Giáo trình kỹ thuật đồ họa

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ Bưu CHINH v iễ n t h ô n g ThS TRỊNH THỊ VÃN ANH eiẤO TRÌNH KỸ THUẬT SỔ HỌA NHÀ XUẤT BÀN THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG LỜI NĨI ĐẦU f)ồ họa máy tính (Computer Graphics) lĩnh vực lý thú có nhiều ứng dụng Irong thực tế, góp phần làm cho giao tiếp người má\ tính trơ nên thân thiện h(Tii Giao diện kiểu văn (text) thav bàng giao diện dồ hoạ Kỹ thuật đồ họa liên quan mật thiết dến tin học toán học bời hầu hèt giai thuật vẽ, tơ phép biến hình xây dựng dựa táng cua hình học khơng eian hai chiều ba chiều Hiện nay, Kỳ thuật đồ họa môn học giang dạv cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ Thông tin Đê phục vụ nhu cầu học tập cho sinh viên Học viện Công nghệ Bưu Viền thơng phối hợp với Nhà xuất bán Thơng tin Truyền thơng xuất ban “Giáo trình Kỹ thuật đồ họa" ThS Trịnh Thị Vân Anh biên soạn Trong giáo trình nàv, chúng tơi muốn cung cấp cho bạn đọc Iv thuyết sở đồ họa máy tính, từ kiến thức cư ban thuật lốn vẽ đưòmg thăng, đưcnig tròn, đa giác, ký tự đến kỳ thuật xén tin, phép hiến đồi đồ hoạ không gian 2D 3D Chúng ta làm quen với giới màu sắc thông qua hệ màu: RGB, CMYK, \ịS V Phức tạp phép chiếu, phương pháp xây dựng đường cong mặt cong cho đối tượng Cuối tìm hiểu ánh sáng hình học tractal Nếu chương giúp bạn đọc có nhìn tồng quan lịch sừ phát triển kỹ thuật đô họa ứng dụng rộng Icrn cúa lĩnh vực này, chương tiếp theo, chương vấn đề từ đưn gián đến phức tạp CC7 sờ tảng cho ngành kỳ thuật đồ hoạ Cuối mồi chương có phần tập kiểm tra nhằm giúp bạn đọc tổng hcTp lại kiến thức vừa học Bài tập gồm hai dạng: dạng tính tốn dạng lập trình, đổi với dạng lập trình bạn đọc viết bàng C/C++ hay BC, chí VB đềa Cuối giáo trình có phần Phụ lục gồm hưcVng dẫn làm tập lập trình, ngơn ngữ hay dùng C/C++ hay BC Giáo trình gồm chưOTg với nội dung sau: Chươniĩ ỉ: Tông quan kv thuật đồ họa Chirơng 2: Các giái thuật sinh thực Ihề co sư Chương i; Các phép biến đồi đồ họa Chương 4: Các giải thuật đồ họa sớ Chương 5: Phép chiếu - Projection Chương ố; Màu sắc đồ họa Chương 7: Đường cong mặt cong 3D Chương 8: Ánh sáng Chương 9: Hình học Practal Với bố cục rõ ràng, hình ảnh phong phú đa dạna hy vọng giáo trình cung cấp cho bạn đọc thật đầy đủ thơng tin hữu ích có tính thực tiễn cao cho mơn kỳ thuật đồ họa Giáo trinh tài liệu học tập tham ỉdiảo hữu ích cho sinh viên tất cá trưcTng dại học cao đăng kỳ ửiuật cá nước Trong q trình biên soạn giáo trình khó tránh khỏi thiếu sót, Học viện mong nhận ý kiến góp ý cùa bạn đồng nghiệp bạn đọc gần xa đề giáo trinh hoàn thiện han tr o n g lần lái b n tiếp ihco Trân trọng cảm ơn! HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ Bưu CHÍNH VIỄN THƠNG MỤC LỤC Lởi nói ííầ u .3 Chưong 1: TỎNG QUAN VỀ KỸ THIIẠT ĐÒ HOẠ 11 I ỉ Các khái niệm tônị> cỊiuin cua kỹ ihuậl Jồ họa máy lín h 11 1.1.1 Lịch sứ phát triên 11 1.1.2 Kỹ thuật đồ họa máv t í n h 12 / ( 'ác kỹ lìniụl đo họu 13 1.2.1 Kỳ thuật đồ họa điểm 13 1.2.2 Kỳ thuật đồ họa véc tơ 14 1.2.3 Phân loại cua đồ họa máy tính 16 1.2.4 Các ứng dụng tiêu biếu cua kỹ thuật dồ họa 17 1.2.5 Các chuân giao diện cua hệ đồ h ọ a 19 1.3 Phản cimí> tỉỏ h ọ a 20 I Í'í'u' thành phíìn phân (-ứnịj ciia hệ họíi tiriTriịỊ tííe .20 1.3.2 Máy in .21 1.3.3 Màn hìnhC R T 22 1.3.4 Mủn hình tinh thê lỏng 25 Tóm íủt chiarnị’ 27 Bài tậ p 27 ChưoTig 2: CÁC GIAI THLỈẠT SINH THỤC TMÉ c s 28 2.1 i 'úc hự thoriỊ’ lọa độ ironỊỊ đỏ họa 28 2.1.1 Hệ tọa độ thực 29 2.1.2 Hệ tọa dộ thiết b ị 29 2.1.3 l oa dò thiết hi chuân 30 2 ỉ) iê m đ o n t h ă n ịi 30 2.2.1, f)iêm 30 2.2.2 Đoạn thãng 31 2.3 t 'ác lỉiai thuật xây íiựnịỊ (hực llìê c4; CAC' Ci l AI I I U Ạ I Í ) Ị H Ọ A C'() S O / Mò hình chun ilõi lỊirra hữ ihônị^ lọci Jộ 82 4.1.1 Mô hinh cliusên d ô i .82 4.1.2 I’hép ánh xạ lừ cưa sô vào khung n h in 83 ( 'ác ịĩiai ihìiâl xén lia 85 4.2.1 Kliái niệm 85 4.2.2 Xén tia d i ê m 85 4.2.3 Xén tia doạn tliănu .86 4.2.4 (ìiai ihuật xén lia da iziác (Sutherland ilodgman) 96 'rỏm lả! dìinrnịỉ 101 BÙI tậ p 101 Chu-o-ngS: PHÉP CHIHU -PR 0JECT10N 103 l Khái niệm chiing 103 5.1.1 Nguyên lý \ ề 31) (three-Dimension) .103 ỉ Dặc diếm kỹ thuật đồ họa D 103 5.1.3 Các pliưong pháp hién thị 3D 104 5.2 Phép chiéu 105 5.3 Phép chiéii SOHÌ^ son;^ 107 5.3.1 Phép chiếu trực giao 107 5.3.2 Phép chiếu trục lượng 108 ^ "í Rhép c h i ê u xiên - O h l i q u e 11 ? 5.4^ Phép chiếii phổi canh 15 5.4.1 IMiép chiếu pliối canh lảm cliiếii .116 5.4.2 Phép chiốii phối canh hai tâm chiếu 117 5.4.3 Phép chiếu phối canh ba tâm chiếu .118 Tóm lăí chiam ỊỊ 119 Bùi p 120 ChưoTig 6; MAI! SÁC TRONCi DÒ H Ọ A 121 ì A n h sáiìiỉ m u s ắ c 121 6.1.1 Quan niệm ánh sáng 121 6.1.2 Yeu tố \ ật l ý 121 6.1.3 6.1.4 6.2 Anh 6.2.1 6.2.2 6.2.3 Cám nhận màu sẳc cúa người Các dặc trưng ban cua ánh s n g sáng đ dựng nên hinh anh mơ phóng cua vật - Phưtmg p h p rời rạc hố (số hố) hình anh ihực cua đối lưạng - Có thê sưa đối ảnh (image editing) xứ lý ánh (image Processing) m n a pixel thu theo phương pháp khác dê thu hinh anh đặc trưng cua đối tượng 1.2.2 Kỹ thuật đồ họa véc to M ô hinh đồ họa C c tham số tơ trát Hình 1.2: Mơ hình đồ họa véc tơ - Mơ hình hình học (geometrical model) đối tượng - Xác định thuộc tính mơ hình hình học - Ọ trình tơ trát (rendering) đề hiển thị điểm mơ hình, hình anh thực cùa đổi tượng Ví dụ hình anh đồ họa véc tơ 15 ( 'hic rny, I : TônỊỊ cịiKin vớ kỹ i h i i ậ í clơ hoạ (\s thê dịnh nghĩa dõ họa \ éc tơ: Dô họa \ éc l(r inơ hình hinh học + q trinh lơ trát V V ire íra m e M o d e i S k e le ta i M o d el R e n đ e r an d To u ch up H aư M odel S k in M o d e l Hìii/ì 1.3: Ví dụ vê đỏ họa véc So sánh dồ họa diểm đồ họa véc tơ Đồ hoa điểm (Raster Graphics) Đô họa véc to’ (Vector Graphics) - Hình anh mỏ hinh cùa - Không thay đôi thuộc tinh cùa vậl thc dirợc biêu diễn bới tập h ợp điêm cua lưới (grid) - 'I hav^ dơi thuỏc • tinh cúa pixcl => thay dơi lừng phần từníi vùng cua hình anh điềm trực tiếp - Xứ Iv với lừng thành phần hình học sớ thực q trình lò trát hiền thị lại - Quan sát hinh ảnh mơ hình - Copy dược pixel từ inột cua hình anh vật nhiêu hình anh nà\ góc dộ khác bàng cách thay sane hình anh đơi đièm nhìn góc nhìn 16 ( ỉ i o t r i n h KỸ i h i í ậ l đ hoa 1,2.3 Phân loại đồ họa máy tính Phâit loại theo lĩnh vực cùa đồ họa mả\' tinlì C A D /C A M System ^ Đ ô hoa minh họa Đ ô hoa hoạt hình n g h ệ thuật Xứ lý anh ^ Kỹ thuật nhận dạng Kỹ thuật phản tich tạo n h Phân loại theo hệ tọa độ Kỹ thuật đồ họa chiều Kỹ thuật đồ họa Kỹ thuật đồ họa chiều - A^v' thuật đồ họa hai clỉiềir Là kỹ thuật đồ họa máv tính s dụng hệ toạ độ hai chiều (hệ toạ độ phẳng), sử dụng rắt nhiều kỹ thuật xừ Iv bàn đồ dồ thị - Kv thuật đồ họa chiểu: Là kỹ thuật đồ họa máv tính sử dụng hệ tọa độ ba chiều, đòi hoi nhiều tính tốn phức tạp nhiồu so với kv thuật đồ họa hai chiều Các lĩnh vực cùa đồ họa mảy tínlĩ Kỹ thuật xử lý ảnh {Computer Imaging)- Sau trình xử lý ảnh cho ta ảnh sổ cùa đổi tưẹmg Troriiì trinh xừ lý ảnh sử dụng nhiều kỹ thuật phức tạp: kỷ thuật khôi phục ảnh kv thuật làm nồi ảnh, kỳ thuậl xác định biên anh ChươtĩỊỊ 1: Tơrìịỉ CỊiian vê kỹ thuật đồ hoạ 17 Kỷ th u ậ t n h ậ n dạng (Paltern Recognition): Từ ảnh mẫu có sẵn ta phân loại theo cấu trúc, theo tiêu chí xác định từ trước thuật toán chọn lọc đế ccS thể phân tích hay tồng hợp ánh cho thành tập hợp ánh gốc ánh gốc lưu thư viện vào thư viện ta xây dựng thuật giải phân tích tố hợp ánh Kỹ th u ậ t tổ n g họp ản h ựm age Synthesis): Là lĩnh vực xây dựng mơ hình hinh ánh cùa vật thể dựa đối tượng mối quan hệ chúng C c hệ CAD/CAM {Computer Aided Design/Computer A ided M anu/acture System)-, kỳ 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 t Đồ họa t r ì n h bày {Presentation Graphics)' Gồm công cụ giúp hiển thị số liệu thí nghiệm cách trực quan, dựa mẫu đồ thị thuật tốn có sằn Đồ họa hoạt hình nghệ thuật; Bao gồm công cụ giúp cho họa sĩ, nhà thiết kế phim hoạt hình chuyên nghiệp làm kỳ xảo hoạt hình, vẽ tranh Ví dụ: phần mềm 3D Studio, 3D Animation, 3D Studio Max 1.2.4 Các ứng dụng tiêu biểu kỹ thuật đồ họa Đồ họa máy tính lĩnh vực lý thú phát triển nhanh cùa tin học Ngay từ xuất có sức lôi mãnh liệt, cuổn hút rẩt nhiều người nhiều lĩnh vực khác khoa học, nghệ thuật, kinh doanh, quản lý Tính hấp dẫn minh họa trực quan thơng qua ứng dụng - Xây dựng giao diện người dùng (User lnterface) Giao diện đồ họa thực cách mạng mang lại thuận tiện thoải mái cho người dùng ứng dụng Giao diện WYSIWYG WIMP đa sổ người dùng ưa thích nhờ tính thân ửiiện, dễ sử dụng Ị t:)Ai hOC q u o c Gia RUNG Ĩ A V -ÍÕ N \f-D O / h a > iC TIM Ĩ HƯ râẦÍỀỊ Giáo trình Kỹ íhuụt đỏ hoụ 18 - Tạo hiểu đồ thương mại, khoa học kỳ íhuậí Các ứng dụng thường dùiig đê tóm lược liệu vè tài chính, thống kê kinh tế, khoa học, tốn học giúp cho nghiên círu quản lý cách có hiệu - Tự động hoả văn phòng chế bán điện tư - Thiết kế với trợ giúp máv tính (CAD - CAM) - Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật mơ - Điều khiển trình sán xuất (Process Control) - Lĩnh vực bán đồ (Cartographv) - Giáo dục đào tạo Một sổ ví dụ cùa ứng dụng kỹ thuật đồ họa; Chương I: Tơng quan kỳ ihuậí đồ hoạ 19 H ình 1.4: Các ứng dụng kỹ thuật đồ họa «kỉã