Bài giảng cơ sở đồ họa máy tính phần 1

Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG BỘ MÔN TRUYỀN THÔNG ĐA PHƢƠNG TIỆN BÀI GIẢNG CƠ SỞ ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Thông tin môn học : Số tín 24 : Số tiết lý thuyết Số tiết thực hành : 12 : Số tiết thảo luận Đại học : Hệ đào tạo Công nghệ truyền thông, : Ngành đào tạo Thiết kế đồ họa Thái Nguyên, 2015 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HỌA MÁY TÍNH 1.1 Tổng quan .6 1.1.1 Giới thiệu .6 1.1.2 Lịch sử phát triển đồ họa máy tính 1.1.3 Phân loại đồ họa máy tính .8 1.2 Các hệ tọa độ 10 1.2.1 Hệ tọa độ giới thực 10 1.2.2 Hệ tọa độ thiết bị 11 1.2.3 Hệ tọa độ thiết bị chuẩn .12 1.2.4 Hệ tọa độ ba chiều .12 1.3 Các thành phần hệ đồ họa .13 1.3.1 Phần cứng 13 1.3.2 Phần mềm 18 1.4 Một số ứng dụng đồ họa máy tính .18 1.4.1 Hỗ trợ thiết kế 18 1.4.2 Biểu diễn thông tin 19 1.4.3 Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật 20 1.4.4 Giáo dục đào tạo .20 1.4.5 Giao tiếp máy tính người dùng .20 CHƢƠNG 2: MÀU SẮC TRONG ĐỒ HỌA 22 2.1 Ánh sáng màu sắc 22 2.1.1 Quan niệm ánh sáng màu sắc 22 2.1.2 Yếu tố vật lý 22 2.2 Các mô hình màu 27 2.2.1 Mô hình màu RGB .28 2.2.2 Mô hình màu CMY .32 2.2.3 Mô hình màu HSV .37 2.2.4 Mô hình màu HLS .39 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 2.2.5 Mô hình màu YIQ .40 2.3 Các thuật toán tô màu 42 2.3.1 Tô màu đơn giản 42 2.3.2 Tô màu theo dòng quét 45 2.3.3 Tô màu theo đường biên 46 CHƢƠNG 3: ĐỒ HỌA HAI CHIỀU 48 3.1 Đồ họa Raster .48 3.1.1 Giới thiệu đồ họa Raster 48 3.1.2 Cấu trúc liệu Raster 51 3.1.3 Các định dạng ảnh Raster 51 3.2 Đồ họa vector 53 3.2.1 Giới thiệu đồ họa vector 53 3.2.2 Cấu trúc liệu vector 54 3.2.3 Các định dạng ảnh vector 54 3.2.4 Các ứng dụng đồ họa vector 55 3.2.5 Sự chuyển đổi Raster Vector 55 3.3 Nguyên lý xây dựng hệ thống giao tiếp đồ họa 56 3.3.1 Sắp xếp điều khiển hiển thị 56 3.3.2 Môi trường vật lý tương tác 57 3.3.3 Các vấn đề sức khỏe .58 3.3.4 Sử dụng màu sắc 59 3.4 Một số phong cách giao diện đồ họa 60 3.4.1 Giao diện dòng lệnh 60 3.4.2 Menu 61 3.4.3 Ngôn ngữ tự nhiên .62 3.4.4 Đối thoại truy vấn đối thoại kiểu hỏi /trả lời 62 3.4.5 Form –fill bảng tính 63 3.4.6 WIMP 63 3.4.7 Point click .64 CHƢƠNG 4: ĐỒ HỌA BA CHIỀU 65 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 4.1 Giới thiệu đồ họa chiều .65 4.2 Tổng quan hiệu ứng 3D 67 4.3 Ứng dụng đồ họa 3D 72 4.4 Quy trình hiển thị đối tượng chiều 74 4.5 Các phép chiếu 75 4.5.1 Phép chiếu song song 78 4.5.2 Phép chiếu phối cảnh 80 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH LỜI MỞ ĐẦU Sự phát triển khoa học, kĩ thuật, nghệ thuật, kinh doanh công nghệ luôn phụ thuộc vào khả truyền đạt thông tin thông qua bit liệu lưu trữ microchip thông qua giao tiếp tiếng nói Chúng ta có câu châm ngôn từ xa xưa “một hình ảnh có giá trị vạn lời” hay “trăm nghe không thấy” cho thấy ý nghĩa lớn hình ảnh việc chuyền tải thông tin Hình ảnh cảm nhận nhanh dễ dàng hơn, đặc biệt trường hợp bất đồng ngôn ngữ Do đó, ngạc nhiên mà từ xuất máy tính, nhà nghiên cứu cố gắng sử dụng để phát sinh ảnh hình Trong suốt gần 50 năm phát triển máy tính, khả phát sinh hình ảnh máy tính đạt tới mức mà tất máy tính có khả đồ họa Đồ họa máy tính lĩnh vực lí thú phát triển nhanh tin học Ngay từ xuất hiện, đồ họa máy tính có sức lôi mãnh liệt, hút nhiều người nhiều lĩnh vực khác khoa học, nghệ thuật, kinh doanh, quản lý, Tính hấp dẫn đa dạng đồ họa máy tính minh họa trực quan thông qua việc khảo sát ứng dụng Cuốn tài liệu giảng dạy muốn cung cấp cho bạn đọc sở lý thuyết đồ họa máy tính từ đơn giản khái niệm đồ họa máy tính, thành phần bản, ứng dụng phổ biến… Tiếp đến làm quen với giới màu sắc thông qua hệ màu: RGB, CMYK, HSV… Chúng ta làm quen với lý thuyết đồ họa chiều, số công cụ phổ biến hỗ trợ xử lý đồ họa chiều, nguyên lý xây dựng hệ thống giao tiếp đồ họa… Phức tạp sở lý thuyết đồ họa 3D Tài liệu gồm có bốn chương, chương giúp bạn có nhìn tổng quan kỹ thuật đồ họa từ trước đến định hướng tương lai cho lĩnh vực Các chương tiếp theo, chương vấn đề từ đơn giản đến phức tạp Bố cục rõ ràng, hình ảnh phong phú, đa dạng, phù hợp với nội dung kiến thức môn học Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HỌA MÁY TÍNH 1.1 Tổng quan 1.1.1 Giới thiệu Đồ họa máy tính bao gồm tất liên quan đến việc sử dụng máy tính để phát sinh hình ảnh Các vấn đề liên quan đến công việc bao gồm: tạo lưu trữ, thao tác mô hình hình ảnh Theo định nghĩa đồ họa máy tính bao gồm việc thiết kế phần cứng thiết bị hiển thị, thuật toán cần thiết để phát sinh đường thiết bị này, phần mềm sử dụng cho người lập trình hệ thống, người lập trình ứng dụng đồ họa chương trình ứng dụng tạo ảnh máy tính Đồ họa máy tính cung cấp phương cách tự nhiên cho việc truyền đạt thông tin với máy tính Ngày nay, nhiều trình thiết kế, cài đặt xây dựng, thông tin mà hình ảnh mang lại thiếu Kĩ thuật trực quan (scientific visualization) trở nên quan trọng từ năm 1980, nhà nghiên cứu khoa học kĩ sư nhận họ xử lý lượng liệu khổng lồ phát sinh từ siêu máy tính mà liệu không tóm lược làm bật xu hướng tượng qua nhiều loại biểu diễn đồ họa khác Đồ họa máy tính tương tác phương tiện mang lại thêm nhiều thuận lợi cho người dùng việc phát sinh hình ảnh kể từ có phát minh máy ảnh truyền hình Với máy tính, tạo hình ảnh không đối tượng cụ thể, thực tế, mà đối tượng trừu tượng, nhân tạo; biểu diễn liệu mà tính kế thừa mặt hình học, kết điều tra, khảo sát Hơn nữa, với đồ họa máy tính không bị giới hạn hình ảnh tĩnh Các ảnh động thông thường mang lại nhiều hiệu so với ảnh tĩnh, đặc biệt với tượng biến đổi theo thời gian, thực tế (như đổi hướng cánh máy bay siêu âm, hay phát triển khuôn mặt người từ lúc trẻ thơ tới lúc già ) trừu tượng (như xu hướng phát triển việc sử dụng lượng, gia tăng dân số) Ngày nay, hầu hết chương trình soạn thảo, bảng tính sử dụng đồ họa giao diện với người dùng Sự phát triển đồ họa máy tính ngày rộng rãi với chế độ đồ họa hai chiều (2D) ba chiều (3D) cao hơn, phục vụ lĩnh vực xã hội học khác khoa học, giáo dục, y học, kỹ thuật, thương mại Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH giải trí Tính hấp dẫn đa dạng đồ họa máy tính minh họa trực quan thông qua việc khảo sát ứng dụng 1.1.2 Lịch sử phát triển đồ họa máy tính  Graphics năm 1950-1960 - Năm 1959 thiết bị đồ họa hình xuất Đức - Năm 1960 – SAGE (Semi-Automatic Ground Environment System) xuất bút sáng thao tác với hình - Năm 1960 thuật ngữ “Đồ họa máy tính (Computer Graphics)” đề xuất nhà khoa học người Mỹ tên William Fetter ông nghiên cứu xây dựng mô hình buồng lái máy bay cho hãng Boeing Mỹ Ông dựa hình ảnh ba chiều mô hình người phi công buồng lái máy bay để xây dựng nên mô hình tối ưu cho buồng lái máy bay Phương pháp cho phép nhà thiết kế quan sát cách trực quan vị trí người lái khoang Ông đặt tên cho phương pháp đồ họa máy tính (Computer Graphics) Màn hình thiết bị thông dụng hệ đồ họa, thao tác hầu hết hình dựa thiết kế ống âm cực CRT (Cathode ray tube) Khi giá để làm tươi hình cao, máy tính xử lý chậm, đắt không chắn (không đáng tin cậy)  Graphics năm 1960 – 1970 Năm 1963 dự án SketchPad phát triển Học viện công nghệ Masachusetts (MIT) Ivan Sutherland Các thành tựu thu được báo cáo hội nghị Fall Joint Computer kiện người ta tạo mới, hiển thị thay đổi liệu hình ảnh trực tiếp hình máy tính thời gian thực thực Với hệ thống này, người sử dụng vẽ trực tiếp sơ đồ mạch điện lên hình thông qua bút sáng, chương trình phân tích tính toán thông số cần thiết mạch điện người dùng vẽ  Graphics: năm 1970 – 1980 Raster Graphics (đồ họa điểm) Xuất chuẩn đồ họa GKS (Graphics Kernel System): European effort ( kết châu âu), Becomes ISO 2D standard Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH làm tăng cường khả giao tiếp tái sử dụng phần mềm thư viện đồ họa  Graphics : 1980 – 1990 Mục đích đặc biệt phần cứng, thiết bị hình học đồ họa Silicon Xuất chuẩn công nghiệp: PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics Standard) xác định phương pháp chuẩn cho mô hình thời gian thực lập trình hướng đối tượng Giao diện người máy Human – Computer Interface (HCI)  Computer Graphics: 1990 – 2000 - OpenGL API (Application Program Interface – giao diện chương trình ứng dụng) - Completely computer – sinh ngành điện ảnh phim truyện thành công - Các tiềm tàng phần cứng mới: Texture mapping (dán ảnh cảnh vật lên bè mặt đối tượng), blendung (trộn màu)…  Computer Graphics : 2000 – - Ảnh thực, card đồ họa cho máy tính , game boxes game players - Công nghiệp điện ảnh phát triển nhờ vào đồ họa máy tính : Maya 1.1.3 Phân loại đồ họa máy tính  Phân loại theo lĩnh vực đồ họa máy tính: Hình 1.1 Phân loại đồ họa máy tính theo lĩnh vực Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH - Kỹ thuật xử lý ảnh(Computer Imaging): sau trình xử lý ảnh cho ta ảnh số đối tượng Trong trình xử lý ảnh sử dụng nhiều kỹ thuật phức tạp: kỹ thuật khôi phục ảnh, kỹ thuật làm ảnh, kỹ thuật xác định biên ảnh - Kỹ thuật nhận dạng (Pattern Recognition): Từ ảnh mẫu có sẵn ta phân loại theo cấu trúc, theo tiêu trí xác định từ trước thuật toán chọn lọc để phân tích hay tổng hợp ảnh cho thành tập hợp ảnh gốc, ảnh gốc lưu thư viện vào thư viện ta xây dựng thuật giải phân tích tổ hợp ảnh - Kỹ thuật tổng hợp ảnh(Image Synthesis): lĩnh vực xây dựng mô hình hình ảnh vật thể dựa đối tượng mối quan hệ chúng - Các hệ CAD/CAM (Computer Aided Design/ Computer Aided Manufacture System): kỹ thuật đồ họa tập hợp công cụ, kỹ thuật trợ giúp cho thiết kế chi tiết hệ thống khác nhau: hệ thống cơ, hệ thống điện, hệ thống điện tử … - Đồ họa minh họa (Presentation Graphics): gồm công cụ giúp hiển thị số liệu thí nghiệm cách trực quan, dựa mẫu đồ thị thuật toán có sẵn - Đồ họa hoạt hình nghệ thuật: bao gồm công cụ giúp cho họa sĩ, nhà thiết kế phim hoạt hình chuyên nghiệp làm kỹ xảo hoạt hình, vẽ tranh … Ví dụ: phần mềm 3D Studio, 3D Animation, 3D Studio Max  Phân loại theo hệ tọa độ Hình 1.2 Phân loại đồ họa máy tính theo hệ tọa độ - Kỹ thuật đồ họa hai chiều: kỹ thuật đồ họa máy tính sử dụng hệ tọa độ hai chiều (hệ tọa độ phẳng) để hiển thị hình ảnh đồ họa, sử dụng nhiều kỹ thuật xử lý đồ, đồ thị - Kỹ thuật đồ họa ba chiều: kỹ thuật đồ họa máy tính sử dụng hệ tọa độ ba chiều, đòi hỏi nhiều tính toán phức tạp nhiều so với kỹ thuật đồ họa hai chiều Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 1.2 Các hệ tọa độ Một hệ đồ họa bao gồm miền sau: - Miền điều khiển: bao bọc toàn hệ thống - Miền thực: nằm miền điều khiển Khi giá trị nằm miền thực, chuyển thành số thực dấu phẩy động, có số rời khỏi miền - chuyển thành số nguyên Miền hiển thị: nằm miền điều khiển phân biệt với miền thực Chỉ có giá trị số nguyên nằm miền hiển thị Trong lĩnh vực kỹ thuật đồ họa, phải hiểu thực chất đồ họa làm để mô tả biến đổi đối tượng giới thực máy tính Các đối tượng giới thực mô tả tọa độ miền thực Trong đó, hệ tọa độ thiết bị lại sử dụng hệ toạ độ nguyên để hiển thị hình ảnh Đây vấn đề cần giải Ngoài ra, có khó khăn khác với thiết bị khác có đặc trưng thông số kỹ thuật khác Do đó, cần có phương pháp chuyển đổi tương ứng hệ tọa độ đối tượng để mô tả gần với hình ảnh thực bên Hai mô hình ứng dụng đồ họa dựa mẫu số hóa dựa đặc trưng hình học Trong ứng dụng đồ họa dựa mẫu số hóa đối tượng đồ họa tạo lưới pixel rời rạc Các pixel tạo chương trình vẽ, máy quét… Các pixel mô tả tọa độ xác định vị trí giá trị mẫu Thuận lợi ứng dụng dễ dàng thay đổi hình ảnh cách thay đổi màu sắc hay vị trí pixel di chuyển vùng ảnh từ nơi sang nơi khác Tuy nhiên, điều bất lợi xem xét đối tượng từ góc nhìn khác Ứng dụng đồ họa dựa đặc trưng hình học bao gồm đối tượng đồ họa sở đoạn thẳng, đa giác, … Chúng lưu trữ mô hình thuộc tính Chẳng hạn, đoạn thẳng mô hình hai điểm đầu cuối, có thuộc tính màu sắc, độ dày Người sử dụng không thao tác trực tiếp lên pixel mà thao tác thành phần hình học đối tượng 1.2.1 Hệ tọa độ giới thực Hệ tọa độ thực thường dùng để mô tả đối tượng giới thực hệ tọa độ Descartes Trong hệ tọa độ này, điểm P biểu diễn cặp tọa độ (xp , yp) với xp , yp R (xem hình 1.1) 10 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH - M=Magenta tiếng Anh có nghĩa màu cánh sen hay hồng sẫm - Y=Yellow tiếng Anh có nghĩa màu vàng Khi bề mặt không phủ mực ánh sáng phản xạ ánh sáng trắng Khi có màu có giá trị cho màu xám Khi giá trị đạt max cho màu đen  Mô hình màu bù (subtractive): sử dụng mực in - printing inks Màu sắc cảm nhận từ ánh sáng phản xạ- reflected light (lấy màu trội) Từ lý thuyết cộng màu (1) ta có Hình 2.7 Lý thuyết trừ màu trắng – lục = magenta, (2) trắng – đỏ = cyan, (3) trắng – lam = vàng, (4) Điều có nghĩa loại màu sơ cấp (thứ cấp) khỏi màu trắng màu thứ cấp (sơ cấp) đối diện với qua trọng tâm tam giác màu Đây sở lý thuyết trừ màu  Ví dụ 1: Hoa fuchsia Hình 2.8 Hoa fuchsia 33 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH Ví dụ đóa hoa fuchsia có màu magenta ánh sáng trắng chiếu vào, hấp thụ tia lục, phản xạ lại tia đỏ lam Đỏ lam hòa với tạo màu magenta thị giác: trắng – lục = (đỏ + lục + lam) – lục = đỏ + lam = magenta Đây quy tắc (2)  Ví dụ 2: Đá ngọc lam Hình 2.9 Đá ngọc lam (turquoise) Viên ngọc lam (turquoise) có màu cyan ánh sáng trắng chiếu lên, hấp thụ ánh sáng đỏ phản chiếu lại ánh sáng lục lam Ánh sáng lục lam hoà với thị giác thành màu cyan: trắng – đỏ = (đỏ + lục + lam) – đỏ = lục + lam = cyan Đây quy tắc (3)  Ví dụ 3: Cái áo có màu vàng ánh sáng trắng chiếu vào, hấp thụ tia lam, phản xạ tia đỏ lục Đỏ lục hòa với tạo màu vàng thị giác: trắng – lam = (đỏ + lục + lam) – lam = đỏ + lục = vàng Đây quy tắc (4) Từ quy tắc (2) (4) ta được: magenta + vàng = trắng – lục – lam =(đỏ + lục + lam) – lục – lam = đỏ (5) Từ quy tắc (3) (4) ta được: vàng + cyan = trắng – lam – đỏ =(đỏ + lục + lam) – lam – đỏ = lục (6) Từ quy tắc (2) (3) ta được: 34 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH cyan + magenta = trắng – đỏ – lục =(đỏ + lục + lam) – đỏ – lục = lam (7) Khi màu magenta, cyan vàng trộn với nhau, magenta hấp thụ lục, cyan hấp thụ đỏ, vàng hấp thụ lam, tức ánh sáng sơ cấp đỏ, lục lam bị hấp thụ, màu phản xạ lại Kết thị giác nhìn thấy màu đen: trắng – đỏ – lục – lam =(đỏ + lục + lam) – đỏ – lục – lam = đen (8) (5), (6), (7) (8) quy tắc hòa sắc màu magenta, cyan, vàng phẩm nhuộm chất màu tạo nên màu hoá chất màu vẽ mực in – tức vật chất hấp thụ, phản xạ, truyền ánh sáng nguồn phát sáng Quy tắc cộng màu ánh sáng trừ màu màu hoá chất thường biểu thị qua sơ đồ đây: Hình 2.10 Quy tắc cộng màu trừ màu Tương tự tam giác cộng màu cuả Maxwell H 20, ta có tam giác trừ màu sau: Hình 2.11 Tam giác trừ màu 35 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH Quy tắc trừ màu âm quy tắc cộng màu Các màu sơ cấp (thứ cấp) quy tắc cộng màu màu thứ cấp (sơ cấp) quy tắc trừ màu Vì quy tắc trừ màu với màu sơ cấp cyan (C), magenta (M) vàng (Y) tiện lợi cho công nghệ in ấn chuyển đổi màu từ hệ thống RGB hình, phim màu sang CMY mực in Hình 2.12 Mô hình màu CMY Trên thực tế, mực in không “tinh khiết” nên pha trộn C, M Y cho màu xám Do màu đen thêm vào ký hiệu K (key) Tổ hợp màu CMYK cho tất màu gam màu Mô hình CMYK Alexander Murray đề xuất áp dụng cho in ấn vào năm 1934 Trước người ta chưa tổng hợp màu magenta dùng cho mực in (process magenta = magenta xử lý) bền với ánh sáng Mô hình RGB mô hình CMY chẳng qua hai "cách nhìn" màu sắc Trong mô hình RGB, màu sắc tạo đóng góp thành phần RGB với cường độ khác Cường độ cao thành phần RGB cho ta màu trắng Khi cường độ chúng 0, ta có màu đen (không có ánh sáng) Trong mô hình CMY, ta lại ý đến hiệu thành phần CMY việc trừ khử thành phần RGB ánh sáng tới Liều lượng cao thành phần CMY cho ta màu đen Liều lượng chúng cho ta màu trắng (không có mực) Do vậy, người ta gọi mô hình RGB mô hình màu cộng tính (additive) mô hình CMY mô hình màu hiệu tính (subtractive) Tuy hai mô hình màu khác "mặt trời với mặt trăng", có công thức xác để chuyển đổi ba trị số RGB thành ba trị số CMY tương đương Corel DRAW tính toán chuyện cực nhanh, bạn lo chi 36 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 2.2.2.2 Ứng dụng CMY - Dùng in ấn, in offset, in phun màu Trong in ấn người ta dùng hệ màu CMYK vật liệu in ấn (giấy, vải, gỗ, nilon…) khổng thể tự phát sáng Bằng việc phối trộn thay đổi định lượng ba màu CMY ta tạo màu khác Trên lý thuyết, phối trộn màu với với định lượng tạo màu đen Tuy nhiên in ấn, người ta thêm màu Black(K) vào để tăng độ tương phản giảm bớt lượng mực CMY để tạo màu đen Khi thiết kế cho sản phẩm in ấn, nên dùng hệ màu CMYK nhằm giảm thiểu khả sai lệch màu thiết kế sau in Việc sửa màu cần thiết liệu màu chuyển tới thiết bị in ấn định dạng khác RGB hay CMYK Vì thiết bị in ấn điện tử thiết bị hỗ trợ CMYK, nên liệu màu sắc chuyển tới thiết bị in phải chuyển đổi sang định dạng CMYK để chúng sử dụng thiết bị in ấn để đưa in chấp nhận Ví dụ phần lớn ứng dụng thương mại nói chung có định dạng màu theo hệ RGB, ứng dụng đồ họa CorelDraw, Adobe Photoshop, Adobe Illustrator nói chung định dạng màu sắc theo giá trị CMYK, có hỗ trợ chế độ màu RGB Vì chế độ sửa chữa màu khác sử dụng phụ thuộc vào nguồn liệu chất lượng in dự kiến 2.2.3 Mô hình màu HSV 2.2.3.1 Khái niệm Các mô hình màu RGB, CMY, YIQ định hướng cho phần cứng HSV (Hue, Saturation, Value) = HSB (Hue, Saturation, Brightness) định hướng người sử dụng dựa sở tảng trực giác tông màu, sắc độ sắc thái mỹ thuật - Hue – sắc màu: để phân biệt khác màu xanh, đỏ, vàng - Saturation – độ bão hòa: mức độ màu hay khoảng cách màu tới điểm có cường độ cân (màu xám) - Value – độ sáng: thân mô tả cường độ sáng từ ánh sáng phản xạ nhận từ đối tượng 37 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH - Brightness – độ phát sáng: cường độ ánh sáng mà tự đối tượng phát phản xạ từ nguồn khác Mô hình màu HSV Alvey Ray Smith đưa năm 1978 Hệ thống tọa độ có dạng hình trụ tập màu thành phần không gian bên mô hình màu xác định hình nón hình chóp sáu cạnh hình 2.13 Đỉnh hình chóp sáu cạnh V = chứa đựng mối quan hệ màu sáng màu mặt phẳng với V = có màu sáng Hình 2.13 Mô hình màu HSV - Sắc màu (Hue) H: màu sắc 00 - 3600 đo góc quanh trục đứng với màu đỏ 0o, màu lục 120o, màu lam 240o (xem hình 2.13) Các màu bổ sung hình chóp HSV 180o đối diện với màu khác - Saturation: Độ bão hoà 0-1, giá trị S tập giá trị từ đường trục tâm (trục V) đến mặt bên đỉnh chóp cạnh Sự bão hòa đo tương đối cho gam màu tương ứng với mô hình màu 38 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH - Value-Brightness: (độ sáng) 0-1 đường cao V với đỉnh điểm gốc toạ độ (0,0) Điểm đỉnh màu đen giá trị V=0, điểm giá trị H S không liên quan đến Khi điểm có S=0 V=1 điểm màu trắng, giá trị trung gian V S=0 (trên đường thẳng qua tâm) màu xám Khi S=0 giá trị H phụ thuộc gọi qui ước không xác định Ngược lại S khác giá trị H phụ thuộc Hình 2.14 Mô hình màu HSV Ví dụ: - Red biểu diễn (00, 1, 1) - Green biểu diễn (1200, 1, 1) 2.2.3.2 Ứng dụng Mô hình sử dụng nhiều ứng dụng xử lý ảnh 2.2.4 Mô hình màu HLS Mô hình màu HLS (Hue, Lightness, Saturation Model) – không gian màu trực quan Mô hình thường sử dụng kỹ thuật đồ hoạ Ưu điểm trực giác, ví dụ ta chọn màu, thay đổi độ sáng thay đổi độ bão hoà Nhược điểm chuyển đổi với không gian màu RGB có sai số (cube stood on end) thay đổi loại hình khác nhau, rõ ràng không cảm nhận màu 39 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH Hình 2.15 Mô hình màu HLS Chúng ta coi mô hình HLS biến dạng mô hình HSV mà mô hình màu trắng kéo hướng lên hình chóp sáu cạnh phía từ mặt V=1 Độ sáng (Lightness)=0 cho màu đen (tại điểm mút thấp hình chóp sáu cạnh đôi) cho màu trắng (tại đầu mút cao nhất) 2.2.5 Mô hình màu YIQ Mô hình màu YIQ mô hình màu ứng dụng truyền hình màu băng tần rộng Mỹ có mối quan hệ chặt chẽ với hình đồ họa màu raster YIQ thay đổi RGB khả truyền phát tính tương thích với tivi đen trắng hệ trước Tín hiệu truyền sử dụng hệ thống NTSC (National Television System Committe) Sự biến đổi RGB thành YIQ xác định theo công thức sau: Y độ chói, I Q đại lượng màu sắc Những đại lượng ma trận biến đổi tìm cách sử dụng phosphor NTSC RGB chuẩn có tọa độ sắc phổ R(0.67 0.33), G (0.21 0.71) B (0.14 0.08) Người ta giả định điểm trắng nằm xw = 0.31, yw = 0.316 Yw =1.0 40 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 2.2.6 Mô hình màu CIE CIE viết tắt Comission Internationale de l’Eclairage, thành lập năm 1913 với chức diễn đàn quốc tế cung cấp, trao đổi thông tin - ý tưởng vấn đề liên quan đến chiếu sáng Trong đó, nghiên cứu màu sắc nhiệm vụ tổ chức - Mô hình màu CIE phát triển sở hoàn toàn độc lập thiết bị dựa cảm nhận mắt người màu sắc - Yếu tố mô hình CIE định nghĩa chuẩn nguồn sáng chuẩn quan sát  Nguồn sáng chuẩn: định nghĩa bao gồm nguồn: - Nguồn A: Bóng đèn sợi tóc Tungsten với nhiệt độ màu 285k - Nguồn B: Mô hình ánh sáng mặt trời vào buổi trưa với nhiệt độ 4800k - Nguồn C: Mô hình ánh sáng mặt trời vào ban ngày với nhiệt độ 6500k  Người quan sát chuẩn: Là tổng hợp nhóm nhỏ từ 15 – 20 người đại diện cho quan sát màu sắc người bình thường Các đặc tả sử dụng kỹ thuật tương tự để thu màu có giá trị kích thích tương đương với kích thích tố RGB Các giá trị RGB thu sử dụng mô hình mẫu màu sắc Do ràng buộc gam màu, mô hình màu sắc RGB chép toàn ánh sáng quang phổ mà không đưa vào giá trị thông số RGB âm CIE chuyển đổi giá trị thông số vào hệ khác sử dụng hoàn toàn giá trị dương, gọi XYZ = > mô hình CIE gọi mô hình màu CIE XYZ Mô hình CIE XYZ chấp nhận năm 1931 Sau năm khác họ phát triển thêm không gian màu khác mô hình CIE như: CIELUV: mô hình thiết lập năm 1960 bổ sung năm 1976 Đây mô hình thay đổi mở rộng sơ đồ màu gốc để hiệu chỉnh tính không đồng CIELAB: Một cách tiếp cận khác phát triển Richard Hunter vào năm 1942 Mô hình định nghĩa màu theo trục phân cực cho màu (a b) đại lượng thứ ba ánh sáng (L) 41 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 2.3 Các thuật toán tô màu Tô màu vùng thay đổi màu sắc điểm vẽ nằm vùng cần tô Một vùng tô thường xác định đường khép kín gọi đường biên Dạng đường biên đơn giản thường gặp đa giác Việc tô màu thường chia làm công đoạn: - Xác định vị trí điểm cần tô màu - Quyết định tô điểm màu Công đoạn trở nên phức tạp ta cần tô theo mẫu tô tô màu Có cách tiếp cận để tô màu: - Tô màu theo điểm (có thể gọi tô đơn giản) - Tô màu theo dòng quét - Tô màu dựa theo đường biên 2.3.1 Tô màu đơn giản Thuật toán việc xác định điểm có thuộc vùng cần tô hay không Nếu điểm thuộc vùng cần tô tô với màu muốn tô  Tô đƣờng tròn - Để tô đường tròn ta tìm hình vuông nhỏ ngoại tiếp đường tròn cách xác định điểm bên trái (xc-r, yc-r) điểm bên phải (xc+r, yc+r) hình vuông (xem hình 2.16) - Cho i từ xc-r đến xc+r Cho j từ yc-r đến yc+r Tính khoảng cách d hai điểm (i,j) tâm (xc,yc) Nếu d Max ( P y, P y) P đỉnh cực trị i i+1 i-1 i i+1 i-1 i ( cực tiểu hay cực đại ) - P y < P y < P y hay P > P y > P y P đỉnh đơn điệu - P =P i-1 i i i+1 i+1 i-1 i i+1 i P y < Min ( P y, P y) hay P > Max ( P y, P y) đoạn i i+2 i-1 i i+2 i-1 [P ,P ] đoạn cực trị ( cực tiểu hay cực đại ) i - i+1 P =P i i+1 P y < P y < P y hay P i-1 i i+2 i-1 > P y > P y đoạn [P ,P ] i i+2 i i+1 đoạn đơn điệu  Thuật toán kiểm tra điểm có nằm đa giác - Với đỉnh đa giác ta đánh dấu hay theo qui ước sau: đỉnh cực trị hay đoạn cực trị đánh số Nếu đỉnh đơn điệu hay đoạn đơn điệu đánh dấu - Xét số giao điểm tia nửa đường thẳng từ P điểm cần xét với biên đa giác Nếu số giao điểm chẳn kết luận điểm không thụôc đa giác Ngược lại, số giao điểm lẻ điểm thuộc đa giác 44 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH  Nhận xét: Thuật toán tô đơn giản có ưu điểm tô mịn sử dụng cho đa giác lồi hay đa giác lõm, đa giác tự cắt, đường tròn, ellipse Tuy nhiên, giải thuật trở nên chậm ta phải gọi hàm PointInpoly nhiều lần Để khắc phục nhược điểm người ta đưa thuật toán tô màu theo dòng quét 2.3.2 Tô màu theo dòng quét - Phương pháp xác định phần giao dòng quét với đường biên vùng tô Sau đó, tiến hành tô màu điểm thuộc phần giao - Phương pháp thường dùng để tô màu đa giác lồi, lõm hay đa giác tự cắt, đường tròn, ellipse, số đường cong đơn giản khác  Các bƣớc thuật toán - Tìm ymin, ymax giá trị nhỏ nhất, lớn tập tung độ đỉnh đa giác cho - Ứng với dòng quét y = k với k thay đổi từ ymin đến ymax, lặp :  Tìm tất hoành độ giao điểm dòng quét y = k với cạnh đa giác  Sắp xếp hoành độ giao điểm theo thứ tự tăng dần : x ,x , , x , n  Tô màu đoạn thẳng đường thẳng y = k giới hạn cặp (x , x ), ( x ,x ), (xem hình 2.19) 1 45 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH Hình 2.19 : Tô màu đa giác giải thuật scan – line  Các vấn đề cần lƣu ý: - Hạn chế số cạnh cần tìm giao điểm ứng với dòng quét ứng với dòng quét lúc giao điểm với cạnh đa giác - Xác định nhanh hoành độ giao điểm lặp lại thao tác tìm giao điểm cạnh đa giác với dòng quét tốn nhiều thời gian - Giải trường hợp số giao điểm qua đỉnh đơn điệu tính số giao điểm hay qua đỉnh cực trị.thì tính số giao điểm (hoặc 2) 2.3.3 Tô màu theo đƣờng biên Bài toán đặt : Cần tô màu vùng biết màu đường biên vùng tô điểm nằm bên vùng tô Ý tƣởng : Bắt đầu từ điểm nằm bên vùng tô, kiểm tra điểm lân cận tô với màu muốn tô, hay điểm lân cận có màu trùng với màu biên không? Nếu hai trường hợp ta tô điểm với màu muốn tô Quá trình lặp lại không tô dừng (xem hình 2.20) 46 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH Hình 2.20: Tô màu theo đường biên Có quan điểm cách tô Đó dùng điểm lân cận (có thể gọi liên thông) hay điểm lân cận (8 liên thông) (xem hình 2.21) Hình 2.21: liên thông liên thông  Nhận xét Thuật toán không hoạt động xác có số điểm nằm vùng tô có màu màu cần tô vùng (FillColor) Để khắc phục điều này, trước tô màu cần phải đảm bảo toàn điểm thuộc vùng tô có màu khác màu tô 47 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông [...]... tài liệu khác nhau cùng một lúc 1. 4.6 Ứng dụng trong y tế 20 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH Đồ họa máy tính được ứng dụng trong việc xử lý các hình ảnh y tế hoặc ứng dụng trong việc mô phỏng, chuẩn đoán bằng hình ảnh trong y tế Hình 1. 14 Ứng dụng của đồ họa trong y tế 21 Bộ môn Truyền thông Đa phương... cách có hiệu quả Hình 1. 13 Thông tin tóm lược được biểu diễn qua các biểu đồ 19 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 1. 4.3 Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật Trong lĩnh vực nghệ thuật, các chương trình máy tính như Paint Shop Pro, Adobe Photoshop, 3D Studio, … hỗ trợ rất đắc lực cho các họa sĩ, các nhà tạo mẫu... trục y 12 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH Hình 1. 6 Hệ tọa độ bàn tay phải  Hệ tọa độ theo qui ước bàn tay trái: để bàn trái sao cho ngón cái hướng theo trục z, khi nắm tay lại các ngón tay chuyển động theo hướng từ trục x đến trục y Hình 1. 7 Hệ tọa độ bàn tay trái 1. 3 Các thành phần của một hệ đồ họa. .. bị chỉ biểu diễn được một giới hạn nào đó của N Ví dụ: Độ phân giải của màn hình trong chế độ đồ họa là 640x480 Khi đó, x (0, 640) và y (0,480) Hình 1. 4 Hệ tọa độ thiết bị 11 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 1. 2.3 Hệ tọa độ thiết bị chuẩn Do cách định nghĩa các hệ tọa độ thiết bị khác nhau nên hình ảnh... trường - Có thể màn hình vừa lớn vừa rộng (>20 inch) - độ tương phản thấp (typ 1: 100) - độ chói (độ ngời) thấp hơn (typ 200 cd/m2) b Thiết bị nhập 17 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH  Bàn phím: Xuất hiện trong hầu hết các máy tính, nó là thiết bị để nhập dữ liệu dạng văn bản và số Đây là loại thiết bị... Hình 1. 7 Hệ tọa độ bàn tay trái 1. 3 Các thành phần của một hệ đồ họa Một hệ đồ họa bao giờ cũng có hai thành phần chính đó là phần cứng và phần mềm Phần cứng bao gồm các thiết bị hiển thị và nhập dữ liệu… Phần mềm bao gồm các công cụ lập trình và các trình ứng dụng đồ họa Chúng ta sẽ lần lượt khảo sát các thành phần này 1. 3 .1 Phần cứng a Thiết bị hiển thị  Màn hình CRT Một chùm các tia điện tử (tia... có từ trường thì ánh sáng truyền đổi chiều 16 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH Hình 1. 11 Công nghệ truyền ánh sáng trong màn hình tinh thể lỏng CRT Displays (màn hình CRT) Ƣu điểm Nhƣợc điểm - Đáp ứng nhanh (có độ phân giải cao) - Lớn và nặng (typ 70x70 cm, 15 - Màu sắc đa dạng (Có độ sâu và kg) rộng)... hình ảnh trong y tế Hình 1. 14 Ứng dụng của đồ họa trong y tế 21 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH CHƢƠNG 2: MÀU SẮC TRONG ĐỒ HỌA 2 .1 Ánh sáng và màu sắc 2 .1. 1 Quan niệm về ánh sáng và màu sắc - Ánh sáng đem đến sự sống cho con người - Ánh sáng đem đến màu sắc cho con người Màu sắc là cảm giác mà nó xảy... đồ họa vector có thể sử dụng không gian màu RGB hay CMY hay bất kỳ không gian màu nào khác - Một số ứng dụng đồ họa cho phép người dùng sử dụng nhiều mô hình màu đồng thời để soạn thảo hay thể hiện đối tượng hình học Điểm quan trọng là hiểu và để chọn đúng mô hình cần thiết cho công việc 27 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính. .. với đen là (0,0,0) và trắng (1, 1 ,1) Mô hình màu RGB dùng 3 màu cơ bản R(red), G (Green), B (Blue) để biểu diễn màu Người ta dùng hệ tọa độ ba màu R-G-B (tương ứng với hệ tọa độ x-y-z) để biểu diễn màu như sau: 30 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH Hình 2.6 Mô hình màu RGB 2.2 .1. 2 Biểu diễn RGB Một trong ... thông Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HỌA MÁY TÍNH 1. 1 Tổng quan 1. 1 .1 Giới thiệu Đồ họa máy tính bao gồm tất liên quan đến việc sử dụng máy tính. .. .12 1. 2.4 Hệ tọa độ ba chiều .12 1. 3 Các thành phần hệ đồ họa .13 1. 3 .1 Phần cứng 13 1. 3.2 Phần mềm 18 1. 4 Một số ứng dụng đồ họa máy tính .18 .. .Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HỌA MÁY TÍNH 1. 1 Tổng quan .6 1. 1 .1 Giới thiệu .6 1. 1.2 Lịch sử