sáng [1] 
cModel[12] float4x3 c42 .. c77 12 ma trận World (0) -> World (12) (Dùng 
cho Indexed Skinning). Dùng cho phát 
triển Engine sau này, hiện nay Engine vẫn 
chưa hỗ trợ hardware skinning. 
cView float4x4 c78 .. c81 Ma trận View 
cProjection float4x4 c82 . .c85 Ma trận Projection 
cInvModel float4x4 c86 .. c89 Ma trận World (0) nghịch đảo 
Bảng 3-2 Các hằng mặc định cơ bản 
Chú thích: 
 [1] : Thông tin về nguồn sáng được bố trí thành cấu trúc. 
struct LightInfo 
{ 
 float4 color; 
 float4 dir; 
 float4 pos; 
 float4 spotParams; 
 float4 atten; 
}; 
LightInfo cLightInfo[2]; 
 Chương 3. Nwfc Engine 
 - 50 - 
Trong đó: 
 color. Màu của nguồn sáng. 
 dir. Hướng chiếu tới của nguồn sáng (chỉ dùng cho nguồn sáng song song 
(directional light)). 
 pos. Vị trí đặt nguồn sáng (chỉ dùng cho nguồn sáng điểm (point light) và 
nguồn sáng hình chóp (spot light)). 
 spotParams. Thông tin về nguồn sáng hình chóp (spot light). 
 atten. Độ suy giảm cường độ ánh sáng theo khoảng cách. 
Phân loại Vertex Shader trong Engine 
 Vertex Shader trong Engine được phân làm 2 loại tùy vào đặc tính sử dụng 
 Vertex Shader không phụ thuộc (hay không dùng) nguồn sáng. 
 Vertex Shader phụ thuộc vào nguồn sáng 
¾ Vertex Shader không phụ thuộc nguồn sáng 
 Vertex Shader thuộc loại này thường khá đơn giản do không phải tính toán đổ 
sáng từ các nguồn sáng. Số lượng các vi lệnh (intructions) thường rất ít do đó hầu 
hết chỉ cần dùng Vertex Shader phiên bản vs_1_1 là đủ. Các Vertex Shader được 
cài đặt sẵn bởi Engine trong số này gồm có (chi tiết các thuật toán và mã nguồn sẽ 
được trình bày ở chương sau). 
 vertex_screenspace_11.vsh. Dùng để vẽ các đối tượng trực tiếp lên màn 
hình theo tọa độ điểm trên màn hình. Thường dùng cho việc vẽ các đối tượng giao 
diện GUI, ngoài ra Shader này còn được dùng trong thuật toán đổ bóng Shadow 
Volume. 
 vertex_shadowvol_11.vsh. Chỉ dùng cho thuật toán đổ bóng Shadow 
Volume mà thôi. 
 vertex_skybox_11.vsh. Dùng để vẽ các khung cảnh bầu trời bằng các khối 
vuông. 
 Chỉ số 11 đằng sau tên của các Vertex Shader chính là phiên bản Vertex Shader 
đó đang sử dụng. Trong đó 11 là phiên bản vs_1_1, 20 là phiên bản vs_2_0, 30 là 
phiên bản vs_3_0. 
 Chương 3. Nwfc Engine 
 - 51 - 
¾ Vertex Shader phụ thuộc nguồn sáng 
 Các Vertex Shader trong số này gồm có: 
 vertex_bump_11.vsh. Là shader chính dùng để các đối tượng có hỗ trợ ánh 
sáng và bump bề mặt bằng normal map. 
 Vertex Shader phụ thuộc nguồn sáng có độ phức tạp hơn hẳn do phải tính toán 
đổ ánh sáng từ các nguồn sáng. Engine hỗ trợ tối đa 2 nguồn sáng cùng với ánh 
sáng môi trường 6 mặt (ambient light cube) và cung cấp thông tin các ánh sáng này 
thông qua các biến hằng cAmbientCube[6] và cLightInfo[2], mỗi nguồn sáng có thể 
là 1 trong 3 loại sau đây, nguồn sáng càng về sau thì tính toán càng phức tạp. 
 Nguồn sáng song song (Directional Light) 
 Nguồn sáng điểm (Point Light) 
 Nguồn sáng hình chóp (Spot Light) 
 Vertex Shader phụ thuộc nguồn sáng khi được viết mới phải đảm bảo sử dụng 
hết các thông tin về nguồn sáng mà Engine cung cấp để việc dựng hình được chính 
xác. 
¾ Sự phức tạp của Vertex Shader phụ thuộc nguồn sáng 
 Nếu không tính ánh sáng môi trường thì mỗi nguồn sáng có 4 trạng thái (không 
dùng, song song, điểm và hình chóp) nên tổ hợp trạng thái của 2 nguồn sáng có thể 
xảy ra trong Engine là 2 * 4 = 8 (trạng thái), muốn kiểm tra 8 trạng thái này Vertex 
Shader phải sử dụng lệnh rẽ nhánh if. Ta hãy xem qua 1 Vertex Shader đơn giản chỉ 
tính toán màu sắc vertex theo các nguồn sáng sau đây: 
VS_OUTPUT main( const VS_INPUT i ) 
{ 
 ... 
 // Calculate lighting for light 1 
 o.color = 0; 
if( cLightInfo[0].type == LIGHTTYPE_DIRECTIONAL ) 
 o.color += ( “do directional lighting” ); 
 else if ( cLightInfo[0].type == LIGHTTYPE_POINT ) 
 o.color += ( “do point lighting” ); 
 Chương 3. Nwfc Engine 
 - 52 - 
 else if ( cLightInfo[0].type == LIGHTTYPE_SPOT ) 
 o.color += ( “do spot lighting” ); 
 // Calculate lighting for light 2 
if( cLightInfo[1].type == LIGHTTYPE_DIRECTIONAL ) 
 o.color += ( “do directional lighting” ); 
 else if ( cLightInfo[1].type == LIGHTTYPE_POINT ) 
 o.color += ( “do point lighting” ); 
 else if ( cLightInfo[1].type == LIGHTTYPE_SPOT ) 
 o.color += ( “do spot lighting” ); 
 ... 
 return o; 
} 
 Kết quả là chương trình này quá nặng nề và chỉ biên dịch được trên phiên bản 
Vertex Shader 3.0 mà thôi (do số vi lệnh phát sinh do các lệnh rẽ nhánh là rất lớn 
vượt quá giới hạn số vi lệnh tối đa của các phiên bản Vertex Shader thấp hơn, như 
phiên bản 1.1 chỉ hỗ trợ tối đa 128 vi lệnh còn 2.0 chi hỗ trợ 256 vi lệnh trong 1 
chương trình Vertex Shader) điều đó có nghĩa là Shader này chỉ chạy được trên các 
card màn hình siêu cao cấp mà thôi. 
¾ Cách giải quyết của Engine: 
 Engine chia tổ hợp các trạng thái của nguồn sáng thành 11 tổ hợp nguồn sáng 
(gọi là light combo) ứng với 8 trạng thái ở trên + 3 trạng thái mới do có sự tham gia 
của ánh sáng môi trường. Mỗi tổ hợp được gán bằng 1 chỉ số nhận dạng (từ 1..11). 
Chỉ số light combo Nguồn sáng 0 Nguồn sáng 1 Môi trường 
1 NONE NONE NONE 
2 NONE NONE AMBIENT 
3 SPOT NONE AMBIENT 
4 POINT NONE AMBIENT 
5 DIRECTIONAL NONE AMBIENT 
6 SPOT SPOT AMBIENT 
7 SPOT POINT AMBIENT 
8 SPOT DIRECTIONAL AMBIENT 
9 POINT POINT AMBIENT 
10 POINT DIRECTIONAL AMBIENT 
11 DIRECTIONAL DIRECTIONAL AMBIENT 
Bảng 3-3 Các tổ hợp nguồn sáng 
 Chương 3. Nwfc Engine 
 - 53 - 
 Tại 1 thời điểm dụng hình (render) chỉ có 1 và chỉ 1 light combo tồn tại mà thôi 
và thông tin về các nguồn sáng của light combo này là hoàn toàn cố định. Do đó khi 
thiết kế Vertex Shader thay vì làm 1 Shader lớn như ở trên ta sẽ phân ra làm 11 các 
Shader nhỏ (mỗi Shader được định dạng bằng chỉ số ứng với light combo mà nó sử 
dụng, chỉ số này được gán thêm vào tên tập tin để Engine có thể nhận dạng được 
Vetex Shader đó được dùng cho light combo nào). 
 Ví dụ: tập tin “vertex_bump_11_5.vsh” trong đó “vertex_bump_11” là tên 
Shader + phiên bản của Shader và “_5” là chỉ số của light combo được sử dụng 
(ứng với tổ hợp nguồn sáng DIRECTIONAL, NONE, AMBIENT). 
 Với các giải quyết trên chương trình Vertex Shader không phải còn sử dụng các 
lệnh rẽ nhánh (if) nữa, làm cho số vi lệnh giảm xuống đáng kể khiến cho phiên bản 
Vertex Shader được biên dịch thành cũng giảm theo, điều này sẽ giúp chương trình 
có thể chạy trên nhiều thế hệ phần cứng hơn. 
 Đối với loại Vertex Shader phụ thuộc nguồn sáng thì cách sử dụng trong Effect 
file cũng có 1 số thay đổi nhỏ để Engine có thể nhận biết được loại Vertex Shader 
này. 
pass p0 < 
 string vsh = "vertex_bump_11?"; 
 string psh = "pixel_bump_20"; 
> 
 Dấu “?” phía sau "vertex_bump_11” sẽ giúp Engine nhận diện đây là Vertex 
Shader có sử dụng nguồn sáng, Engine sẽ tự động tìm kiếm và nạp tất cả các Vertex 
Shader có tên “vertex_bump_11_x” (x = 1..11) vào bộ nhớ để có thể sử dụng sau 
này. 
 Chương 3. Nwfc Engine 
 - 54 - 
3.5.6.2. Pixel Shader 
 Hầu hết Pixel Shader trong Engine đi liền với 1 Vertex Shader tương ứng do 
Pixel Shader cần dữ liệu input là các output từ Vertex Shader. Pixel Shader trong 
Engine không sử dụng các thanh ghi hằng mặc định như Vertex Shader. Danh sách 
các Pixel Shader được cài đặt trong Engine. 
 pixel_bump_20.psh. Là shader chính dùng để các đối tượng có hỗ trợ ánh 
sáng và bump bề mặt bằng normal map (dùng chung với vertex_bump_11.vsh). 
 pixel_glowscreen_11.psh. Dùng để vẽ các vật thể phát sáng như bóng đèn, 
màn hình máy tính… 
3.6. Tóm tắt 
 Trong chương này chúng tôi trình bày về một số thành phần chính trong Nwfc 
Engine. Chi tiết các thuật toán của Vertex Shader và Pixel Shader được cài đặt trong 
Nwfc Engine sẽ được trình bày ở chương sau. 
 Chương 4. Các thuật toán Vertex và Pixel Shader 
 - 55 - 
Chương 4 Các thuật toán Vertex và Pixel Shader 
 • Lời nói đầu 
 • Đổ bóng thời gian thực Shadow Volume 
 • Khung cảnh bầu trời (sky box) 
• Chiếu sáng theo điểm ảnh (per-pixel lighting) sử dụng 
normal map và specular map 
• Tóm tắt 
 Chương 4. Các thuật toán Vertex và Pixel Shader 
 - 56 - 
4.1. Lời nói đầu 
 Phần này sẽ trình bày nội dung chi tiết của thuật toán Vertex Shader và Pixel 
Shader dùng trong Game demo. Các kết quả thử nghiệm đều được chụp lại từ Game 
demo hay từ Engine. 
4.2. Đổ bóng thời gian thực Shadow Volume 
 Trong lĩnh vực đồ họa 3D nói chung cũng như Game 3D nói riêng hiện nay, các 
mô hình đổ bóng thời gian thực đang được sử dụng rất rộng rãi, ngoài việc giúp 
người quan sát hình dung được vị trí tương đối của vật thể trong không gian 3 
chiều, đổ bóng còn góp phần làm cho bối cảnh trở nên gần gũi với thực tế hơn. 
 Nhận thức được tầm quan trong của việc đổ bóng thời gian thực, hàng loạt các 
thuật toán về đổ bóng đã đang được phát triển. Hàng loạt các thuật toán ra đời mà đi 
đôi với nó là chất lượng và tốc độ, trong đó có 2 thuật toán được sử dụng nhiều 
trong việc dựng hình 3D thời gian thực là Shadow Volume và Shadow Map. Báo 
cáo trong phần này sẽ đề cập tới cơ sở lý thuyết và áp dụng của thuật toán Shadow 
Volume trong Nwfc Engine. 
4.2.1. Cơ sở lý thuyết 
¾ Vùng bóng tối (Shadow Volume) 
 Vùng bóng tối (shadow volume) của một vật thể là 1 khối khu vực trong không 
gian bị bao phủ bởi bóng tối của vật đó do một nguồn sáng phát ra. Khi dựng hình, 
tất cả các vật thể khác nằm trong vùng bóng tối đều không được chiếu sáng bởi 
nguồn sáng tạo ra vùng tối đó. 
 Mỗi shadow volume của vật thể được cấu tạo bởi 3 phần, phần trước (front cap), 
phần sau (back cap), và phần cạnh (side). Phần trước và phần sau của shadow 
volume được tạo bởi chính vật thể chắn sáng: phần trước được cấu tạo bởi tất cả các 
mặt hướng về phía ánh sáng, còn phần sau thì ngược lại bao gồm các mặt hướng 
ngược lại với hướng ánh sáng nhưng được di chuyển ra xa khỏi nguồn sáng theo 
phương ánh sáng để cấu thành vùng bóng tối, khoảng di chuyển này phải đủ lớn để