ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐỖ THÁI HÒA NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU Tiếng anh: (A number of technical studies show 3D images from the slideshow) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2012 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐỖ THÁI HÒA NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU Tiếng anh: (A number of technical studies show 3D images from the slideshow) Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Đỗ Năng Toàn Thái Nguyên - 2012 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iii PHẦN MỞ ĐẦU .1 Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 1.1 Khái quát đồ họa 3D .3 1.1.1 Lịch sử phát triển 1.1.2 Các kỹ thuật đồ họa .4 1.1.2.1 Kỹ thuật đồ hoạ điểm (Sample based-Graphics) .4 1.1.2.2 Kỹ thuật đồ họa Vector 1.1.2.3 Các chuẩn giao diện hệ đồ hoạ .6 1.1.3 Phần cứng đồ họa (Graphics HardWare) 1.1.3.1 Các thành phần phần cứng hệ đồ hoạ tương tác 1.1.3.2 Máy in 1.1.3.3 Màn hình (monitor-display) 1.1.3.4 Bảng tra màu LUT (Look Up Table) 11 1.1.3.5 Sự kết nối hệ thống máy tính với thiết bị hiển thị 13 1.2 Hiển thị hình ảnh 3D 15 1.2.1.Nguyên lý 3D (three-Dimension) 15 1.2.2 Đặc điểm kỹ thuật đồ hoạ 3D 15 1.2.3 Các phương pháp hiển thị 3D 16 1.2.4 Tái tạo cấu trúc ba chiều từ hình chiếu 16 Chƣơng 2: KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU 19 2.1 Biểu diễn bề mặt (surface rendering – SR) 19 2.2 Biểu diễn thể tích (volume rendering – VR) 26 Chƣơng 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 34 3.1 Các công cụ 34 3.2 Chương tr ình cài đặt 39 3.3 Một số cửa sổ - Kết thử nghiệm 39 3.4 Đánh giá 41 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu/ Chữ viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa 3D Dimentional chiều 2D Dimentional chiều VR Volume rendering Biểu diễn thể tích SR surface rendering Biểu diễn bề mặt CRT Cathode ray tube Màn hình CRT MC Marching Cube s Thuật toán Marching Cubes MT Marching Tetrahedra Thuật toán Marching Tetrahedra MIP MinIP 10 LCD Maximum intensity projection Minimum intensity projection Liquid Crystal Display Digital Imaging and 11 DICOM COmmunications in Medicine Standars 12 VTK Visualization Toolkit Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Phương pháp tạo bố cục cho ảnh Phương pháp tạo bố cục cho ảnh Màn hình Tiêu chuẩn ảnh số truyền thông y tế Bộ toolkit có mã nguồn mở http://www.lrc-tnu.edu.vn iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ảnh đồ hoạ điểm Hình 1.2 Kỹ thuật đồ họa điểm Hình 1.3 Mô hình đồ họa vector Hình 1.4 Các thành phần cứng hệ đồ hoạ tương tác Hình 1.5 Cấu tạo hình CRT Hình 1.6 Súng điện tử bố trí theo kiểu tam giác Hình 1.7 Dòng quét thiết bị Raster Hình 1.8 Tổ chức bảng tra màu LUT (Look Up Table) Hình 1.9 Tổ chức máy Hình 1.10 Nối kết mạng cục Hình 1.11 Các dạng ảnh 2D dùng để tái tạo ảnh 3D thường gặp Hình 2.1 Hình ảnh 3D biểu diễn theo phương pháp SR Hình 2.2 Minh họa thuật toán Marching Square Hình 2.3 16 trường hợp Marching Square Hình 2.4 Minh họa tạo bề mặt từ đường viền Hình 2.5 Xây dựng bề mặt theo giá trị đỉnh Hình 2.6 Các trường hợp mặt qua khối lập phương thuật toán Marching Cubes Hình 2.7 Một trường hợp lỗi Marching Cubes Hình 2.8 Chia khối lập phương thành khối tứ diện Hình 2.9 Hai trường hợp mặt phẳng qua khối tứ diện thuật toán Marching Tetrahedra Hình 2.10 Minh họa thuật toán Dividing Cubes để vẽ đương mặt phẳng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv Hình 2.11 Minh họa thuật toán Dividing Cubes không gian ba chiều Hình 2.12 Hình ảnh 3D biểu diễn theo phương pháp VR Hình 2.13 Minh họa kỹ thuật object -order Hình 2.14 Minh họa kỹ thuật image -order Hình 2.15 Mô hình Blinn / Kajiya Hình 2.16 Minh họa kỹ thuật đơn giản hóa tính toán cường độ ánh sáng Hình 2.17 Sơ đồ tổng quan rendering MIP Hình 3.1 Sơ đồ tương tác VTK với phần cứng Hình 3.2 Cấu trúc chương trình ứng dụng VTK Hình 3.3 Mô hình đồ họa VTK Hình 3.4 Mô hình trực quan hóa VTK Hình 3.5 Các loại tập liệu VTK Hình 3.6 Cách kết nối VTK ITK Hình 3.7 Pipeline chương trình cài đặt Hình 3.8 Chu trình biểu diễn liệu thành hình ảnh Hình 3.9 Giao diện hình Hình 3.10 Hình ảnh 3D hiển thị Hình 3.11 Các góc độ khác hình ảnh 3D hiển thị Hình 3.12 Hiển thị thêm mô mềm Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn PHẦN MỞ ĐẦU Đồ họa máy tính đời kết hợp lĩnh vực thông tin truyền hình Đầu tiên kỹ thuật đồ họa phát triển nhóm kỹ sư sử dụng máy tính lớn Trong giai đoạn đầu phát triển người ta phải tốn nhiều tiền cho việc trang bị thiết bị phần cứng Ngày nay, nhờ vào tiến vi xử lý, giá thành máy tính lúc phù hợp với túi tiền người sử dụng kỹ thuật ứng dụng đồ họa ngày cao nên có nhiều người quan tâm nghiên cứu đến lĩnh vực Đồ họa máy tính lĩnh vực công nghệ thông tin mà đó, việc nghiên cứu, xây dựng tập hợp công cụ (mô hình lý thuyết, phần mềm ) khác nhằm kiến tạo, xây dựng, lưu trữ xử lý mô hình (models) hình ảnh (images) vật-hiện tượng sống, sản xuất nghiên cứu Các mô hình hình ảnh kết thu từ lĩnh vực khác nhiều ngành khoa học (chẳng hạn vật lý, toán học, thiên văn học, sinh học, sinh học, y học, v.v ) nhiều thể loại phong phú cấu trúc phân tử, cấu trúc sinh học, mô hình vũ trụ v.v Ngày nay, việc sử dụng đồ họa máy tính thâm nhập vào nhiều lĩnh vực biểu diễn thông tin, in ấn xuất bản, thiết kế kỹ thuật, thiết kế kiến trúc, mô giới thực (thực ảo-Virtual reality), thiết kế giao diện máy-người sử dụng v.v ngày chứng tỏ quan trọng thiếu máy móc thiết bị công nghệ phục vụ cho lĩnh vực nói dần chuyển sang sử sụng công nghệ kỹ thuật số chí trở thành nghệ thuật số (Digital art) Ở nhóm ứng dụng đồ họa chiều cung cấp khả thể biểu đồ, đồ thị (hình ảnh chiều); nhóm ứng dụng đồ họa ba chiều ảnh động cung cấp khả thể hình ảnh, mô hình không gian ba chiều, kỹ thuật mô giới thực, tạo ảnh sống động cho phim Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ảnh, truyền hình từ kỹ thuật mô tả chuyển động mô hình v.v Đồ họa máy tính nói chung tái tạo hình ảnh ba chiều vật thể thực từ hình chiếu lĩnh vực thu hút quan tâm nhiều giới nghiên cứu lĩnh vực công nghệ thông tin chục năm qua Hình ảnh tái tạo từ máy tính sử dụng có hiệu nhiều lĩnh vực khác giáo dục, giải trí, kiến trúc, đặc biệt chuẩn đoán hình ảnh y tế, Các kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3D từ hình chiếu đề tài mẻ có ứng dụng lớn trong lĩnh vực tái tạo, chuẩn đoán phục đối tượng Trong luận văn này, tác giả tìm hiểu số kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3D từ hình chiếu kỹ thuật biểu diễn bề mặt (surface rendering – SR), kỹ thuật biểu diễn thể tích (volume rendering – VR) ứng dụng thử nghiệm chương trình hiển thị hình ảnh 3D từ hình chiếu Nội dung luận văn bao gồm chương: Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ HÌNH ẢNH Chương khái quát đồ họa 3D, Nguyên lý 3D Đặc điểm kỹ thuật đồ hoạ 3D Chương 2: KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU Chương giới thiệu số kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3D từ hình chiếu kỹ thuật biểu diễn bề mặt (surface rendering – SR), kỹ thuật biểu diễn thể tích (volume rendering – VR) Chương 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chƣơng KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 1.1 Khái quát đồ họa 3D 1.1.1 Lịch sử phát triển - Graphics năm 1950-1960 1959 Thiết bị đồ hoạ hình xuất Đức 1960 - SAGE (Semi-Automatic Ground Environment System) xuất bút sáng thao tác với hình Màn hình thiết bị thông dụng hệ đồ hoạ, thao tác hầu hết hình dựa thiết kế ống tia 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) [4] - Graphics: 1960-1970 1963 Ivan Sutherland (hội nghị Fall Joint Computer - lần có khả tạo mới, hiển thị thay đổi thực thời gian thực CRT) Hệ thống dùng để thiết kế mạch điện: CRT, LightPen (bút sáng), computer (chứa chương trình xử lý thông tin) Người sử dụng vẽ mạch điện trực tiếp lên 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 châu âu), Becomes ISO 2D standard - Graphics: 1980-1990 Mục đích đặc biệt phần cứng, thiết bị hình học đồ hoạ Silicon Xuất chuẩn công nghiệp: PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 (Toy Story) thành công Các tiềm tàng phần cứng mới: Texture mapping (dán ảnh cảnh thật lên bề mặt đối tượng), blending (trộn màu)… - Computer Graphics: 2000- Ảnh thực, cạc đồ hoạ cho máy tính (Graphics cards for PCs), game boxes and game players 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)… 1.1.2 Các kỹ thuật đồ họa 1.1.2.1 Kỹ thuật đồ hoạ điểm (Sample based-Graphics) - Các mô hình, hình ảnh đối tượng hiển thị thông qua pixel (từng mẫu rời rạc) - Đặc điểm: Có thể thay đổi thuộc tính + Xoá pixel mô hình hình ảnh đối tượng + Các mô hình hình ảnh hiển thị lưới điểm (grid) pixel rời rạc + Từng pixel có vị trí xác định, hiển thị với giá trị rời rạc (số nguyên) thông số hiển thị (màu sắc độ sáng) + Tập hợp tất pixel grid cho mô hình, hình ảnh đối tượng mà muốn hiển thị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn