Giáo trình thực tại ảo BKHN

1 Lesson 1: Kỹ thuật đồ họa và Hiện thực ảo Computer Graphics And Virtual Reality  Kỹ thuật đồ họa cơ sở  Kỹ Thuật đồ họa tiên tiến  Hiện thực ảo - VRML Le Tan Hung hunglt-fit@ma

1

Lesson 1:

Kỹ thuật đồ họa và Hiện thực ảo

Computer Graphics And Virtual Reality

 Kỹ thuật đồ họa cơ sở

 Kỹ Thuật đồ họa tiên tiến

 Hiện thực ảo - VRML

Le Tan Hung hunglt-fit@mail.hut.edu.vn Yahoo: hung_lt@yahoo.com

Computer Graphics:

1960-1970

đồ hoạ máy tính (Computer Graphics)

Ground Environment System) Bút

sáng

 1960-1963 Dự án Sketchpad tại MIT

 1963 Ivan shutherland (hội nghị Fall

Joint Computer - lần đầu tiên khả năng

tạo mới, hiển thị và thay đổi được thực

hiện trong thời gian thực trên màn CRT)

 Wireframe graphics

 Display Processors

 Storage tube

 Ivan Sutherland’s PhD thesis at MIT

– Vấn đề tương tác người máy

– Loop

 Display something

 User moves light pen

 Computer generates new display

– Sutherland tạo ra rất nhiều thuật toán cho CG

– GE introduces first full colour

real time flight simulator for NASA

– Becomes ISO 2D standard

 Core: North American effort

– 3D but fails to become ISO standard

 Michael Crichton’s1973

 “Westworld” uses 2D graphics

First time computer is used for image

manipulation

 Mandelbrot plots fractals

 Bill Gates starts Microsoft

1976

 Steve Jobs and Steve Wozniak start Apple

1977

 Academy of Motion Pictures Art and Sciences

introduces Visual Effects category for Oscars

A Brief History of Computer Graphics

 1977 Star Wars wins oscar for special

effects

 1978 Superman wins oscar for special

effects

 1979 Alien wins oscar for visual effects

 1980 The Empire Strikes Back wins oscar for visual effects

7

80-90 Realism comes to computer graphics

 CG: 1980-1990

– Special purpose hardware

 Silicon Graphics geometry engine

– VLSI implementation of graphics pipeline – Industry-based standards

 PHIGS

 RenderMan

– Networked graphics: X Window System

– Human-Computer Interface (HCI)

A Brief History of Computer

9

A Brief History of Computer Graphics

1985

 The Last Starfighter is the first live

action feature film with realistic

computer animation of highly detailed

models

1989

 The Abyss is the first movie to include

convincing 3D character animation

Lịch sử phát triển

90-00

 CGraphics: 1990-2000

 OpenGL API

 Tạo ra bộ phim hoạt hình hoàn

chỉnh đầu tiên (Toy Story)

 Kh ả năng mới của phần

– Nvidia, ATI, 3DLabs

 Game boxes and game players push the market

 CGraphics trở thành công cụ cho công nghiệp sản xuất phim: Maya, Lightwave

 Toy Story becomes

the first fully 3D computer animation feature film

A Brief History of Computer Graphics

1996

 Independence Day wins

oscar for visual effects

1997

 Titanic wins oscar for visual

effects

 PIXAR wins oscar for best

short film: Geri’s Game

2000 - 2010

 Photorealism

 Graphics cards for PCs dominate market

 Nvidia, ATI, 3DLabs

 GPU (Graphics processing unit)

 Game boxes and game players determine

direction of market

 Computer graphics routine in movie industry: Maya,Lightwave

 Programmable pipeline

A Brief History of Computer

200x

 2000 (73rd) Gladiator

– Hollow Man

– The Perfect Storm

 2001 (74th) The Lord of the Rings: The Fellowship of the Ring

– A.I Artificial Intelligence

– Pearl Harbor

 2002 (75th) The Lord of the Rings: The Two Towers

– Spider-Man

– Star Wars: Episode II Attack of the Clones

 2003 (76th) The Lord of the Rings: The Return of the King

– Master and Commander: The Far Side of the World

– Pirates of the Caribbean: The Curse of the Black Pearl

 2004 (77th) Spider-Man 2

– Harry Potter and the Prisoner of Azkaban

– I, Robot

 2005 (78th) King Kong

– The Chronicles of Narnia: The Lion, the Witch and the Wardrobe

– War of the Worlds

 2006 (79th) Pirates of the Caribbean: Dead Man's Chest

– Poseidon

– Superman Returns

 2007 (80th) The Golden Compass

– Pirates of the Caribbean: At World's End

– Transformers

 2008 (81st) The Curious Case of Benjamin Button

– The Dark Knight

– Iron Man

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, lưu trữ, xử lý Các mô hình (model) và hình ảnh (image) của đối tượng

images with a computer

Interactive Computer Graphics: - user controls contents, structure, and

appearance of objects and their displayed images via rapid visual feedback

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

19

Bitmap

lines,areas,

SRGP library

Pascal / C program

X Window System Graphics hardware

Image

image formats, compression, transfer

graphics algorithms colour

positions

Kỹ thuật đồ hoạ 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

 Vector = geometrical model + rendering

21

Ví dụ về hình ảnh đồ hoạ Vector

Muscle Model Wireframe Model Skeletal Model

© Walt Disney and TSL

– Không thay đổi thuộc tính của 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 vật ở nhiều góc

độ khác nhau bằng cách thay đổi điểm nhìn và góc nhìn

Phân loại các lĩnh vực của

25

Phân loại theo chức năng

 Kỹ thuật xử lý ảnh (COMPUTER IMAGING)

 Kỹ thuật nhận dạng (Computer Vision techniques

attempt to provide meaning to computer) images

 Kỹ thuật tổng hợp ảnh (Computer Graphics)

 Geometry modelling

Các ứng dụng tiêu biểu của kỹ thuật đồ họa

 Xây dựng giao diện người dùng (User Interface)

 Tạo các biểu đồ trong thương mại, khoa học, kỹ thuật, minh họa

 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

 Lĩnh vực bản đồ (Cartography) GIS

27

Pixar: Monster’s Inc

Square: Final Fantasy

Computer Aided Design (CAD)

31

Màn hình CRT

Raster Displays (early 70s)

like television, scan all pixels in regular pattern use frame buffer (video RAM) to eliminate sync problems RAM

¼ MB (256 KB) cost $2 million in 1971

Display Technology:

Raster CRTs

 Raster CRT pros:

– Allows solids, not just wireframes

– Leverages low-cost CRT technology (i.e., TVs)

– Bright! Display emits light

 Cons:

– Requires screen-size memory array

– Discreet sampling (pixels)

– Practical limit on size (call it 40 inches)

– Bulky

– Finicky (convergence, warp, etc)

35

Các thiết bị hiển thị dạng điểm

37

LCD-Liquid Crystal Display

 A transmissive technology

 Works by letting varying amounts

of a fixed-intensity white backlight

through an active filter

 Organnic crystals that lign

themselves together

 When external force is applied

they realign themselves

 This is used to change

polarisation and filter light

an external light source

– Laptop screen: backlit,

transmissive display

– Palm Pilot/Game Boy:

reflective display

39

LCD Displays

Advantages

 Small footprint (approx 1/6 of CRT)

 Light weight (typ 1/5 of CRT)

 Low power consumption (typ 1/4 of

 Fully digital signal processing possible

 Large screens (>20 inch) on desktops

Disadvantages

 High price (presently 3x CRT)

 Poor viewing angle (typ +/- 50 degrees)

 Low contrast and luminance (typ 1:100)

 Low luminance (typ 200 cd/m2)

Màn hình Plasma

 Plasma display panels

– Similar in principle to

fluorescent light tubes

– Small gas-filled capsules are excited by electric field, emits UV light

– UV excites phosphor

– Phosphor relaxes, emits some other color

41

Display Technology

 Plasma Display Panel

Pros

– Large viewing angle

– Good for large-format displays

– Less bright than CRTs, using more power

Màn hình hữu cơ

Organic LED Arrays

 Organic Light-Emitting Diode

(OLED) Arrays

– The display of the future?

– OLEDs hoạt động tương tự cơ chế của LEDs bán dẫn

– Mịn, không to như các hạt tinh thể

và không phát nhiệt

– Có thể tạo màn hình rộng loại

OLEDs

43

Display Technologies: Organic LED Arrays

 OLED pros:

– Transparent

– Flexible

– Light-emitting, and quite

bright (daylight visible)

– Large viewing angle

– Fast (< 1 microsecond

off-on-off)

– Can be made large or small

AMOLED, the Super AMOLED

45

DAC

Bộ đệm màn hình- Framebuffer

 Vùng bộ nhớ chứa dữ liệu cho hình ảnh hiển thị

 Các mầu sắc đươc lưu trữ độc lập trong bọ đệm - framebuffer

 24 bits per pixel = 8 bits red, 8 bits green, 8 bits blue

– 16 bits per pixel = ? bits red, ? bits green, ? bits blue

Framebuffers: True-Color

 A true-color ( 24-bit or 32-bit ) framebuffer stores one byte

each for red, green, and blue

 Each pixel can thus be one of 224 colors

 Pay attention to

Endian-ness

and 32-bit mean

the same thing

here?

47

Color Lookup Framebuffer

 Store indices (usually 8 bits) in framebuffer

 Display controller looks up the R,G,B values before triggering the electron guns

Framebuffers: Indexed-Color

 An indexed-color (8-bit or PseudoColor) framebuffer stores one byte per

pixel (also: GIF image format)

 This byte indexes into a color map:

 How many colors

can a pixel be?

49

Framebuffers: Hi-Color

 Packs pixels into 16 bits:

– 5 Red, 6 Green, 5 Blue

– Sometimes just 5,5,5

 Each pixel can be one of 216 colors

 Hi-color images can exhibit worse quantization artifacts

than a well-mapped 8-bit image

– X : 0  Xmax 2 màu/ 1 bit – Y : 0  Ymax 16 màu/ 4 bit – 256 màu/ 8bit

– 216 màu/ 16 bit – 224 màu/ 24 bit – 640  480  16  Video RAM = 2MB – 1024  1024  24  Video RAM = 24MB

Application program

Graphics system

Graphics hardware

Input and output devices

53

Hệ thống đồ hoạ

(Graphics System)

 Interface between application software and graphics hardware system

 Consists of input subroutines and output subroutines accepting input data or commands from a user and converting internal representations into external pictures on screen, respectively

 Phần mềm đồ hoạ hệ thống:

– Là tập hợp các lệnh đồ hoạ của hệ thống (graphics output commands),

– Thực hiện công việc hiển thị cái gì (what object) và chúng sẽ được hiển thị như thế nào (how)

– Phần mềm đồ hoạ hệ thống là phần mềm xây dựng trên cơ sở một thể loại phần cứng nhất định và phụ thuộc vào phần cứng

 Phần cứng đồ hoạ:

– Là tập hợp các thiết bị điện tử (CPU, bộ nhớ màn hình) giúp cho việc thực hiện các phần mềm đồ hoạ

Rendering Engine

generate image on screen

(to show)

the image

Raster & Display Engine

concerned with :

- viewing & projection

- drawing & clipping primitives

- local illumination &

55

3D Graphics Over World Wide Web

SRGP library

Pascal / C program

X Window System Graphics hardware

Image

image formats, compression, transfer

graphics algorithms colour

lines,areas,

positions

Video WWW

Animation

WWW VRML

Các chuẩn giao di ện của hệ đồ hoạ

 GKS (Graphics Kernel System): chuẩn xác định các hàm đồ hoạ chuẩn, được thiết kế như một tập hợp các công cụ đồ hoạ hai chiều và ba chiều

– GKS Functional Description, ANSI X3.124 - 1985

– GKS - 3D Functional Description, ISO Doc #8805:1988

 CGI (Computer Graphics Interface System): hệ chuẩn cho các phương pháp giao tiếp với các thiết bị ngoại vi

 CGM (Computer Graphics Metafile): xác định các chuẩn cho việc lưu trữ và chuyển đổi hình ảnh

 VRML (Virtual Reality Modeling Language): ngôn ngữ thực tại ảo, một hướng phát triển trong công nghệ hiển thị được đề xuất bởi hãng Silicon Graphics, sau đó đã được chuẩn hóa như một 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

– PHIGS Functional Description, ANSI X3.144 - 1985

57

Non-official industry standards

Các chuẩn của hệ đồ hoạ

 OPENGL thư viện đồ họa của hãng Silicon

Graphics, được xây dựng theo đúng chuẩn của một

hệ đồ họa

– SGI’s OpenGL 1993

 DIRECTX thư viện đồ hoạ của hãng Microsoft

– Direct X/Direct3D 1997

 Simple primitives: points, lines,

polygons (pixels, images, bitmaps)

59

 Window tasks

 User input

 Complicated shapes

– OpenGL Utility Library (GLU)

– Window system support libraries

 GLX / WGL / PGL

– OpenGL Utility Toolkit (GLUT)

– OpenInventor

For portability, there are

no commands for these

OpenGL-related Libraries

 Direct control of graphics hardware

 Direct control of input/output devices, and sound

Application program

Windows system

Direct sound

Direct draw Direct 3D

61

OpenGL Design Goals

 SGI’s design goals for OpenGL:

– High-performance (hardware-accelerated) graphics API

– Some hardware independence

– Natural, terse API with some built-in extensibility

 OpenGL has become a standard (competing with DirectX) because:

– It doesn’t try to do too much

– It does enough

– Open source and promoted by SGI (& Microsoft, half-heartedly)