Bài giảng Đồ họa máy tính: Giới thiệu về đồ họa máy tính - TS. Đào Nam Anh

Bài giảng Đồ họa máy tính: Giới thiệu về đồ họa máy tính cung cấp cho người học các kiến thức: Một số ứng dụng của đồ họa máy tính, khái niệm về máy tính, tổng quan về một hệ đồ họa. Mời các bạn cùng tham khảo.

Computer Graphics ĐỒ HỌA MÁY TÍNH GIỚI THIỆU VỀ ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Ts Đào Nam Anh Computer Graphics NỘI DUNG I MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA ĐỒ HỌA MÁY TÍNH II KHÁI NIỆM VỀ MÁY TÍNH III TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ ĐỒ HỌA Trang đầu Computer Graphics Tham khảo Francis S Hill Computer Graphics Macmillan Publishing Company, NewYork, 1990, 754 tr James D.Foley, Andries Van Dam, Feiner, John Hughes Introduction to Computer Graphics Addision Wesley, NewYork, 1995, 559 tr James D.Foley, Andries Van Dam, Feiner, John Hughes Computer Graphics - Principle and Practice Addision Wesley, NewYork, 1996, 1175 tr Dương Anh Đức, Lê Đình Duy Giáo trình Đồ họa máy tính Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (lưu hành nội bộ), 1996, 237 tr Hồng Kiếm, Dương Anh Đức, Lê Đình Duy, Vũ Hải Qn Giáo trình Cơ sở Đồ họa Máy Tính, NXB Giáo dục, 2000 Donald Hearn, M.Pauline Baker Computer Graphics, C version Prentice Hall International Inc, Upper Saddle River, New Jersey, 1997, 652tr Trang đầu Computer Graphics ĐỒ HỌA MÁY TÍNH    Sự phát triển khoa học, kĩ thuật, nghệ thuật, kinh doanh, công nghệ luôn phụ thuộc vào khả truyền đạt thông tin chúng ta, thông qua bit liệu lưu trữ microchip thông qua giao tiếp tiếng nói Câu châm ngơn từ xa xưa “một hình ảnh có giá trị vạn lời" hay "trăm nghe không thấy" cho thấy ý nghĩa lớn hình ảnh việc chuyển tải thơng tin Hình ảnh cảm nhận nhanh dễ dàng hơn, đặc biệt trường hợp bất đồng ngơn ngữ Do khơng có ngạc nhiên mà từ xuất máy tính, nhà nghiên cứu cố gắng sử dụng để phát sinh ảnh hình Trang đầu Computer Graphics ĐỒ HỌA MÁY TÍNH     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 lơi mãnh liệt, hút nhiều người nhiều lĩnh vực khác khoa học, nghệ thuật, kinh doanh, quản lí, Tính hấp dẫn đa dạng đồ họa máy tính minh họa trực quan thông qua việc khảo sát ứng dụng Trang đầu ỨNG DỤNG CỦA ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Computer Graphics Hỗ trợ thiết kế    Một ứng dụng lớn đồ họa máy tính hỗ trợ thiết kế (CAD – computer-aided design) Ngày CAD sử dụng hầu hết việc thiết kế cao ốc, ô tô, máy bay, tàu thủy, tàu vũ trụ, máy tính, trang trí mẫu vải, nhiều sản phẩm khác Sử dụng chương trình này, đối tượng hiển thị dạng phác thảo phần khung (wireframe outline), mà từ thấy tồn hình dạng thành phần bên đối tượng Sử dụng kĩ thuật này, người thiết kế dễ dàng nhận thấy thay đổi đối tượng tiến hành hiệu chỉnh chi tiết hay thay đổi góc nhìn, … Một thiết kế xong phần khung đối tượng, mô hình chiếu sáng, tơ màu tạo bóng bề mặt kết hợp để tạo kết cuối gần với giới thực Trang đầu ỨNG DỤNG CỦA ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Computer Graphics Biểu diễn thông tin   Đây ứng dụng sử dụng đồ họa máy tính để phát sinh biểu đồ, đồ thị, … dùng minh họa mối quan hệ nhiều đối tượng với Các ứng dụng thường dùng để tóm lược liệu tài chính, thống kê, kinh tế, khoa học, tốn học, … giúp cho việc nghiên cứu, quản lí, … cách có hiệu 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Winter Spring Summer Trang đầu Automn ỨNG DỤNG CỦA ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Computer Graphics Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật   Trong lĩnh vực nghệ thuật, chương trình máy tính Paint Shop Pro, Adobe Photoshop, 3D Studio, … hỗ trợ đắc lực cho họa sĩ, nhà tạo mẫu việc thiết kế hình ảnh sống động, thực Với chương trình này, người họa sĩ máy tính tạo cho cảm giác y làm việc đời thực cách cung cấp công cụ khung vẽ, giá vẽ, bảng pha màu, hiệu ứng ba chiều, … làm cho họ cảm thấy thoải mái tiện lợi Đồ họa máy tính giúp tạo chương trình trò chơi, giải trí; hỗ trợ cho kĩ xảo điện ảnh, cho nhà làm phim Có nhiều phim tiếng nhờ vào kĩ xảo điện ảnh : Công viên Khủng long kỉ Jura (Jurassic Park), Titanic, Thế giới nước (Water World) Trang đầu ỨNG DỤNG CỦA ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Computer Graphics Giáo dục đào tạo   Hiện chương trình mơ cấu trúc vật thể, tiến trình phản ứng hóa học, hoạt động gói tin mạng máy tính, … dùng nhiều việc hỗ trợ giảng dạy Trong đào tạo, ứng dụng mơ dùng để kiểm tra trình độ người lái, huấn luyện phi công, điều khiển giao thơng, Trang đầu ỨNG DỤNG CỦA ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Computer Graphics Giao tiếp máy tính người dùng 10   Mọi ứng dụng phải có giao diện giao tiếp với người dùng Giao diện đồ họa thực cách mạng mang lại thuận tiện thoải mái cho người dùng ứng dụng Các ứng dụng dựa hệ điều hành MS Windows minh họa trực quan giao diện đồ họa Các chức ứng dụng thiết kế cho người dùng làm việc thông qua biểu tượng mơ tả chức Ví dụ, chức lưu tập tin hiểu thông qua biểu tượng đĩa mềm, chức in ấn hiểu thông qua biểu tượng máy in, … Trang đầu TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ ĐỒ HỌA Phần cứng Computer Graphics Thiết bị hiển thị Không gian HSL 36 Một số bất lợi :  Việc thêm vào vector thực đơn giản không gian RGB (chỉ thêm vào thành phần màu) Các thao tác lượng giác biến đổi ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ chương trình  Cần phải qua hiệu chỉnh gamma trước hiển thị (giống không gian khác) Trang đầu TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ ĐỒ HỌA Phần cứng Computer Graphics Thiết bị hiển thị Không gian HSV 37   Không gian HSV thực chất biến đổi khác không gian RGB Khơng gian HSV mơ hình hình lập phương RGB quay đỉnh Black H (Hue) góc quay quanh trục Values,  S (Saturation) từ đến 1, trục V (Values) tương ứng với đường chéo nối đỉnh White Black   Theo cách này, màu đạt bão hòa S=1 V=1 Trong không gian HSV màu chuẩn hóa số gam (gamut) màu thiết bị hiển thị Trang đầu TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ ĐỒ HỌA Phần cứng Computer Graphics Thiết bị hiển thị Không gian HSV   38 Một số thuận lợi không gian HSV :  Không gian HSV dễ dàng đáp ứng màu sắc chương trình đồ họa xây dựng dựa bắt chước luật trộn màu người họa sĩ Ví dụ : Khi cần thêm màu trắng vào, phải đặt V=S=1 sau giảm S từ từ đạt màu vừa ý; hay cần thêm màu đen vào, điều có nghĩa giảm V (cường độ sáng) cố định S,  Do không cần sử dụng phép biến đổi lượng giác muốn chuyển sang khơng gian RGB nên khơng gian HSV có nhiều thuận lợi mặt tính tốn so với không gian HSL Một số bất lợi :  Cần có phép hiệu chỉnh gamma Trang đầu TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ ĐỒ HỌA Phần cứng Thiết bị hiển thị So sánh Không gian màu Computer Graphics RGB 39 HSL HSV Chuẩn công nghiệp cho thao tác đồ họa máy tính Hình thức biến đổi khác khơng gian RGB Hình thức biến đổi khác khơng gian RGB Liên hệ trực tiếp với phần cứng Liên hệ gần với cảm nhận màu sắc người Liên hệ gần với cảm nhận màu sắc người Là chuyển đổi cuối cho tất nhu cầu hiển thị Đòi hỏi phép biến đổi phức tạp Đã đơn giản hóa thao tác tính tốn Khơng thể chuyển sang hình khác (phụ thuộc thiết bị) Độc lập thiết bị Độc lập thiết bị Khơng có tương ứng 1-1 với cách cảm nhận màu người Có Có Mơ hình hình lập phương Mơ hình hai hình nón úp vào Mơ hình hình nón đơn Được chuẩn hóa Được chuẩn hóa Được chuẩn hóa Độ bão hòa đạt max S =1 Độ bão hòa đạt max S =1, L =0.5 Độ bão hòa đạt max S =1, V =1 Trộn màu không rõ ràng Rõ ràng Rõ ràng Trang đầu TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ ĐỒ HỌA Phần cứng Computer Graphics Các thiết bị nhập 40   Bàn phím : Xuất hầu hết máy tính, thiết bị để nhập liệu dạng văn số Đây loại thiết bị quen thuộc với người sử dụng có hạn chế tương tác không cao Chuột : Cùng với xuất ứng dụng đồ họa tương tác cao, chuột thiết bị nhập ngày quen thuộc với người sử dụng Người ta dùng chuột để trỏ chọn (point-click) chức phù hợp với yêu cầu Bằng cách này, giao tiếp người dùng máy tính ngày thân thiện dễ dàng Ngoài có số thiết bị nhập khác họ với chuột track ball, … Trang đầu TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ ĐỒ HỌA Computer Graphics Phần mềm 41    Phần mềm đồ họa phân thành loại : cơng cụ lập trình trình ứng dụng đồ họa phục vụ cho mục đích Các cơng cụ lập trình cung cấp tập hàm đồ họa dùng ngơn ngữ lập trình cấp cao C, Pascal, Ví dụ thư viện đồ họa ngôn ngữ C, Pascal hay GL (Graphics Library) Silicon Graphics Các hàm sở bao gồm việc tạo đối tượng sở hình ảnh đoạn thẳng, đa giác, đường tròn, …, thay đổi màu sắc, chọn khung nhìn, áp dụng phép biến đổi, … Trong đó, ứng dụng đồ họa thiết kế cho người dùng lập trình viên, cho phép người dùng tạo đối tượng, hình ảnh, … mà khơng cần quan tâm tới việc chúng tạo Ví dụ Photoshop, AutoCAD, … Trang đầu TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ ĐỒ HỌA Computer Graphics Phần mềm Biểu diễn tọa độ 42   Thông thường hệ đồ họa sử dụng hệ tọa độ Descartes để mô tả đối tượng Nếu tọa độ đối tượng mô tả hệ tọa độ khác tọa độ cầu, …, chúng phải chuyển tọa độ Descartes trước dùng Trang đầu TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ ĐỒ HỌA Computer Graphics Phần mềm Quy trình hiển thị đối tượng 43   Trước tiên mô tả đối tượng thành phần ảnh phức tạp hệ tọa độ riêng để thuận tiện cho việc biểu diễn tọa độ chúng Các hệ tọa độ gọi hệ tọa độ mơ hình (modeling coordinates) hay gọi hệ tọa độ cục (local coordinates) Một đối tượng thành phần biểu diễn xong, đặt chúng vào vị trí tương ứng ảnh sử dụng hệ tọa độ giới thực (world coordinates) Trang đầu TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ ĐỒ HỌA Computer Graphics Phần mềm Quy trình hiển thị đối tượng 44    Sau cùng, mô tả ảnh hệ tọa độ giới thực chuyển đến nhiều hệ tọa độ khác thiết bị hiển thị, tùy vào muốn hiển thị thiết bị Các hệ tọa độ gọi hệ tọa độ thiết bị (device coordinates) Các mô tả hệ tọa độ cục hệ tọa độ giới thực cho phép sử dụng thứ nguyên thích hợp cho đơn vị đo mà khơng phải bị ràng buộc thiết bị hiển thị cụ thể Thông thường, hệ đồ họa chuyển mô tả hệ tọa độ giới thực tới hệ tọa độ thiết bị chuẩn (normalized device coordinates) có chiều đơn vị trước chuyển tới hệ tọa độ thiết bị Điều làm cho hệ thống độc lập với nhiều loại thiết bị khác Trang đầu TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ ĐỒ HỌA Computer Graphics Phần mềm Các hàm đồ họa 45 Các hàm đồ họa cung cấp khả tạo thao tác hình ảnh Các hàm phân loại sau :  Tập công cụ tạo đối tượng đồ họa sở điểm, đoạn thẳng, đường cong, vùng tơ, kí tự, …  Tập cơng cụ thay đổi thuộc tính dùng để thay đổi thuộc tính đối tượng đồ họa sở 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 đối tượng, …  Tập công cụ biến đổi hệ quan sát dùng để xác định vị trí quan sát đối tượng vị trí thiết bị hiển thị dùng để hiển thị đối tượng  Tập công cụ nhập liệu : Các ứng dụng đồ họa sử dụng nhiều loại thiết bị nhập khác bút vẽ, bảng, chuột, bàn phím,… để điều khiển xử lí dòng liệu nhập  Cuối tập công cụ chứa thao tác dùng cho việc quản lí điều khiển ví dụ xóa tồn hình, thiết lập chế độ đồ họa, … Trang đầu TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ ĐỒ HỌA Computer Graphics Phần mềm Các chuẩn phần mềm    46 Mục tiêu phần mềm đồ họa chuẩn tính tương thích Khi công cụ thiết kế với hàm đồ họa chuẩn, phần mềm di chuyển cách dễ dàng từ hệ phần cứng sang hệ phần cứng khác dùng nhiều cài đặt ứng dụng khác Sau nỗ lực không nhỏ tổ chức chuẩn hóa quốc gia quốc tế, chuẩn cho việc phát triển phần mềm đồ họa đời GKS (Graphics Kernel System – Hệ đồ họa sở) Hệ thống ban đầu thiết kế cho tập cơng cụ đồ họa hai chiều, sau phát triển mở rộng cho đồ họa ba chiều Các hàm GKS thực mô tả trừu tượng, độc lập với ngơn ngữ lập trình Để cài đặt chuẩn đồ họa cho ngôn ngữ cụ thể nào, cú pháp tương ứng xác định cụ thể hóa Trang đầu TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ ĐỒ HỌA Computer Graphics Phần mềm Các chuẩn phần mềm  47 Mặc dù GKS xác lập ý tưởng ban đầu cho hàm đồ họa sở, nhiên khơng cung cấp cách thức chuẩn cho việc giao tiếp đồ họa với thiết bị xuất Nó khơng xác định cách thức cho mơ hình thời gian thực cách thức lưu trữ chuyển đổi hình ảnh Các chuẩn cho cách thức xây dựng riêng, cụ thể :  Các chuẩn cho cách thức giao tiếp thiết bị cho hệ CGI (Computer Graphics Interface System),  hệ CGM (Computer Graphics Metafile) xác định chuẩn cho việc lưu trữ chuyển đổi hình ảnh,  hệ PHIGS (Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics Standard) xác định cách thức chuẩn cho mơ hình thời gian thực khả lập trình mức độ cao mà chưa quan tâm tới GKS Trang đầu TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ ĐỒ HỌA Computer Graphics TÓM TẮT   48 Sự đời đồ họa máy tính thực cách mạng giao tiếp người dùng máy tính Với lượng thông tin trực quan, đa dạng phong phú chuyển tải qua hình ảnh, ứng dụng đồ họa máy tính lơi nhiều người nhờ tính thân thiện, dễ dùng, kích thích khả sáng tạo tăng đáng kể hiệu suất làm việc Đồ họa máy tính ngày ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khoa học, kĩ thuật, nghệ thuật, kinh doanh, quản lí, … Các ứng dụng đồ họa đa dạng, phong phú phát triển liên tục không ngừng Ngày nay, khơng có chương trình ứng dụng mà không sử dụng kĩ thuật đồ họa để làm tăng tính hấp dẫn Trang đầu TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ ĐỒ HỌA Computer Graphics TÓM TẮT    49 Một hệ đồ họa có hai thành phần phần cứng phần mềm Thành phần phần cứng bao gồm thiết bị hiển thị (hay thiết bị xuất) thiết bị nhập Tiêu biểu thiết bị hiển thị hình mà chế hoạt động dựa cấu tạo ống tia âm cực CRT Các thiết bị nhập liệu thường gặp bao gồm bàn phím, chuột Phần mềm đồ họa chia làm hai loại cơng cụ lập trình hàm thư viện C, Pascal, GL, … ứng dụng phục vụ cho mục đích AutoCAD, Photoshop, … Hướng tiếp cận tài liệu mức độ người lập trình, nghĩa tìm hiểu thuật tốn, ngun lí để xây dựng nên ứng dụng đồ họa học cách sử dụng phần mềm AutoCAD, Photoshop, … Trang đầu Computer Graphics Câu hỏi 50  https://sites.google.com/site /daonamanhedu/teaching/ computer-graphics Trang đầu ... HỌA MÁY TÍNH     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... hệ thống người lập trình ứng dụng đồ họa, chương trình ứng dụng tạo ảnh máy tính Trang đầu Computer Graphics KHÁI NIỆM VỀ ĐỒ HỌA MÁY TÍNH 13   Đồ họa máy tính cung cấp phương cách tự nhiên... sinh từ siêu máy tính mà liệu khơng tóm lược làm bật xu hướng tượng qua nhiều loại biểu diễn đồ họa khác Trang đầu Computer Graphics KHÁI NIỆM VỀ ĐỒ HỌA MÁY TÍNH 14    Đồ họa máy tính tương