Bài giảng Đồ họa máy tính: Bài 1 - Lê Tấn Hùng

Bài 1 - Kỹ thuật đồ họa và hiện thực ảo (Computer graphics and virtual reality). Bài này gồm có những nội dung chính sau: Tổng quan về kỹ thuật đồ hoạ, lịch sử đồ họa máy tính, kỹ thuật đồ họa vi tính, kỹ thuật đồ hoạ điểm (Sample based-Graphics), phân loại các lĩnh vực của computer graphics,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 Tổng quan kỹ thuật đồ hoạ Lesson 1: Kỹ thuật đồ họa Hiện thực ảo Computer Graphics And Virtual Reality ‰ Các khái niệm tổng quan kỹ thuật đồ hoạ máy tính ‰ Các kỹ thuật đồ hoạ „ Kỹ Thuật đồ họa sở ‰ Phân loại lĩnh vực kỹ thuật đồ hoạ „ Kỹ Thuật đồ họa tiên tiến Hiện thực ảo - VRML ‰ Hệ đồ họa tương tác (interactive) ‰ Phần cứng đồ hoạ (Graphics Hardware) „ Le Tan Hung hunglt@it-hut.edu.vn (c) SE/FIT/HUT 2002 (c) SE/FIT/HUT 2003 A Brief History of Computer Graphics A Brief History of Computer Graphics 1926 – J.L Baird invents the television 1885 - CRT (Cathode Ray Tube) 1887 - Edison patents motion picture camera 1888 - Edison and Dickson record motion picture photos on a wax cylinder (c) SE/FIT/HUT 2003 30 line vertical, black and red scan A Brief History of Computer Graphics „ 1966 IBM creates the 360 models „ (c) SE/FIT/HUT 2003 A Brief History of Computer Graphics 1963 „ „ One of the First General Purpose Mainframes Ralph Baer creates the 1st comsumer CG product: Odyssey Pinball SRI develops the mouse (c) SE/FIT/HUT 2003 (c) SE/FIT/HUT 2003 Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 A Brief History of Computer Graphics A Brief History of Computer Graphics 1968 1967 „ „ GE introduces first full colour real time flight simulator for NASA (c) SE/FIT/HUT 2003 A Brief History of Computer Graphics Michael Crichton’s “Westworld” uses 2D graphics „ First time computer is used for image manipulation Featured scenes that showed audiences the world viewed by the eye circuitry of a synthetic human (played by a very real Yul Brenner) in a future Western theme park This effect was achieved with 2D computer graphics tools mostly derived from image processing techniques „ (c) SE/FIT/HUT 2003 „ „ Mandelbrot plots fractals „ Bill Gates starts Microsoft (c) SE/FIT/HUT 2003 10 A Brief History of Computer Graphics 1977 Steve Jobs and Steve Wozniak start Apple „ Star Wars wins oscar for special effects 1978 Academy of Motion Pictures Art and Sciences introduces Visual Effects category for Oscars (c) SE/FIT/HUT 2003 Intel develop the 8080 processor 1977 „ 1975 A Brief History of Computer Graphics 1976 „ (c) SE/FIT/HUT 2003 A Brief History of Computer Graphics 1974 1973 „ John Whitney: Permutations In "Permutations," (1968) he delineates a marvellous and exciting new world One senses a choreographer The movements are reminiscent of traditional ballet The shapes follow the dictates of formal geometry more than those of abstract painting Movement is threedimensional and the ambition for a more polished three-dimensional shaded space is apparent •Superman wins oscar for special effects 11 (c) SE/FIT/HUT 2003 12 Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 A Brief History of Computer Graphics A Brief History of Computer Graphics 1980 1979 „ Alien wins oscar for visual effects 1980 „ Disney’s TRON is the first live action film with over 20 mins of computer animations „ Seagate Technology releases the HDD for PCs •The Empire Strikes Back wins oscar for visual effects (c) SE/FIT/HUT 2003 13 (c) SE/FIT/HUT 2003 A Brief History of Computer Graphics A Brief History of Computer Graphics 1982 1981 IBM introduces the first IBM PC (16 bit „ 8088 chip) • Raiders of the Lost Ark wins an oscar for visual effects (c) SE/FIT/HUT 2003 „ „ (c) SE/FIT/HUT 2003 16 A Brief History of Computer Graphics 1984 PIXAR Opens 1985 First Coke Polar Bears Commercial „ (c) SE/FIT/HUT 2003 The Genesis Effect (ILM) for Startrek II is the first all computer animated visual effects shot for film 15 A Brief History of Computer Graphics 1983 14 17 The Last Starfighter is the first live action feature film with realistic computer animation of highly detailed models (c) SE/FIT/HUT 2003 18 Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 A Brief History of Computer Graphics 1989 „ A Brief History of Computer Graphics 1990 The Abyss is the first movie to include convincing 3D character animation „ Windows 3.0 ships 1993 „ Myst 1994 „ (c) SE/FIT/HUT 2003 19 A Brief History of Computer Graphics 1995 „ Quake Released by Id Software „ Toy Story becomes the first fully 3D computer animation feature film Independence Day wins oscar for visual effects 21 (c) SE/FIT/HUT 2003 22 A Brief History of Computer Graphics 1998 Titanic wins oscar for visual effects „ „ „ „ 20 A Brief History of Computer Graphics 1996 A Brief History of Computer Graphics 1997 „ (c) SE/FIT/HUT 2003 „ (c) SE/FIT/HUT 2003 Playstation and N64 released PIXAR wins oscar for best short film: Geri’s Game Armageddon Mouse Hunt Bugs Life 1999 „ „ „ (c) SE/FIT/HUT 2003 23 The Matrix Star Wars: The Phantom Menace Disney’s Tarzan (c) SE/FIT/HUT 2003 24 Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 A Brief History of Computer Graphics 2000 „ „ „ Kỹ thuật đồ họa vi tính 2002 Microsoft’s XBOX „ Definition (ISO) Computer Graphics (Kỹ thuật đồ hoạ máy tính) „ Computer graphics deals with all aspects of creating images with a computer model – Interactive Computer Graphics: „ Sony Playstation II Walking with Dinosaurs Disney’s Shrek (c) SE/FIT/HUT 2003 25 Kỹ thuật đồ hoạ điểm (Sample based-Graphics) „ Các mơ hình, hình ảnh đối tượng hiển thị thông qua pixel (từng mẫu rời rạc) „ Đặc điểm: „ Phương pháp để tạo pixel 26 (c) SE/FIT/HUT 2003 Pascal / C program Bitmap SRGP library positions lines,areas, X Window System graphics algorithms colour Graphics hardware Image image formats, compression, transfer (c) SE/FIT/HUT 2003 27 Kỹ thuật đồ hoạ vector Graphical Model Rendering Parameters „ (c) SE/FIT/HUT 2003 Ví dụ hình ảnh đồ hoạ Vector Vector = geometrical model + rendering Rendering Output Device (c) SE/FIT/HUT 2003 29 (c) SE/FIT/HUT 2003 30 Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 Raster and Vector Graphics „ Wireframe Model Skeletal Model Muscle Model „ Raster „ Hình ảnh mơ hình vật thể biểu diễn tập hợp điểm grid „ Thay đổi thuộc tính pixel => thay đổi phần vùng hình ảnh „ Copy pixel từ hình ảnh sang hình ảnh khác Vector „ „ „ Khơng thay đổi thuộc tính điểm trực tiếp Xử lý với thành phần hình học sở thực q trình tơ trát hiển thị lại Quan sát hình ảnh mơ hình hình ảnh vật nhiều góc độ khác cách thay đổi điểm nhìn góc nhìn © Walt Disney and TSL Skin Hair (c) SE/FIT/HUT 2003 Render and Touch up 31 (c) SE/FIT/HUT 2003 Phân loại lĩnh vực Computer Graphics Phân loại theo hệ toạ độ Kü thuËt ®å hoạ chiều CAD/CAM System Kiến tạo đồ hoạ Đồ hoạ minh hoạ Kỹ thuật đồ hoạ Đồ hoạ hoạt hình Kỹ thuật đồ hoạ 32 Kỹ thuật đồ hoạ ba chiều nghệ thuật Xử lý ảnh Xử lý đồ hoạ Kỹ thuật nhận dạng Kỹ thuật phân tích tạo ảnh (c) SE/FIT/HUT 2003 33 K thut xử lý ảnh (COMPUTER IMAGING) „ „ Kỹ thuật nhận dạng (Computer Vision techniques „ attempt to provide meaning to computer) images „ „ Kỹ thuật tổng hợp ảnh (Computer Graphics) „ Geometry modelling (c) SE/FIT/HUT 2003 34 Các ứng dụng tiêu biểu kỹ thuật đồ họa Phân loại theo chức „ (c) SE/FIT/HUT 2003 „ „ „ 35 Xây dựng giao diện người dùng (User Interface) Tạo biểu đồ thương mại, khoa học, kỹ thuật Tự động hố văn phịng chế điện tử Thiết kế với trợ giúp máy tính (CAD_CAM) Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật mơ Điều khiển trình sản xuất (Process Control) Lĩnh vực đồ (Cartography) (c) SE/FIT/HUT 2003 36 Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 37 (c) SE/FIT/HUT 2003 CAD-CAM application (c) SE/FIT/HUT 2003 Hệ đồ họa tương tác ƒ ƒ ƒ ƒ Mơ hình hệ đồ hoạ tương tác Các thành phần hệ đồ hoạ tương tác Bộ xử lý tương tác với người sử dụng Các chuẩn hệ đồ hoạ 39 (c) SE/FIT/HUT 2003 38 Thành phần chức kỹ thuật đồ hoạ (c) SE/FIT/HUT 2003 40 Các thành phầ phần hệ đồ hoạ hoạ tương tác GUI MODELING ( to describe) to the computer what is a table, a car, • •• Geometric Engine concerned with: - modeling - modeling transf - color models - material property - lighting property RENDERING DISPLAYING (to capture) the description create 2D image from 2D / 3D models Rendering Engine (to show) the image generate image on screen Application Data Structure Application Program Graphics System Raster & Display Engine concerned with : - viewing & projection - drawing & clipping primitives - local illumination & shading - texture mapping - global rendering (c) SE/FIT/HUT 2003 concerned with: - hardware - how to display (rasterization) Computer 41 Graphics Devices (c) SE/FIT/HUT 2003 42 Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 3D Graphics Over World Wide Web Animation Model of RGP output pipeline Drawing packages Pascal / C program output primitives transformation of objects output attributes Application model Canvascontrol Application program copyPixel Input device control positions Display Hardware WWW projections lighting,shading SRGP library SRGP VRML 3D Graphics graphics algorithms colour lines,areas, Input device measures X Window System input pipeline WWW (c) SE/FIT/HUT 2003 43 Các thực thể sở ƒ „ Đa giác (polygon) v v ƒ „ ƒ ƒ „ „ „ „ hệ thống đồ hoạ sinh thiết bị ngoại vi lôgic để tương tác Một chu trình điển hình chương trình ứng dụng quản lý thiết bị ngoại vi gọi vòng lặp kiện từ thiết bị (event-driven loop ) Mẫu tô (pattern) 45 Hệ thống đồ hoạ (Graphics System) „ Hệ thống đồ hoạ thông thường phải chứa tập hợp thủ tục người sử dụng thiết bị ngoại vi Màu sắc (color) Kiểu đường vẽ (line style) Kiểu văn (text style) (c) SE/FIT/HUT 2003 „ image formats, compression, transfer (chương trình con) để xử lý với thiết bị vào (I/O System) Các thuộc tính ƒ „ „ Điểm (pixel) Đường thẳng (line) Đường tròn (circle) ƒ (c) SE/FIT/HUT 2003 Bộ xử lý tương tác với người sử dụng Thành phần thư viện đồ hoạ „ Image Video Graphics hardware Giao diện hệ thống đồhọa Interface of Graphics System Interface between application software and graphics hardware system Consists of input subroutines and output subroutines accepting input data or commands from a user and converting internal representations into external pictures on screen, respectively Phần mềm đồ hoạ hệ thống: „ Là tập hợp lệnh đồ hoạ hệ thống (graphics output commands), „ Thực cơng việc hiển thị (what object) chúng hiển thị (how) „ Phần mềm đồ hoạ hệ thống phần mềm xây dựng sở thể loại phần cứng định phụ thuộc vào phần cứng Phần cứng đồ hoạ: „ Là tập hợp thiết bị điện tử (CPU, nhớ hình) giúp cho việc thực phần mềm đồ hoạ (c) SE/FIT/HUT 2003 46 (c) SE/FIT/HUT 2003 47 Core, GKS, GKS-3D CGI (device interface) CGM (metafile) PHIGS (3D and realtime) X-window PHIGS+ (PEX) IGES OpenGL DirectX Application program Graphics system Operating system Input and output devices Graphics hardware (c) SE/FIT/HUT 2003 Metafiles 48 Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 Non-official industry standards Các chuẩn giao diện hệ đồ hoạ „ GKS (Graphics Kernel System): „ „ „ „ „ „ „ GKS Functional Description, ANSI X3.124 - 1985 GKS - 3D Functional Description, ISO Doc #8805:1988 „ „ 49 OpenGL „ „ „ „ 50 (c) SE/FIT/HUT 2003 DirectX Software interface to graphics hardware Client-server model 250 distinct commands Object specification + image generation Simple primitives: points, lines, polygons (pixels, images, bitmaps) 3D rendering „ Commands interpreted using client-server model „ „ „ Client (Application) issues commands „ Server (OpenGL) interprets and processes commands „ Frame buffer configuration done by the window system Direct control of graphics hardware Direct control of input/output devices, and sound Application Applicationprogram program Windows WindowsAPI API Direct sound Direct input Direct draw Direct 3D …… Direct X „ OPENGL SGI’s OpenGL 1993 DIRECTX Direct X/Direct3D 1997 CGI (Computer Graphics Interface System): CGM (Computer Graphics Metafile): VRML (Virtual Reality Modeling Language): PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive „ PHIGS Functional Description, ANSI X3.144 - 1985 „ PHIGS+ Functional Description, 1988, 1992 IGES (c) SE/FIT/HUT 2003 „ Các chuẩn hệ đồ hoạ Windows Windowssystem system (c) SE/FIT/HUT 2003 51 Máy in ƒ ƒ ƒ „ „ „ „ „ Dot size: đường kính điểm in bé mà máy in in Addressability: khả địa hoá điểm in có đơn vị độ dài (dot per inch) Số lượng màu vẽ điểm Dot size InkJet - 20/ 100 inch Laser 5/1000 inch Máy vẽ ÷ 15/1000 inch 52 Phần cứng đồ hoạ (Graphics Hardware) Các thiết bị vào liệu „ (c) SE/FIT/HUT 2003 Các thành phần phần cứng hệ đồ hoạ tương tác Point per inch 200 ÷600 1500 1000 ÷ 2000 (c) SE/FIT/HUT 2003 53 (c) SE/FIT/HUT 2003 54 Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 Màn hình CRT Màn hình CRT Standard Dot-trio SONY Trinitron CRT Hitachi EDP NEC Hybrid Mask 55 (c) SE/FIT/HUT 2003 Các thiết bị hiển thị dạng vector „ „ „ „ MOVE LINE LINE Refesh 10,15 400,300 600,800 Buffer Turn move Turn move beam off, to A beam on, to B Graphics Devices … … MOVE 10 15 LINE 100 25 CHAR LU CY LINE … … JMP B DrawLine(A, B): A Refresh buffer memory 57 (c) SE/FIT/HUT 2003 Typical raster graphics display showing a house and a star 00000000000000000000000001000000 00000000000000000000000001000000 00000000000000000000000111110000 00000000011000000001111111111111 00000000111100000000000111110000 00000011111111000000000001000000 00001111111111110000000001000000 00111111111111111100000000000000 00011111111111111000000000000000 00011111111111111000000000000000 00011111111111111000000000000000 00000000000000000000000000000000 Interface to host computer (Display commands) Display processor (interaction data) CRT Stylus Alphanumeric keyboard Data tablet (c) SE/FIT/HUT 2003 58 Các thiết bị hiển thị dạng điểm Interface to host computer (Display commands) 56 (c) SE/FIT/HUT 2003 (interaction data) Display processor Keyboard Data input CRT Bitmap refresh buffer (the 1’s are accentuated for contrast) (c) SE/FIT/HUT 2003 59 (c) SE/FIT/HUT 2003 60 10 Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 LCD-Liquid Crystal Display „ „ „ „ „ CRT Displays A transmissive technology Works by letting varying amounts of a fixed-intensity white backlight through an active filter Organnic crystals that lign themselves together When external force is applied they realign themselves This is used to change polarisation and filter light Advantages „ Fast repsonse (high resolution possible) „ Full color (large modulation depth of E-beam) „ Saturated and natural colors „ Inexpensive, matured technology „ Wide angle, high contrast and brightness (c) SE/FIT/HUT 2003 61 (c) SE/FIT/HUT 2003 „ „ „ „ „ „ „ „ Disadvantages Small footprint (approx 1/6 of CRT) Light weight (typ 1/5 of CRT) Low power consumption (typ 1/4 of CRT) Completely flat screen - no geometrical errors Crisp pictures - digital and uniform colors No electromagnetic emission Fully digital signal processing possible Large screens (>20 inch) on desktops 62 Future Research Areas Hướng nghiên cứu LCD Displays Advantages Disadvantages „ Large and heavy (typ 70x70 cm, 15 kg) „ High power consumption (typ 140W) „ Harmful DC and AC electric and magnetic fields „ Flickering at 50-80 Hz (no memory effect) „ Geometrical errors at edges „ „ „ „ High price (presently 3x CRT) Poor viewing angle (typ +/- 50 degrees) Low contrast and luminance (typ 1:100) Low luminance (typ 200 cd/m2) (c) SE/FIT/HUT 2003 „ „ „ „ „ Rendering „ „ physically-based modeling level of detail „ „ Motion control / synthesis „ 63 parallel processing Geometric modeling „ „ „ Graphics accelerators kinematics / dynamics motion capture/ modification „ „ „ photo-realism real-time image-based rendering non-photorealistic rendering Scientific visualization Geometric algorithms User interface (c) SE/FIT/HUT 2003 64 11 ... 00000 011 111 111 0000000000 010 00000 000 011 111 111 111 100000000 010 00000 0 011 111 111 111 111 110 0000000000000 00 011 111 111 111 111 000000000000000 00 011 111 111 111 111 000000000000000 00 011 111 111 111 111 000000000000000 00000000000000000000000000000000... 000000000000000000000000 010 00000 000000000000000000000000 010 00000 0000000000000000000000 011 111 0000 00000000 011 0000000 011 111 111 111 11 0000000 011 110 000000000 011 111 0000 00000 011 111 111 0000000000 010 00000 000 011 111 111 111 100000000 010 00000... hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0 913 0307 31 Non-official industry standards Các chuẩn giao diện hệ đồ hoạ „ GKS (Graphics Kernel System): „ „ „ „ „ „ „ GKS Functional Description, ANSI X3 .12 4 - 19 85 GKS -