tổng quan về kĩ thuật đồ hòa và ứng dụng

Ông đặt tên cho phương pháp này là đồ hoạ máytính Computer Graphics .Màn hình là thiết bị thông dụng nhất trong hệ đồ hoạ, các thao tác của hầu hết các màn hìnhđều dựa trên thiết kế ống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘIKHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội, tháng 10 năm 2023

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẠT ĐỒ HỌA

1.Sự cần thiết của kĩ thuật đồ họa trong đời sống hiện nay2.Tổng quan chung và lịch sử phát triển của kĩ thuật đồ họa3.Khái niệm về kĩ thuật đò họa

CHƯƠNG II: CÁC LOẠI KĨ THUẬT ĐỒ HỌA

1 Kĩ thuật đồ họa điểm2 Kĩ thuật đồ họa VECTOR

CHƯƠNG III: PHÂN LOẠI KĨ THUẬT ĐỒ HỌA

1.Phân loại theo các lĩnh vực của đồ họa máy tính 2.Phân loại theo tọa độ

CHƯƠNG IV: CÁC ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA KĨ THUẬT ĐỒ HỌA

1.Xây dựng giao diện người dùng

2.Tạo các biểu đồ trong thương mại,khoa học,kĩ thuật3.Các ứng dụng tron các lĩnh vực đời sống

4.Ứng dụng trong trò chơi (mời các bạn xem ứng dụng của phần này)

CHƯƠNG V: Kết luận tổng quan

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT ĐỒ HỌA

1 Sự cần thiết của kĩ thuật tron đời sống hiện nay

Hiện nay đồ hoạ máy tính (Computer Graphics) là một trong những chương trình thông dụng nhất, nó đã góp phần quan trọng làm cho giao tiếp giữa con người và máy tính trở nên thânthiện hơn Thật vậy, giao diện kiểu văn bản (text) đã được thay thế hoàn toàn bằng giao diện đồ hoạ, cùng với công nghệ đa phương tiện (multimedia) đã đưa ngành Công Nghệ Thông Tin sang một phiên bản mới

Với sự phát triển của xã hội nhu cầu thiết kế,in ấn trở nên tăng cao thì kĩ thuật đồ họa góp phần con người giải quyết những vấn đề này một cách nhanh chóng,hiệu quả nhất.

2 Tổng quan chung về lịch sử phát triển của kĩ thuật đồhọa

- Graphics những năm 1950-1960

1959 Thiết bị đồ hoạ đầu tiên là màn hình xuất hiện tại Đức.1960 - SAGE (Semi-Automatic Ground Environment System) xuất hiện bút sáng thao tác với màn hình.

1960 William Fetter nhà khoa học người Mỹ, ông đang nghiên cứu xây dựng mô hình buồng lái máy bay cho hãng Boeing của Mỹ Ông đã dựa trên hình ảnh 3 chiều của mô hình người phi công trong buồng lái của máy bay để xây dựng nên một mô hình tối ưu cho buồng lái máy bay Phương pháp này cho phép các nhà thiết kế quan sát một cách trực quan vị trí của người láitrong khoang Ông đặt tên cho phương pháp này là đồ hoạ máytính (Computer Graphics)

Màn hình là thiết bị thông dụng nhất trong hệ đồ hoạ, các thao tác của hầu hết các màn hình

đều dựa trên thiết kế ống tia âm cực CRT (Cathode ray tube).Khi đó giá để làm tươi màn hình là rất cao, máy tính xử lý chậm, đắt và không chắc chắn

(không đáng tin cậy).

- Graphics: 1960-1970

1963 Ivan Sutherland (hội nghị Fall Joint Computer - lần đầu tiên có khả năng tạo mới, hiển thị và thay đổi được thực hiện trong thời gian thực trên màn CRT).

Hệ thống này được dùng để thiết kế mạch điện: CRT, LightPen (bút sáng), computer (chứa chương trình xử lý thông tin) Ngườisử dụng có thể vẽ mạch điện trực tiếp lên màn hình thông qua bút sáng.

- Graphics:1970-1980

Raster Graphics (đồ hoạ điểm) Bắt đầu chuẩn đồ hoạ ví dụ như: GKS (Graphics Kernel System): European effort (kết quả của châu âu), Becomes ISO 2D standard.

- Graphics: 1980-1990

Mục đích đặc biệt về phần cứng, thiết bị hình học đồ hoạ Silicon Xuất hiện các chuẩn công nghiệp: PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics Standard) xác định các phương pháp chuẩn cho các mô hình thời gian thực và lập trình hướng đối tượng.

Giao diện người máy Human-Computer Interface (HCI)

đối tượng),blending (trộn màu)….

- Computer Graphics: 2000 đến nay Ảnh hiện thực.các cạc đồ hoạ cho máy tính (Graphics cards for PCs), game boxes and gameplayers

Công nghiệp phim ảnh nhờ vào đồ hoạ máy tính (Computer graphics becoming routine in movie industry): Maya (thế giới vật chất tri giác được)…

3 Khái niệm về kĩ thuật đồ họa

Computer Graphics (kĩ thuật đồ họa máy tính) là một lĩnh vực của công nghệ thông tin mà ở đó nghiên cứu, xây dựng và tập hợp các công cụ (mô hình lý thuyết và phần mềm) khác nhau để: Kiến tạo, xây dựng, lưu trữ, xử lý các mô hình (model) và hình ảnh (image) của đối tượng.

CHƯƠNG II:CÁC LOẠI KĨ THUẬT ĐỒ HỌA VI TÍNH

1 Kỹ thuật đồ hoạ điểm (Sample based-Graphics)- Các mô hình, hình ảnh của các đối tượng được hiển thị thông qua từng pixel (từng mẫu rời rạc)

- Đặc điểm: Có thể thay đổi thuộc tính

+ Xoá đi từng pixel của mô hình và hình ảnh các đối tượng.+ Các mô hình hình ảnh được hiển thị như một lưới điểm (grid) các pixel rời rạc,

+ Từng pixel đều có vị trí xác định, được hiển thị với một giá trị rời rạc (số nguyên) các thông số hiển thị (màu sắc hoặc độ sáng)

+ Tập hợp tất cả các pixel của grid cho chúng ta mô hình, hình ảnh đối tượng mà chúng ta muốn hiển thị.

Phương pháp và công nghệ chuyển đổi dữ liệu từ thiết bị đồ hoạsang máy

Phương pháp để tạo ra các pixel

- Phương pháp dùng phần mềm để vẽ trực tiếp từng pixel một.- Dựa trên các lý thuyết mô phỏng (lý thuyết Fractal, v.v) để xây dựng nên hình ảnh mô phỏng của sự vật.

- Phương pháp rời rạc hoá (số hoá) hình ảnh thực của đối tượng.- Có thể sửa đổi (image editing) hoặc xử lý (image processing) mảng các pixel thu được theo những phương pháp khác nhau để thu được hình ảnh đặc trưng của đối tượng.

2.Kĩ thuật đồ họa VECTOR

Mô hình hình học (geometrical model) cho mô hình hoặc hình ảnh của đối tượng

- Xác định các thuộc tính của mô hình hình học này, - Quá trình tô trát (rendering) để hiển thị từng điểm của mô hình, hình ảnh thực của đối tượng

Có thể định nghĩa đồ hoạ vector: Đồ hoạ vector = geometrical model + rendering

So sánh giữa Raster và Vector Graphics

- Hình ảnh và mô hình của các vật thể được biểu diễn bởi tập hợp các điểm của lưới (grid)

- Thay đổi thuộc tính của các pixel => Thay đổi từng phần và từng vùng của hìnhảnh.

- Copy được các pixel từ một hình ảnh này sang hìnhảnh khác.

- Không thay đổi thuộc tínhcủa từng điểm trực tiếp- Xử lý với từng thành phần hình học cơ sở của nó và thực hiện quá trình tô trát và hiển thị lại.

- Quan sát hình ảnh và mô hình của hình ảnh và sự vậtở nhiều góc độ khác nhau bằng cách thay đổi điểm nhìn và góc nhìn.

CHƯƠNG III:PHÂN LOẠI KĨ THUẬT ĐỒ HỌA

1.Phân loại theo các lĩnh vực của đồ họa máy tínhMột số loại kỹ thuật đồ họa theo các lĩnh vực mà nó được ứng dụng:

- Thiết kế truyền thông marketing- Thiết kế nhận diện thương hiệu- Thiết kế bao bì

- Thiết kế họa tiết trang phục2.Phân loại theo hệ toạ độGồm:+Kĩ thuật hai chiều +Kĩ thuật ba chiều

- Kỹ thuật đồ hoạ hai chiều: là kỹ thuật đồ hoạ máy tính sử dụng hệ toạ độ hai chiều (hệ toạ độ phẳng), sử dụng rất nhiều trong kỹ thuật xử lý bản đồ, đồ thị.

- Kỹ thuật đồ hoạ ba chiều: là kỹ thuật đồ hoạ máy tính sử dụnghệ toạ độ ba chiều, đòi hỏi rất nhiều tính toán và phức tạp hơn nhiều so với kỹ thuật đồ hoạ hai chiều.

CHƯƠNG IV:CÁC ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA KĨ THẬT ĐỒ HỌA

Đầu tiên chúng ta nên biết Đồ hoạ máy tính là một trong những lĩnh vực lý thú nhất và phát triển nhanh

nhất của tin học Ngay từ khi xuất hiện nó đã có sức lôi cuốn mãnh liệt, cuốn hút rất nhiều người ở nhiều lĩnh vực khác nhau như khoa học, nghệ thuật, kinh doanh, quản lý Tính hấp dẫn của nó có thể được minh hoạ rất trực quan thông qua các ứng dụng của nó.

1.Xây dựng giao diện người dùng (User Interface)Giao diện đồ hoạ thực sự là cuộc cách mạng mang lại sự thuận tiện và thoải mái Các ứng dụng này thường được dùng để tóm lược các dữ liệu về tài chính, thống kê, kinh tế, khoa học, toán học giúp cho nghiên cứu, quản lý một cách có hiệu quả.2.Tạo các biểu đồ trong thương mại, khoa học, kỹ thuậtCác ứng dụng này thường được dùng để tóm lược các dữ liệu vềtài chính, thống kê, kinh tế, khoa học, toán học giúp cho nghiên cứu, quản lý một cách có hiệu quả.

3.Các lĩnh vực khác trong đời sống, bao gồm:- Tự động hoá văn phòng và chế bản điện tử- Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD_CAM)- Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật và mô phỏng

- Điều khiển các quá trình sản xuất (Process Control)- Lĩnh vực bản đồ (Cartography)

- Giáo dục và đào tạo.

4.Ứng dụng trong trò chơi (thiết kế, tạo hình game)Phần này mình sẽ lấy ví dụ:

Chiếu sáng cho trò chơi dành cho thiết bị di động bằng Unity

Ánh sáng là một trong những khía cạnh quan trọng nhất của trò chơi Yếu tố này có thể giúp tạo nên hứng thú, dẫn dắt người chơi, xác định các mối đe doạ hoặc mục tiêu, v.v Ánh sáng có thể tạo ra hoặc phá hỏng yếu tố đồ hoạ của trò chơi Ví dụ: Ánh sáng tốt có thể khiến mô hình kém chất lượng trông đẹp hơn trong trò chơi, còn ánh sáng kém có thể khiến mô hình tuyệt vời trông tệ hơn.

Hướng dẫn này cung cấp thông để bạn có thể sử dụng ánh sáng tốt hơn trong trò chơi dành cho thiết bị di động Cách bạn quyết định sử dụng ánh sáng sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của trò chơi trên thiết bị di động Bạn cần phải sử dụng ánh sáng một cách hiệu quả để đảm bảo trò chơi hoạt động suôn sẻ nhất có thể.

Các tuỳ chọn quy trình kết xuất (render pipeline)

Legacy Render Pipeline (Quy trình kết xuất kế thừa) của Unity bao gồm các đường dẫn kết xuất sau:

 Kết xuất chuyển tiếp (Forward rendering) Tô bóng trễ (Deferred shading)

Kết xuất chuyển tiếp (Forward rendering)

Với tính năng kết xuất chuyển tiếp, cần rất nhiều điểm sáng theo thời gian thực Nếu giảm số lượng điểm sáng có trên mỗi pixel, bạn có khắc phục phần nào vấn đề này.

Tô bóng trễ (Deferred shading)

Chế độ tô bóng trễ đòi hỏi phải có GPU hỗ trợ Trên phần cứng tương thích, chế độ tô bóng trễ có thể kết xuất một số lượng lớn điểm sáng theo thời gian thực với độ chân thực cao Tiếc là, chế độ tô bóng trễ không hoạt động tốt trên GPU của thiết bị di động vì có băng thông thấp hơn.

Khi bạn tạo một trò chơi trên thiết bị di động, quan trọng là trò chơi phải chạy mượt mà trên nhiều thiết bị nhất có thể.

Universal Render Pipeline (Quy trình kết xuất phổ quát)

Unity đã phát triển Universal Render Pipeline (URP) (Quy trình kết xuất phổ quát) Bạn nên sử dụng URP cho trò chơi dành cho thiết bị di động.

Chế độ chiếu sáng

Nhiều chế độ sáng được sử dụng dựa trên cách ánh sáng di chuyển hoặc được sử dụng trong một Cảnh (Scene) Một loại chế độ sáng lại có đặc điểm hiệu suất riêng Khi bạn triển khai việc chiếu sáng, hãy cân nhắc những yếu tố sau:

 Sử dụng chế độ baked (bắt sáng) để chiếu sáng tĩnh Chế độ này phù hợp nhất với các đối tượng không thay đổi ánh sáng trong thời gian chạy Chiếu sáng bắt sáng (baking lights) là quá trình tổng hợp trước và lưu trữ dữ liệu về ánh sáng trong bản đồ kết cấu được có tên lightmap (bản đồ ánh sáng).

 Bạn không thể sửa đổi tính năng chiếu sáng bắt sáng trong thời gian chạy Ánh sáng và bóng trong bản đồ ánh sáng là tĩnh Vì tất cả ánh sáng đã được xử lý trước trong Unity, nên không có phép tính ánh sáng trong thời gian chạy nào ảnh hưởng đến hiệu suất.

 Không thể tạo bóng động bằng ánh sáng bắt sáng Cách này có thể trông không phù hợp với các đối tượng động hoặc vật thể chuyển động.

 Sử dụng chế độ mixed (hỗn hợp) cho nguồn sáng đứng mà bạn định tương tác với vật thể chuyển động Ví dụ: ngọn đuốc chiếu sáng lên một người chơi và tạo bóng đổ khi người chơi di chuyển qua.

Chế độ sáng hỗn hợp trực tiếp tạo ra ánh sáng và bóng động.

 Bạn có thể đưa ánh sáng hỗn hợp vào quá trình tính toán ánh sáng cho các đối tượng tĩnh. Bạn có thể thay đổi cường độ sáng trong thời gian chạy Chỉ ánh sáng trực tiếp (direct light)

mới được cập nhật. Đắt

 Sử dụng chế độ thời gian thực (real time) cho các đèn động hoặc chuyển động được, chẳng hạn như ánh sáng được truyền từ quả cầu lửa phát ra từ mặt đất rồi phát nổ.

 Bạn có thể sửa đổi thuộc tính bóng động và ánh sáng trong thời gian chạy. Ánh sáng theo thời gian thực không được chuyển thành bản đồ ánh sáng. Rất tốn kém.

Để biết thêm thông tin, hãy đọc bài viết Unity's Lighting Pipeline (Quy trình chiếu sáng của Unity).

Khi có thể, hãy sử dụng ánh sáng tĩnh và tránh ánh sáng động

Ánh sáng động hoặc ánh sáng theo thời gian thực được tính toán và cập nhật cho mọi khung hình Điều này rất tốt đối với các vật thể chuyển động, tương tác và tạo cảm xúc.

Ngược lại, thông tin về ánh sáng tĩnh được đưa vào bản đồ ánh sáng Việc sử dụng kết cấu bản đồ ánh sáng (lightmap texture) cho phép đối tượng tránh được các phép tính tốn kém về mỗi đỉnh (vertex) hoặc ánh sáng trên mỗi pixel Chi phí kết xuất của kết cấu bản đồ ánh sáng luôn rẻ hơn nhiều so với ánh sáng động Bạn nên coi việc triển khai chiếu sáng bắt sáng là lựachọn hàng đầu cho trò chơi dành cho thiết bị di động.

Xử lý bắt sáng bản đồ ánh sáng (Lightmap baking)

Việc tính toán trước các hiệu ứng ánh sáng được gọi là xử lý bắt sáng bản đồ ánh

sáng (lightmap baking) Hiệu ứng của ánh sáng được lưu trữ trong một cấu trúc riêng biệt,

được gọi là lightmap (bản đồ ánh sáng) Bạn có thể sử dụng bản đồ ánh sáng để tăng cường dáng vẻ bề ngoài của các đối tượng Chỉ cần thực hiện bắt sáng bản đồ ánh sáng một lần cho mỗi lần Cảnh (Scene) lặp lại Nếu thay đổi hình dạng Cảnh hoặc thay đổi các thông số của chế độ bắt sáng, bạn cần thực hiện lại việc xử lý bắt sáng bản đồ ánh sáng Ngoại trừ mức haotổn của kết cấu bản đồ ánh sáng, thời gian chạy sẽ không bị ảnh hưởng gì thêm về mặt hiệu suất Đây là phương pháp ban đầu tốt nhất để chiếu sáng trên nền tảng di động.

Ánh sáng bắt sáng không bị ảnh hưởng bởi khía cạnh động hay chuyển động nào của Cảnh Ánh sáng bắt sáng có bao gồm cả chế độ Baked Global Illumination (Chiếu sáng bắt sáng toàn cục) cho tất cả yếu tố tĩnh Như vậy, phương pháp tính toán bản đồ ánh sáng bao gồm ánh sáng gián tiếp đã phá vỡ các đối tượng tĩnh khác cũng như các ánh sáng bắt sáng trực tiếpchiếu vào đối tượng.

Hình 1 Tuỳ chọn thiết lập chiếu sáng bắt sáng hoàn chỉnh được sử dụng trong bản minh hoạ

công nghệ của Armies.

Để sử dụng chế độ sáng bắt sáng, hãy làm theo 3 bước sau.

Bước 1: Đặt ánh sáng ở chế độ Mixed (Hỗn hợp) hoặc Baked (Bắt sáng)

Đặt Mode (Chế độ) của ánh sáng thành Mixed (Hỗn hợp) hoặc Baked (Bắt sáng) Đối với trò chơi dành cho thiết bị di động, tốt nhất bạn nên ưu tiên Baked (Bắt sáng) hơn là Mixed (Hỗn hợp) Bắt sáng là cách ít tốn kém nhất để kết xuất ánh sáng.

Hình 2 Chế độ cài đặt Mode (Chế độ) cho ánh sáng trong Unity.

Bước 2 Đặt đối tượng ở dạng tĩnh

Làm cho mọi vật thể bị ảnh hưởng bởi ánh sáng bắt sáng Static (Tĩnh) Có nhiều phương án tối ưu hoá cho một đối tượng được đánh dấu là tĩnh, nhưng thông thường, tốt nhất là bạn nên chọn Everything (Mọi thứ) trong danh sách thả xuống Static (Tĩnh) Khi vật thể được đánh dấu là Static (Tĩnh), Unity biết rằng nên bao gồm vật thể này khi thực hiện chiếu sáng bắt sáng.

Lưu ý: Nếu đã bật Batching Static (Nhiều ảnh tĩnh), bạn không thể di chuyển hoặc tạo ảnh động cho các đối tượng được đánh dấu là Static (Tĩnh) Hãy luôn bật chế độ tối ưu hoá này bất cứ khi nào có thể.

Hình 4 Ví dụ về bản đồ ánh sáng được xử lý bắt sáng

Tối ưu hoá bản đồ ánh sáng

Sau khi thiết lập ánh sáng bắt sáng, hãy đảm bảo rằng bản đồ bắt sáng (baked map) được tối ưu hoá Kích thước của bản đồ ánh sáng còn tuỳ thuộc vào chế độ cài đặt tại thời điểm xử lý bắt sáng Do phải giảm mức sử dụng bộ nhớ trên thiết bị di động nên bạn phải giám sát kích thước bản đồ ánh sáng.

Trong ví dụ sau từ bản minh hoạ của Armies, có 7 bản đồ ánh sáng 1024x1024 pixel Trong bản xem trước, bạn có thể thấy các mắt lưới nằm trên bản đồ ánh sáng Các mắt lưới đã chọn được làm nổi bật.

Hình 5 Đây là một ví dụ về bản đồ ánh sáng Các phần màu xanh dương là các mắt lưới

được chọn.

Có nhiều chế độ cài đặt trong Lightmapping Settings (Cài đặt bản đồ ánh sáng), cùng với kích thước của bản đồ, để xác định mức dung lượng bộ nhớ và dung lượng lưu trữ mà mỗi bản đồ sử dụng Các phần sau đây nêu bật một số chế độ cài đặt quan trọng.

Công cụ lập bản đồ ánh sáng (Lightmapper)

Unity cung cấp 3 phương pháp sau đây để xử lý bắt sáng trong Cảnh:

 Enlighten: Chỉ hỗ trợ cho đến khi có bản phát hành hỗ trợ dài hạn (LTS) năm 2020 Đừng sử

dụng cho các dự án mới.

 Progressive CPU: Tiết kiệm nhiều thời gian bởi vì quá trình này tạo dần bản đồ ánh sáng

Nếu Prioritize View (Chế độ xem ưu tiên) được chọn, thì các khu vực trong Scene view (Chế độ xem cảnh) sẽ được ưu tiên Thao tác này có thể làm giảm thời gian lặp lại để thiết lậpánh sáng trên Cảnh.

 Progressive GPU (GPU tăng tiến): Hoạt động giống như CPU tăng tiến (Progressive CPU),

nhưng tạo ra bản đồ ánh sáng trên GPU thay vì CPU Trên phần cứng được hỗ trợ, phương thức này có thể làm giảm đáng kể thời gian xử lý bắt sáng so với khi sử dụng CPU Bạn cần đáp ứng thêm các yêu cầu để thiết lập GPU tăng tiến Hãy tìm hiểu thêm về các yêu cầu trên trang Công cụ lập bản đồ ánh sáng cho GPU tăng tiến.