Bài giảng đồ họa Introduction

Bài giảng đồ họa Introduction

ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Tổng quan đồ họa máy tính Khái niệm • Đồ họa máy tính hiểu tất liên quan đến việc tạo ảnh (image) máy tính Chúng bao gồm : tạo, lưu trữ, thao tác mô hình (model) ảnh • Thuật ngữ đồ họa máy tính (computer graphics) William Fetter đặt năm 1960 để mô tả cách thiết kế làm việc hãng Boeing • Với cách này, tạo nhiều ảnh sử dụng lại để dễ dàng thiết kế buồng lái phi công theo ý muốn Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Tổng quan Đồ họa máy tính 1/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Một số ứng dụng đồ họa máy tính • Hỗ trợ thiết kế (CAD - Computer Aided Design) Gồm hai bước ♦ Phác thảo phần khung(wireframe outline) mà từ thấy toàn hình dạng thành phần bên đối tượng Sử dụng kó thuật này, người thiết kế dễ dàng nhận thấy thay đổi đối tượng tiến hành hiệu chỉnh chi tiết hay thay đổi góc nhìn, … ♦ Kết hợp mô hình chiếu sáng, tô màu tạo bóng bề mặt để tạo kết cuối gần với giới thực Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Tổng quan Đồ họa máy tính 2/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH • Visualization ♦ Dùng phát sinh biểu đồ, đồ thị, … việc minh họa mối quan hệ nhiều đối tượng với ♦ Tóm lược liệu tài chính, thống kê, kinh tế, khoa học, toán học, … giúp cho việc nghiên cứu, quản lí, … cách có hiệu Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Tổng quan Đồ họa máy tính 3/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH • Giải trí • Tạo giao diện Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Tổng quan Đồ họa máy tính 4/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Tổng quan hệ đồ họa • Các thành phần phần cứng ♦ Thiết bị hiển thị : hình, máy in, … ♦ Thiết bị nhập : bàn phím, chuột, … • Các công cụ phần mềm ♦ Công cụ ứng dụng (application package) : Được thiết kế cho người sử dụng để tạo hình ảnh mà không cần quan tâm tới thao tác bên hoạt động Ví dụ : AutoCAD, Adobe Photoshop, 3D Studio, … ♦ Công cụ lập trình (programming package) : Cung cấp tập hàm đồ họa dùng ngôn ngữ lập trình cấp cao C, Pascal, … Ví dụ : GRAPH.TPU, GRAPHICS.LIB, Open GL, … • Các chuẩn phần mềm ♦ Ra đời để đáp ứng tính tương thích : Nếu phần mềm thiết kế với hàm đồ họa chuẩn chúng dùng cho nhiều hệ phần cứng môi trường làm việc khác ♦ GKS (Graphics Kernel System) chuẩn đời cho việc phát triển phần mềm đồ họa Ban đầu GKS thiết kế dùng cho tập công cụ đồ họa hai chiều, sau mở rộng cho đồ họa ba chiều ♦ Các hàm GKS thực mô tả trừu tượng, độc lập với ngôn ngữ lập trình Để cài đặt chuẩn đồ họa cho ngôn ngữ cụ thể nào, cú pháp tương ứng xác định cụ thể hóa Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Tổng quan Đồ họa máy tính 5/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH • Các thành phần công cụ lập trình ♦ Tập công cụ tạo đối tượng đồ họa sở điểm, đoạn thẳng, đường cong, vùng tô, kí tự, … ♦ Tập công cụ thay đổi thuộc tính đối tượng sở kể màu sắc, kiểu đường, kiểu chữ, mẫu tô… ♦ Tập công cụ thực phép biến đổi hình học dùng để thay đổi kích thước, vị trí, hướng, … ♦ Tập công cụ biến đổi hệ quan sát dùng để xác định vị trí quan sát đối tượng vị trí thiết bị hiển thị đối tượng ♦ Tập công cụ nhập liệu : ứng dụng đồ họa sử dụng nhiều loại thiết bị nhập khác chuột, bàn phím, bút vẽ, bảng, … để điều khiển xử lí dòng liệu nhập ♦ Tập công cụ chứa thao tác dùng cho quản lí điều khiển khởi tạo đóng chế độ đồ họa, xóa toàn hình, … Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Tổng quan Đồ họa máy tính 6/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Hai mô hình ứng dụng đồ họa • ng dụng đồ họa dựa mẫu số hóa (sampledbased graphics) ♦ Các pixel (điểm ảnh) tạo thao tác số hóa ảnh cách sử dụng chương trình vẽ dựa mẫu số hóa hay máy quét ♦ Các ứng dụng thuộc dạng gồm : PaintBrush, Adobe Photoshop, … • ng dụng đồ họa dựa đặc trưng hình học (geometry-based graphics) ♦ Dùng đặc trưng hình học thuộc tính để mô tả đối tượng Sau đối tượng số hóa để phục vụ cho hiển thị ♦ Các ứng dụng thuộc dạng : Adobe Illustrator, AutoCAD, … Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Tổng quan Đồ họa máy tính 7/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH ng dụng đồ họa dựa mẫu số hóa • Các đối tượng đồ họa tạo lưới pixel rời rạc • Các pixel có mô tả tọa độ để xác định vị trí giá trị mẫu (sample values), thông thường độ sáng hay màu sắc • Các pixel tạo chương trình vẽ, máy quét, … • Khi ảnh xác định tập pixel, chúng có thao tác : ♦ Biên tập ảnh (image editting) : cắt, dán vùng ảnh, sử dụng công cụ tô màu để hiệu chỉnh, … ♦ Xử lí ảnh (image processing) : sử dụng thuật toán để thay đổi ảnh mà can thiệp người dùng, bao gồm : làm nhòe ảnh (blurring), làm nét ảnh (sharpening), dò đường biên (edge-detection), cân chỉnh màu sắc, • Một số thuận lợi ♦ Dễ dàng thay đổi ảnh cách thay đổi màu sắc hay vị trí pixel, ví dụ lấy ảnh âm bản, … ♦ Có thể di chuyển vùng ảnh từ nơi sang nơi khác dễ dàng • Một số bất lợi ♦ Không thể xem xét đối tượng từ góc nhìn khác ♦ Hiệu chỉnh thuộc tính hình học, kích thước phức tạp Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Tổng quan Đồ họa máy tính 8/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH ng dụng đồ họa dựa đặc trưng hình học • Các đối tượng đồ họa sở đoạn thẳng, đa giác, … lưu trữ mô hình (model) thuộc tính (attribute) chúng ♦ Các mô hình thực chất mô tả toán học, ví dụ đoạn thẳng mô hình hai điểm đầu, cuối, … ♦ Các thuộc tính dùng để mô tả cách mà đối tượng hiển thị ví dụ màu sắc, độ dày, • Các ảnh tạo tập pixel thông qua việc số hóa đặc trưng hình học phục vụ cho yêu cầu hiển thị Các ảnh khác tùy vào yêu cầu hiển thị khác nhau, xuất phát từ mô hình • Người dùng không thao tác trực tiếp với pixel ứng dụng dạng mà thao tác thành phần hình học đối tượng, sau số hóa lại hiển thị Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Tổng quan Đồ họa máy tính 9/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Thiết bị hiển thị : Màn hình Cấu tạo CRT • Một chùm tia điện tử (tia âm cực) phát từ súng điện tử, vượt qua hệ thống hội tụ (focusing) dẫn hướng (deflection) hướng tới vị trí xác định hình phủ lớp phosphor • Tại vị trí tương tác với tia điện tử, hạt phosphor phát chấm sáng nhỏ Vì ánh sáng phát hạt phosphor mờ dần nhanh nên cần phải có cách để trì ảnh hình Một cách lặp lặp lại nhiều lần việc vẽ lại ảnh thật nhanh cách hướng tia điện tử trở lại vị trí cũ Kiểu hiển thị gọi refresh CRT • Có nhiều loại phosphor dùng CRT Ngoài màu sắc ra, điểm khác loại phosphor “độ bền“ (persistent), khoảng thời gian phát sáng sau tia CRT không tác động Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Tổng quan Đồ họa máy tính 10/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH • Lớp phosphor có độ bền thấp cần tốc độ làm tươi cao để giữ cho hình ảnh hình khỏi nhòe Loại thường tốt cho hoạt hình, cần thay đổi hình ảnh liên tục Lớp phosphor có độ bền cao thường dùng cho việc hiển thị ảnh tónh, độ phức tạp cao Mặc dù số loại phosphor có độ bền lớn giây, nhiên hình đồ họa thường xây dựng với độ bền dao động từ 10 đến 60 micro giây • Số lượng tối đa điểm hiển thị CRT gọi độ phân giải (resolution) • Kích thước vật lí hình đồ họa tính từ độ dài đường chéo hình, thường dao động từ 12 đến 27 inch lớn Một hình CRT kết hợp với nhiều loại máy khác nhau, số lượng điểm hình vẽ thật tùy thuộc vào khả hệ thống mà kết hợp vào • Tỉ số phương tỉ lệ điểm dọc điểm ngang cần để phát sinh đoạn thẳng có độ dài đơn vị theo hai hướng hình (trong số trường hợp người ta thường dùng tỉ số phương tỉ số điểm theo chiều ngang so với điểm theo chiều dọc) Với hình có tỉ số phương khác 1, dễ dàng nhận thấy hình vuông hiển thị có dạng hình chữ nhật, hình tròn có dạng hình ellipse Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Tổng quan Đồ họa máy tính 11/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Màn hình dạng điểm (raster - scan display): • Chùm tia điện tử quét ngang qua hình, lần dòng quét từ xuống Sự bật tắt điểm sáng hình phụ thuộc vào cường độ tia điện tử sở việc tạo hình ảnh hình • Mỗi điểm hình gọi pixel Các thông tin hình ảnh hiển thị hình lưu trữ vùng nhớ gọi vùng đệm làm tươi (refresh buffer) vùng đệm khung (frame buffer) Vùng nhớ lưu trữ tập giá trị cường độ sáng toàn điểm hình luôn tồn song ánh điểm hình phần tử vùng • Để thay đổi hình ảnh cần hiển thị, giá trị tương ứng với vị trí độ sáng phải đặt vào vùng đệm khung Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Tổng quan Đồ họa máy tính 12/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH • Để tạo ảnh đen trắng, đơn giản cần lưu thông tin pixel bit (các giá trị 0, tượng trưng cho việc tắt (tối), bật (sáng) pixel hình) Trong trường hợp ảnh nhiều màu, người ta cần nhiều bit hơn, thông tin pixel lưu b bit, ta có 2b giá trị màu phân biệt cho pixel • Trong hình màu, người ta định nghóa tập màu làm việc bảng tra (LookUp Table - LUT) Mỗi phần tử LUT định nghóa ba giá trị R (Red), G (Green), B (Blue) mô tả màu Khi cần sử dụng màu, ta cần định số thứ tự (index) tương ứng màu LUT Bảng LUT thay đổi ứng dụng người lập trình can thiệp điều khiển Với cách làm tiết kiệm không gian lưu trữ cho phần tử vùng đệm khung • Số phần tử LUT xác định từ số lượng bits/pixel Nếu phần tử vùng đệm khung dùng b bits để lưu thông tin pixel, bảng LUT có 2b phần tử Nếu b=8, LUT có 28=256 phần tử, số màu hiển thị lúc hình • Việc làm tươi hình dạng thực tốc độ 60 đến 80 frame/giây Đôi tốc độ làm tươi biểu diễn đơn vị Hertz (Hz – số chu kì/ giây), chu kì tương ứng với frame Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Tổng quan Đồ họa máy tính 13/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH • Khi đạt đến cuối dòng quét, tia điện tử quay trở lại bên trái hình để bắt đầu dòng quét Việc quay trở lại phía trái hình sau làm tươi dòng quét gọi tia hồi ngang (horizontal retrace) Và tới cuối frame, tia điện tử (tia hồi dọc – vertical retrace) quay trở lại góc bên trái hình để chuẩn bị bắt đầu frame • Trong số hình, frame hiển thị thành hai giai đoạn sử dụng kó thuật làm tươi đan xen (interlaced refesh) Ở giai đoạn đầu tiên, tia quét quét số dòng từ xuống dưới, sau tia hồi dọc, dòng lại quét Việc đan xen dòng quét cho phép thấy toàn hình hiển thị nửa thời gian so với dùng để quét tất dòng lần từ xuống Kó thuật thường dùng cho loại hình có tốc độ làm tươi thấp Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Tổng quan Đồ họa máy tính 14/14 ... Đình Duy Tổng quan Đồ họa máy tính 3/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH • Giải trí • Tạo giao diện Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Tổng quan Đồ họa máy tính 4/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Tổng quan hệ đồ họa • Các thành phần... khiển khởi tạo đóng chế độ đồ họa, xóa toàn hình, … Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Tổng quan Đồ họa máy tính 6/14 ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Hai mô hình ứng dụng đồ họa • ng dụng đồ họa dựa mẫu số hóa (sampledbased... mềm đồ họa Ban đầu GKS thiết kế dùng cho tập công cụ đồ họa hai chiều, sau mở rộng cho đồ họa ba chiều ♦ Các hàm GKS thực mô tả trừu tượng, độc lập với ngôn ngữ lập trình Để cài đặt chuẩn đồ họa