Xem mẫu
- Đồ họa máy tính
MỤC LỤC
Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HOẠ MÁY TÍNH ..........................................1
1.1. Các khái niệm tổng quan của kỹ thuật đồ họa máy tính ............................1
1.1.1. Kỹ thuật đồ họa máy tính ....................................................................1
1.1.2.Kỹ thuật đồ họa tƣơng tác ....................................................................1
1.2. Các kỹ thuật đồ họa ...................................................................................2
1.2.1.Kỹ thuật đồ hoạ điểm ...........................................................................3
1.2.2.Kỹ thuật đồ hoạ Vecto .........................................................................4
1.2.3. Sự phát triển của kỹ thuật hiển thị ......................................................5
1.3. Phân loại các lĩnh vực của kỹ thuật đồ họa ..............................................7
1.3.1. Phân loại theo mục đích xử lý dữ liệu ................................................7
1.3.2. Phân loại theo hệ tọa độ dùng trong kỹ thuật đồ họa ..........................8
1.4.Giới thiệu một số ứng dụng của kỹ thuật đồ họa ........................................8
1.4.1. Hỗ trợ thiết kế .....................................................................................8
1.4.2. Biểu diễn thông tin ..............................................................................9
1.4.3. Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật ................................................................9
1.4.4. Điều khiển các quá trình sản xuất .....................................................10
1.4.5. Lĩnh vực bản đồ ................................................................................10
1.4.5. Giáo dục và đào tạo ...........................................................................10
1.4.6. Giao tiếp giữa máy tính và ngƣời dùng ............................................11
1.5. Hệ đồ họa tƣơng tác .................................................................................12
1.5.1. Mô hình hệ tọa độ tƣơng tác .............................................................12
1.5.2. Các thành phần của hệ đồ họa tƣơng tác ..........................................12
1.6. Phần cứng đồ họa .....................................................................................15
1.6.1. Các thành phần phần cứng của hệ tọa độ tƣơng tác ..........................15
1.6.2. Các thiết bị hiển thị (thiết bị ra dữ liệu) ............................................15
1.6.3. Các thiết bị vào dữ liệu .....................................................................19
CÂU HỎI CHƢƠNG 1 ..................................................................................20
Chƣơng 2CÁC GIẢI THUẬT XÂY DỰNG CÁC THỰC THỂ CƠ SỞ ..........22
2.1 Giới thiệu ..................................................................................................22
2.2. Các đối tƣợng đồ họa cơ sở .....................................................................23
i
- Đồ họa máy tính
2.2.1 Điểm................................................................................................... 23
2.2.2. Đƣờng thẳng, đƣờng gấp khúc ......................................................... 24
2.2.3 Vùng tô .............................................................................................. 25
2.2.4 Kí tự, chuỗi kí tự ................................................................................ 26
2.3. Giải thuật sinh đƣờng thẳng .................................................................... 27
2.3.1 Nguyên lý chung ................................................................................ 27
2.3.2 Thuật toán DDA (Digital Differential Analyzer) .............................. 28
2.3.3 Giải thuật Bresenham ........................................................................ 31
2.3.4 Thuật toán MidPoint .......................................................................... 35
2.4. Giải thuật sinh đƣờng tròn ....................................................................... 37
2.4.1 Nguyên lý chung ................................................................................ 37
2.4.2 Thuật toán MidPoint .......................................................................... 38
2.4.3 Giải thuật Bresenham ........................................................................ 43
2.5. Giải thuật sinh elip................................................................................... 45
2.5.1. Giải thuật Midpoint ........................................................................... 45
2.5.2. Giải thuật Bresenham ....................................................................... 48
2.6. Giải thuật sinh đa giác ............................................................................. 50
2.7. Giải thuật sinh ký tự ................................................................................ 51
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 2 ........................................................... 55
Hƣớng dẫn giải bài tập ................................................................................... 61
Chƣơng 3CÁC GIẢI THUẬT ĐỒ HOẠ CƠ SỞ .............................................. 64
3.1. Hệ toạ độ và mô hình chuyển đổi ............................................................ 64
3.1.1. Các hệ thống tọa độ trong đồ họa ..................................................... 64
3.1.2. Phép chuyển đổi ................................................................................ 65
3.2. Các giải thuật xén tỉa ............................................................................... 66
3.2.1. Khái niệm .......................................................................................... 66
3.2.2. Các giải thuật xén tỉa đoạn thẳng ...................................................... 66
3.2.3. Giải thuật Hodgman .......................................................................... 76
3.3. Các giải thuật tô miền kín ........................................................................ 77
3.3.1. Giải thuật đƣờng biên ....................................................................... 77
3.3.2. Giải thuật dòng quét cho việc tô màu vùng ...................................... 78
ii
- Đồ họa máy tính
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 3 ...........................................................82
Hƣớng dẫn giải bài tập ....................................................................................88
Chƣơng 4CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI HÌNH HỌC 2 CHIỀU ..................................92
4.1.Phƣơng pháp biểu diễn đối tƣợng trong không gian hai chiều .................92
4.2. Phép biến đổi Afine 2D ...........................................................................93
4.3. Các phép biến đổi hình học cơ sở ............................................................93
4.3.1. Phép tịnh tiến ....................................................................................93
4.3.2. Phép biến đổi tỉ lệ..............................................................................94
4.3.2. Phép quay ..........................................................................................95
4.3.3. Phép đối xứng ...................................................................................96
4.3.4. Phép biến dạng ..................................................................................96
4.4. Hệ tọa độ thuần nhất và các phép biến đổi ..............................................97
4.4.1. Hệ tọa độ thuần nhất .........................................................................97
4.4.2. Biểu diễn các phép biến đổi dƣới dạng tọa độ thuần nhất ................98
4.4.3. Phép biến đổi ngƣợc..........................................................................99
4.5. Kết hợp các phép biến đổi .....................................................................100
4.5.1. Kết hợp các phép tịnh tiến ..............................................................100
4.5.2. Kết hợp các phép tỉ lệ .....................................................................102
4.5.3. Kết hợp các phép quay ....................................................................104
4.5.4. Phép quay có tâm quay là điểm bất kỳ ...........................................104
4.5.5. Phép tỉ lệ giữ nguyên điểm chốt .....................................................105
4.6. Phép biến đổi giữa các hệ tọa độ ...........................................................106
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 4 .........................................................108
Hƣớng dẫn giải bài tập ..................................................................................113
Chƣơng 5CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI HÌNH HỌC 3 CHIỀU ................................123
5.1. Giới thiệu đồ họa ba chiều .....................................................................123
5.1.1. Tổng quan về đồ họa ba chiều ........................................................123
5.1.2. Sơ lƣợc về quy trình hiển thị ...........................................................124
5.1.3. Mô hình khung nối kết (Wireframe Model) ...................................126
5.2. Một số khái niệm ...................................................................................128
5.2.1. Phƣơng pháp biểu diễn điểm trong không gian 3 chiều. ................128
iii
- Đồ họa máy tính
5.2.2. Phƣơng pháp biểu diễn sử dụng hệ tọa độ đồng nhất. .................... 129
5.2.3. Công thức biến đổi Affine. ............................................................. 130
5.2.4. Các hệ trục tọa độ theo quy ƣớc bàn tay phải và bàn tay trái ......... 131
5.3. Các phép biến đổi hình học 3 chiều cơ sở ............................................. 131
5.3.1. Phép tịnh tiến .................................................................................. 131
5.3.2. Phép biến đổi tỉ lệ ........................................................................... 132
5.3.3. Phép biến dạng ................................................................................ 133
5.3.4. Phép quay ........................................................................................ 134
5.3.5.Phép đối xứng. ................................................................................. 139
5.3.6 Kết hợp các phép biến đổi affine ba chiều....................................... 144
5.4. Các phép chiếu của vật thể trong không gian lên mặt phẳng ................ 144
5.4.1. Định nghĩa chung ............................................................................ 144
5.4.2. Phân loại phép chiếu ....................................................................... 145
5.4.3. Phép chiếu song song ...................................................................... 146
5.4.4. Phép chiếu phối cảnh (Perspective Projection) .............................. 154
5.5. Phép biến đổi mô hình và phép biến đổi hệ trục toạ độ ........................ 158
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 5 ............................................................. 160
Hƣớng dẫn giải bài tập ................................................................................. 168
Chƣơng 6MÀU SẮC TRONG ĐỒ HỌA ........................................................ 175
6.1. Ánh sáng đơn sắc ................................................................................... 175
6.1.1. Cƣờng độ sáng và cách tính ............................................................ 175
6.1.2. Hiệu chỉnh Gama ............................................................................ 176
6.2. Lý thuyết màu sắc trong đồ họa ............................................................ 182
6.2.1. Cảm nhận màu sắc .......................................................................... 182
6.2.2. Yếu tố vật lý .................................................................................... 184
6.2.3. Biểu đồ màu CIE............................................................................. 185
6.3. Giới thiệu về các hệ màu trong màn hình đồ họa .................................. 189
6.3.1. Mô hình màu RGB .......................................................................... 189
6.3.2.Mô hình màu CMY .......................................................................... 192
6.3.3. Mô hình màu YIQ ........................................................................... 193
6.3.4. Mô hình màu HSV .......................................................................... 194
iv
- Đồ họa máy tính
6.3.5. Mô hình màu HLS...........................................................................196
6.3.6. Chuyển đổi giữa các hệ màu ...........................................................197
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 6 .............................................................215
Hƣớng dẫn giải bài tập ..................................................................................220
v
- Đồ họa máy tính
Chƣơng 1TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HOẠ MÁY TÍNH
1.1. Các khái niệm tổng quan của kỹ thuật đồ họa máy tính
Đồ họa máy tính là tất cả những gì liên quan đến việc sử dụng máy tính để phát
sinh ra hình ảnh. Các vấn đề liên quan tới công việc này bao gồm: tạo, lƣu trữ, thao tác
trên các mô hình (các mô tả hình học của đối tƣợng) và các ảnh.
1.1.1. Kỹ thuật đồ họa máy tính
Kỹ thuật đồ hoạ máy tính (Computer Graphics) có thể định nghĩa nhƣ một lĩnh
vực của công nghệ thông tin mà ở đó nghiên cứu, xây dựng và tập hợp các công cụ
(mô hình lý thuyết và phần mềm) khác nhau để kiến tạo xây dựng, lƣu trữ và xử lý các
mô hình (model) và hình ảnh (image) của đối tƣợng, sự vật hiện tƣợng khác nhau
trong cuộc sống, sản xuất và nghiên cứu. Các mô hình và hình ảnh này có thể là các
kết quả thu đƣợc từ những lĩnh vực khác nhau của nhiều ngành nghề khoa học (vật lý,
toán học, thiên văn học...) và bao trùm nhiều thể loại nhƣ: cấu trúc phân tử, cấu trúc
sinh học, mô hình vũ trụ...
Thuật ngữ kỹ thuật đồ hoạ máy tính đƣợc đề xuất bởi nhà khoa học ngƣời Mỹ
William Fetter vào năm 1960. Khi đó ông đang nghiên cứu xây dựng mô hình buồng
lái máy bay cho hãng Boeing của Mỹ. William Fetter đã dựa trên các hình ảnh ba
chiều của mô hình ngƣời phi công trong buồng lái máy bay để xây dựng nên một mô
hình tối ƣu cho buồng lái máy bay Boeing. Đây là phƣơng pháp nghiên cứu rất mới và
có những tính năng vƣợt trội hơn tất cả những phƣơng pháp nghiên cứu xây dựng mô
hình buồng lái máy bay khác trƣớc đó đƣợc áp dụng trong hãng Boeing. Phƣơng pháp
này cho phép nhà thiết kế quan sát một cách trực quan vị trí của ngƣời lái trong
khoang buồng lái. William Fetter đã đặt tên cho phƣơng pháp của mình là Computer
Graphics.
1.1.2.Kỹ thuật đồ họa tƣơng tác
Cũng nhƣ mọi lĩnh vực khác trong công nghệ thông tin, một hệ thống sử dụng
kỹ thuật đồ hoạ tƣơng tác là một hệ thống xử lý thông tin bao gồm ba thành phần với
các thao tác tƣơng ứng:
Nhập (vào) dữ liệu: thông qua các thiết bị vào dữ liệu nhƣ chuột, máy quét, bàn
phím ...
Xử lý và lƣu trữ dữ liệu
Hiển thị/ kết xuất kết quả: thông qua các thiết bị nhƣ màn hình, máy in ...
1
- Đồ họa máy tính
Ngoài những đặc thù chung đã đƣợc liệt kê ở trên, hệ thống kỹ thuật đồ hoạ
tƣơng tác còn có một đặc điểm: trong hệ thống này, các thông tin và dữ liệu đặc trƣng
đƣợc hiển thị trên màn hình một cách trực quan và ngƣời sử dụng có thể quan sát,
theo dõi, thay đổi giá trị hoặc khuôn dạng của chúng một cách tƣơng tác (interactive)
và ngay lập tức những thay đổi này đƣợc hệ thống ghi nhận và xử lý . Kết quả của sự
thay đổi sẽ đƣợc hệ thống xử lý ngay trên các mô hình, cấu trúc hoặc hình ảnh của các
đối tƣợng và hiển thị chúng ngay trên màn hình ngƣời sử dụng mong muốn.
Nhập dữ liệu Xử lý lƣu trữ Hiển thị kết quả
USER
Hình 1.1 Mô hình chung của hệ đồ họa tương tác
Nhƣ trên mô hình chung của một hệ thống sử dụng kỹ thuật đồ hoạ tƣơng tác,
ngƣời sử dụng có khả năng giao tiếp tƣơng tác với hệ thống ở cả ba giai đoạn trong
quá trình xử lý thông tin.
Hệ thống đồ hoạ tƣơng tác đầu tiên đƣợc thiết kế và xây dựng bởi Ivan
Sutherland năm 1963 mang tên Sketchpad. Hệ thống này đƣợc dùng để thiết kế mạch
điện và bao gồm những thành phần sau:
CRT màn hình.
Bút chì sáng và một bàn phím bao gồm một số phím bấm chức năng.
Máy tính chứa chƣơng trình xử lý các thông tin.
Ngƣời sử dụng có thể vẽ mạch điện trực tiếp lên màn hình thông qua bút sáng,
chƣơng trình sẽ phân tích và tính toán những thông số cần thiết của mạch điện do
ngƣời sử dụng vẽ nên.
1.2. Các kỹ thuật đồ họa
Ngày nay số lƣợng các hệ thống sử dụng kỹ thuật đồ họa tƣơng tác ngày càng
nhiều và đa dạng. Tuy vậy căn cứ vào phƣơng pháp xử lý dữ liệu trong hệ thống, có
thể phân kỹ thuật đồ họa thành hai loại: kỹ thuật đồ họa điểm (Sample – Based
Graphics) và kỹ thuật đồ họa vector (Geometry – Based Graphics).
2
- Đồ họa máy tính
1.2.1.Kỹ thuật đồ hoạ điểm
Nguyên lý xây dựng các mô hình và hình ảnh trong kỹ thuật đồ họa điểm là:
Các mô hình, hình ảnh của các đối tƣợng đƣợc hiển thị thông qua từng điểm ảnh
(pixel).
Đặc điểm của kỹ thuật đồ họa điểm:
- Có thể tạo ra, thay đổi thuộc tính, xoá đi từng điểm ảnh của mô hình và hình
ảnh các đối tƣợng.
- Các mô hình hình ảnh đƣợc hiển thị nhƣmột lƣới (grid) các điểm ảnh rời rạc,
từng điểm ảnh đều có vị trí xác định, đƣợc hiển thị với một giá trị rời rạc (số nguyên)
các thông số hiển thị ví dụ nhƣ màu sắc hoặc độ sáng.
- Tập hợp tất cả các điểm ảnh của lƣới điểm cho ta mô hình, hình ảnh đối tƣợng
ta muốn hiển thị để nghiên cứu hoặc xây dựng.
Có hai phƣơng pháp để tạo ra các điểm ảnhtrong kỹ thuật đồ họa điểm:
- Dùng phần mềm để vẽ trực tiếp từng điểm ảnh một, dựa trên các lý thuyết mô
phỏng để xây dựng nên các đối tƣợng hoặc hình ảnh thực của sự vật.
- Rời rạc hóa (số hóa) hình ảnh thực của đối tƣợng, sau đó có thể sửa đổi hoặc
xử lý mảng các điểm ảnh thu đƣợc theo những phƣơng pháp khác nhau để thu đƣợc
hình ảnh đặc trƣng của đối tƣợng.
Hình 1.2 Ví dụ ảnh đồ họa điểm
3
- Đồ họa máy tính
Hình 1.3 Kỹ thuật đồ họa điểm
1.2.2.Kỹ thuật đồ hoạ Vector
Nguyên lý của kỹ thuật này là xây dựng mô hình hình học (geometrical model)
cho hình ảnh đối tƣợng, xác định các thuộc tính của mô hình hình học, sau đó dựa trên
mô hình này để thực hiện quá trình tô trát (rendering) để hiển thị từng điểm trên mô
hình, hình ảnh của đối tƣợng.
Mô hình của một hình ảnh phải lột tả một cách chính xác và làm nổi bật những
điểm chính nhất của hình ảnh đó. Thông thƣờng quá trình mô hình hóa sử dụng
phƣơng pháp thiết kế từ trên xuống (top-down) và kết quả thu đƣợc là một sơ đồ phân
cấp. Sơ đồ này cần phải chỉ rõ những thành phần cơ sở của đối tƣợng và phƣơng thức
kết nối giữa các thành phần này.
Ở kỹ thuật này, ta chỉ lƣu trữ mô hình toán học của các thành phần trong mô
hình hình học cùng với các thuộc tính tƣơng ứng mà không cần lƣu lại toàn bộ tất cả
các pixel của hình ảnh đối tƣợng.
Các thành phần đƣợc mô tả trong mô hình hình học của đối tƣợng đƣợc gọi là
thực thể cơ sở hình học của mô hình hình học. Hình ảnh đƣợc xây dựng từ các thực thể
cơ sở sau đó đƣợc tô trát theo điểm ảnh nhƣng những điểm ảnh này không đƣợc lƣu
trữ nhƣ một thành phần của mô hình. Nhƣ thế hình ảnh có thể đƣợc tô trát từ nhiều
điểm nhìn và góc nhìn khác nhau dựa trên cùng một mô hình mẫu.
4
- Đồ họa máy tính
Hình 1.4 Ví dụ về hình ảnh đồ họa vector
Hình 1.5 Kỹ thuật đồ họa Vector
1.2.3. Sự phát triển của kỹ thuật hiển thị
Đồ hoạ máy tính là một trong những lĩnh vực quan trọng nhất đóng góp cho quá
trình phát triển của môi trƣờng giao diện trong lịch sử phát triển của máy tính. Những
phát triển này đƣợc nảy sinh nhƣ sau:
Giao diện đồ họa tƣơng tác với ngƣời sử dụng.
Xây dựng các phần mềm trực quan (thiết kế quảng cáo, hiển thị khoa học,...)
5
- Đồ họa máy tính
Những yêu cầu này đã thúc đẩy sự phát triển của kỹ thuật đồ hoạ, giao diện với
ngƣời sử dụng càng đẹp, càng phải dễ sử dụng ... càng làm sáng tỏ những kỹ thuật mới
trong đồ hoạ
Các kỹ thuật hiển thị đã nảy sinh và phát triển theo những giai đoạn sau:
1) Kỹ thuật hiển thị bằng ký tự
Kỹ thuật này chỉ cho phép hiển thị văn bản và các hình đồ hoạ đơn giản. Giao
tiếp với ngƣời sử dụng thông qua các lệnh dƣới dạng văn bản. Để có thể mã hoá những
phƣơng thức hiển thị khác nhau của đối tƣợng ngƣời ta sử dụng những ký tự mã hoá
đặc biệt. Tất cả các chƣơng trình và phần mềm đƣợc thực hiện đều là đơn nhiệm. Ví
dụ: Hệ điều hành MS- DOS- hệ điều hành tiêu biểu của những năm 1980 và đầu những
năm 1990 của hãng Microsoft; phần mềm soạn thảo văn bản BKED chạy trên môi
trƣờng MS- DOS.
2) Kỹ thuật hiển thị vector
Kỹ thuật này phát triển từ 1963 đến 1980 cho phép hiển thị văn bản và vẽ các
đƣờng thẳng, các mô hình mô phỏng đơn giản. Ngƣời sử dụng có thể quan sát thấy các
hình ảnh 2D và 3D của các đối tƣợng. Giao tiếp với ngƣời sử dụng đƣợc thực hiện
thông qua các dòng lệnh, các phím ký tự nóng và menu chọn. Ở đây xuất hiện ý tƣởng
ban đầu về phƣơng thức WYSIWYG (What You See Is What You Get – Bạn nhìn
thấy gì thì bạn nhận đƣợc cái đó). Môi trƣờng sử dụng (hệ điều hành) là đơn nhiệm
hoặc đa nhiệm phân tán.
3) Ảnh hai chiều
Kỹ thuật này cho phép hiển thị các cửa sổ (window), các biểu tƣợng (icon), và
các dòng văn bản (text). Trong giao tiếp với ngƣời sử dụng đã hạn chế tối đa việc gõ
các lệnh (tuy nhiên vẫn cho phép ngƣời sử dụng nhập lệnh theo phƣơng thức này).
Việc tƣơng tác với ngƣời sử dụng đƣợc thực hiện thông qua kỹ thuật tiêu biểu sau:
- Thông qua WIWP (Windows, icon,menus, pointer) của giao diện đồ hoạ
(Graphics Use Interface): có thể chọn và nhấn vào thực đơn ta muốn mà
không phải viết lệnh.
- Xử lý trực tiếp các đối tƣợng (drag and drop). Ở đây phƣơng thức
WYSIWYG đƣợc hoàn thiện và phát triển. Môi trƣờng sử dụng thông
thƣờng là đa nhiệm (multi-task) hoặc cơ chế Client -Server trên mạng.
6
- Đồ họa máy tính
Ví dụ điển hình cho các hệ điều hành thuộc kỹ thuật này là các hệ điều hành
windows 3x và sau đó là windows 9x của hãng Microsoft.
4) Trạm làm việc đồ hoạ (3D Graphics workstation) và các công nghệ hiển
thị tiên tiến khác
Công nghệ này đƣợc xây dựng và phát triển trong công ty Sillcon Graphics,
một trong những công ty hàng đầu của Mỹ về lĩnh vực đồ hoạ. Công nghệ này cho
phép hiển thị các hình ảnh thực và hình ảnh không gian ba chiều của hình ảnh của sự
vật dựa trên các cảnh trí (Sence) 3 chiều. Môi trƣờng giao tiếp với ngƣời sử dụng đƣợc
xây dựng trên cơ sở các hình ảnh hai chiều (2D), ba chiều (3D) và mô phỏng thế giới
thực. Các thao tác xử lý trực tiếp các đối tƣợng đƣợc xây dựng mạnh hơn. Môi trƣờng
làm việc thông thƣờng là đa nhiệm và Client – Server
1.3. Phân loại các lĩnh vực của kỹ thuật đồ họa
1.3.1. Phân loại theo mục đích xử lý dữ liệu
Hình 1.6 Phân loại theo các lĩnh vực của đồ họa máy tính
- Kỹ thuật xử lý ảnh (Computer Imaging): sau quá trình xử lý ảnh cho ta ảnh số
của đối tƣợng. Trong quá trình xửlý ảnh sử dụng nhiều các kỹ thuật phức tạp: kỹ thuật
khôi phục ảnh, kỹ thuật làm nổi ảnh, kỹ thuật xác định biên ảnh. Ví dụ ảnh chụp vũ
trụ, ảnh truyền qua vệ tinh...
- Kỹ thuật nhận dạng (Pattern Recognition): từ những ảnh mẫu có sẵn ta phân
loại theo cấu trúc hoặc theo các tiêu chí đƣợc xác định từ trƣớc và bằng các thuật toán
chọn lọc để có thể phân tích hay tổng hợp ảnh đã cho thành một tập hợp các ảnh gốc,
các ảnh gốc này đƣợc lƣu trong một thƣviện và căn cứ vào thƣ viện này ta xây dựng
đƣợc các thuật giải phân tích và tổ hợp ảnh.
7
- Đồ họa máy tính
- Kỹ thuật tổng hợp ảnh (Image Synthesis): là lĩnh vực xây dựng mô hình và
hình ảnh của các vật thể dựa trên các đối tƣợng và mối quan hệ giữa chúng.
- Các hệ CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacture
System): kỹ thuật đồ hoạ tập hợp các công cụ, các kỹ thuật trợ giúp cho thiết kế các
chi tiết và các hệthống khác nhau: hệ thống cơ, hệ thống điện, hệ thống điện tử….
- Đồ hoạ minh hoạ (Presentation Graphics): gồm các công cụ giúp hiển thị các
số liệu thí nghiệm một cách trực quan, dựa trên các mẫu đồ thị hoặc các thuật toán có
sẵn.
- Đồ hoạ hoạt hình và nghệ thuật: bao gồm các công cụ giúp cho các hoạ sĩ,
các nhà thiết kế phim hoạt hình chuyên nghiệp làm các kỹ xảo hoạt hình, vẽ tranh... Ví
dụ: phần mềm 3D Studio, 3D Animation, 3D Studio Max.
1.3.2. Phân loại theo hệ tọa độ dùng trong kỹ thuật đồ họa
Hình 1.7 Phân loại theo hệ tọa độ
- Kỹ thuật đồ hoạ hai chiều: là kỹ thuật đồ hoạ máy tính sử dụng hệ toạ độ hai
chiều (hệ tọa độ phẳng), sử dụng rất nhiều trong kỹ thuật xử lý bản đồ, đồ thị.
- Kỹ thuật đồ hoạ ba chiều: là kỹ thuật đồ hoạ máy tính sử dụng hệ tọa độ ba
chiều, đòi hỏi nhiều tính toán và phức tạp hơn nhiều so với kỹ thuật đồ hoạ hai chiều.
1.4.Giới thiệu một số ứng dụng của kỹ thuật đồ họa
1.4.1. Hỗ trợ thiết kế
Một trong những ứng dụng lớn nhất của đồ họa máy tính là hỗ trợ thiết kế
(CAD –Computer Aided Design). Ngày nay CAD đã đƣợc sử dụng hầu hết trong việc
thiết kế các cao ốc, ô tô, máy bay, tàu thủy, tàu vũ trụ, máy tính, trang trí mẫu vải, và
rất nhiều sản phẩm khác.
Sử dụng những chƣơng trình này, đầu tiên các đối tƣợng đƣợc hiển thị dƣới
dạng các phác thảo của phần khung (wireframe outline), từ đó có thể thấy đƣợc toàn
bộ hình dạng và các thành phần bên trong của đối tƣợng. Sử dụng kĩ thuật này, ngƣời
thiết kế sẽ dễ dàng nhận thấy ngay các thay đổi của đối tƣợng khi tiến hành hiệu chỉnh
các chi tiết hay thay đổi góc nhìn,….
8
- Đồ họa máy tính
Một khi đã thiết kế xong phần khung của đối tƣợng, các mô hình chiếu sáng, tô
màu và tạo bóng bề mặt sẽ đƣợc kết hợp để tạo ra kết quả cuối cùng gần với thế giới
thực.
Hình 1.8 Phác thảo phần khung và kết quả của thiết kế xy lanh
1.4.2. Biểu diễn thông tin
Đây là các ứng dụng sử dụng đồ họa máy tính để phát sinh các biểu đồ, đồ thị,…
dùng minh họa mối quan hệ giữa nhiều đối tƣợng với nhau. Các ứng dụng này thƣờng
đƣợc dùng để tóm lƣợc các dữ liệu về tài chính, thống kê, kinh tế, khoa học, toán
học,… giúp cho việc nghiên cứu, quản lí, … thêm có hiệu quả.
Hình 1.9 Thông tin tóm lược được biểu diễn qua các biểu đồ
1.4.3. Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật
Trong lĩnh vực nghệ thuật, các chƣơng trình máy tính nhƣ Paint Shop Pro,
Adobe Photoshop, 3D Studio,… hỗ trợ rất đắc lực cho các họa sĩ, các nhà tạo mẫu
9
- Đồ họa máy tính
trong việc thiết kế các hình ảnh sống động và rất thực. Với các chƣơng trình này,
ngƣời họa sĩ đƣợc máy tính tạo cho cảm giác nhƣ đang làm việc ngoài đời thực bằng
cách cung cấp các công cụ nhƣ khung vẽ, giá vẽ, bảng pha màu, các hiệu ứng ba
chiều,… làm cho họ cảm thấy thoải mái và tiện lợi.
Ngoài ra đồ họa máy tính còn giúp tạo ra các chƣơng trình trò chơi, giải trí; hỗ
trợ cho các kĩ xảo điện ảnh, cho các nhà làm phim. Có nhiều bộ phim nổi tiếng nhờ
vào kĩ xảo điện ảnh nhƣ: Công viên Khủng long kỉ Jura (Jurassic Park), Titanic, Thế
giới nƣớc (Water World), …
Hình 1.10 Hình ảnh được tạo ra từ chương trình đồ họa
1.4.4. Điều khiển các quá trình sản xuất
Các chƣơng trình cho phép theo dõi toàn bộ quá trình nào đó xảy ra trong thực
tế bằng cách mô phỏng toàn bộ các diễn biến xảy ra trong quá trình này và thông qua
các giao thức ghép nối ngƣời ta có thể kiểm soát đƣợc toàn bộ diễn biến của quá trình
thực hiện.
1.4.5. Lĩnh vực bản đồ
Đồ họa máy tính đƣợc sử dụng để xây dựng và in các bản đồ địa lý nhƣ bản đồ
địa hình, bản đồ dân số,... Một trong những ứng dụng hiện nay là hệ thống thông tin
địa lý GIS (Geographical Information System), kết hợp giữa đa phƣơng tiện
(Multimedia) và cơ sở dữ liệu (Database)
1.4.5. Giáo dục và đào tạo
Hiện nay các chƣơng trình mô phỏng cấu trúc của các vật thể, tiến trình của các
phản ứng hóa học, hoạt động của các gói tin trên mạng máy tính,… đƣợc dùng rất
nhiều trong việc hỗ trợ giảng dạy.
10
- Đồ họa máy tính
Trong đào tạo, các ứng dụng mô phỏng đƣợc dùng để kiểm tra trình độ ngƣời
lái, huấn luyện phi công, điều khiển giao thông, …
Hình 1.11 Chương trình học về máy tính
1.4.6. Giao tiếp giữa máy tính và ngƣời dùng
Mọi ứng dụng đều phải có giao diện giao tiếp với ngƣời dùng. Giao diện đồ họa
thực sự là một cuộc cách mạng mang lại sự thuận tiện và thoải mái cho ngƣời dùng
ứng dụng. Các ứng dụng dựa trên hệ điều hành MS Windows là một minh họa rất
trực quan của giao diện đồ họa. Các chức năng của các ứng dụng này đƣợc thiết kế cho
ngƣời dùng làm việc thông qua các biểu tƣợng mô tả chức năng đó. Ví dụ, chức năng
lƣu tập tin đƣợc hiểu thông qua biểu tƣợng đĩa mềm, chức năng in ấn đƣợc hiểu thông
qua biểu tƣợng máy in,… Để chọn các chức năng, ngƣời dùng sử dụng chuột trỏ đến
và nhấn vào các biểu tƣợng tƣơng ứng. Điểm thuận lợi chính khi dùng biểu tƣợng là
kích thƣớc không gian mà nó chiếm ít hơn nhiều so với dùng văn bản để mô tả cho
cùng một chức năng, ngoài ra việc nắm bắt các chức năng qua các biểu tƣợng sẽ dễ
dàng hơn rất nhiều khi ngƣời dùng gặp trở ngại về mặt ngôn ngữ.Các ứng dụng có
giao diện đồ họa còn cho phép ngƣời dùng khả năng làm việc dễ dàng với nhiều cửa sổ
với nhiều dạng tài liệu khác nhau cùng một lúc.
11
- Đồ họa máy tính
Hình 1.12 Giao diện của chương trình MS Word
1.5.Hệ đồ họa tƣơng tác
1.5.1.Mô hình hệ tọa độ tƣơng tác
1) Khái niệm xử lý theo lô (Batch processing)
Xử lý theo lô là chế độ thao tác của máy tính trong đó các chỉ thị lệnh chƣơng
trình đƣợc thực hiện lệnh này liên tiếp sau lệnh kia mà không cần sự can thiệp của
ngƣời sử dụng máy tính. Xử lý theo lô thể hiện sự hiệu quả khi sử dụng nguồn tài
nguyên dự trữ của máy tính, nhƣng thể hiện sự bất tiện khi ngƣời sử dụng cần hiệu
chỉnh lỗi và giao tiếp với máy tính.
2) Khái niệm tƣơng tác (Interactive processing)
Đây là phƣơng pháp xử lý của máy tính, cho phép ngƣời dùng có thể bắt giữ và
hiệu chỉnh các sai sót trƣớc khai thao tác xử lý đƣợc hoàn chỉnh. Tính năng này của
các phần mềm hiện nay cho phép ngƣời sử dụng xử lý dễ dàng hơn, các thao tác thực
hiện mềm dẻo hơn.
1.5.2. Các thành phần của hệ đồ họa tƣơng tác
Hình 1.13 Mô hình của hệ đồ họa tương tác
Mô hình ứng dụng (application model)
12
- Đồ họa máy tính
Phần mềm ứng dụng (application program)
Hệ thống đồ họa (phần mềm hệ thống)
o Thƣ viện đồ họa (phần mềm đồ họa hệ thống)
o Phần cứng đồ họa
Thành phần xử lý tƣơng tác ngƣời dùng (Interaction Handling)
Các chuẩn của hệ đồ họa
1) Mô hình ứng dụng và xây dựng mô hình ứng dụng (Application Model)
Mô hình ứng dụng phải lƣu trữ tất cả các dữ liệu, các đối tƣợng và mối liên kết
giữa các đối tƣợng này để có thể hiển thị hoặc biểu diễn chung.
Một đối tƣợng có thể đƣợc biểu diễn bằng sự kết hợp giữa dữ liệu và một số thủ
tục mô tả các đối tƣợng này (sử dụng ngôn ngữ lập trình hƣớng đối tƣợng). Nhƣ vậy
mô hình ứng dụng có thể đƣợc chia làm 2 thành phần:
- Mô hình dữ liệu (data model): (mảng ghi tọa độ các pixel, danh sách các đối
tƣợng,...) lƣu lại dữ liệu về các đối tƣợng và thông thƣờng ngƣời ta dùng các
cơ sở dữ liệu (database) để lƣu trữ dữ liệu này.
- Thƣ viện mô tả: Các thủ tục mô tả các đối tƣợng đƣợc xây dựng nên từ các
thực thể cơ sở (primitive) để có thể mô tả các thành phần (component) của
các đối tƣợng, các thuộc tính (attribute) của các thành phần này, các phƣơng
thức kết nối (connectivity) giữa các thành phần.
2) Phần mềm ứng dụng (application program)
Phần mềm ứng dụng đƣợc xây dựng để có thể tạo ra, lƣu giữ lại, lấy ra những
dữ liệu và các thủ tục từ mô hình ứng dụng (application model). Phần mềm này đƣợc
xây dựng trên cơ sở mô hình ứng dụng và ở phần mềm ứng dụng các đối tƣợng, dữ
liệu sẽ đƣợc hiển thị trên màn hình theo phƣơng thức ngƣời dùng mong muốn. Ngoài
ra để hệ thống là hệ đồ họa tƣơng tác, phần mềm ứng dụng phải xây dựng đƣợc giao
diện với ngƣời sử dụng một cách thuận tiện, để các thay đổi mà ngƣời sử dụng muốn
có thể tƣơng tác lên ngay lập tức các đối tƣợng và hiển thị lại chúng.
3) Hệ thống đồ họa (graphics system)
Phần mềm đồ họa hệ thống là tập hợp các lệnh đồ họa của hệ thống (graphics
output commands), tập hợp các lệnh này cần phải thực hiện công việc hiển thị cái gì
13
- Đồ họa máy tính
(what object) và chúng sẽ đƣợc hiển thị nhƣ thế nào (how). Phần mềm đồ họa hệ thống
là phần mềm xây dựng trên cơ sở một thể loại phần cứng nhất định và phụ thuộc vào
phần cứng.
Phần cứng đồ họa: là tập hợp các thiết bị điện tử (CPU, màn hình, chuột, bàn
phím, ... ) giúp cho việc thực hiện các phần mềm đồ họa.
Phần mềm đồ họa (application program) sẽ vẽ các đối tƣợng nhờ gọi các hàm
và thủ tục có ở thƣ viện đồ họa, sử dụng các tài nguyên của phần cứng đồ họa.
4) Thành phần thƣ viện đồ họa
a) Các thực thể cơ sở (các ảnh gốc)
Thực thể cơ sở là các đối tƣợng cơ bản nhất cho việc xây dựng các đối tƣợng và
hình ảnh, thông thƣờng các thực thể cơ sơ bao gồm:
- Điểm (pixel)
- Đƣờng thẳng (line)
- Đƣờng tròn (circle)
- Đa giác (polygon) ...
b) Các thuộc tính
Thuộc tính của các thực thể cơ sở và thay đổi các thuộc tính này cũng đóng vai
trò quan trọng trong việc xây dựng các đối tƣợng và hình ảnh. Thông thƣờng thuộc
tính có thể liệt kê ra gồm:
- Màu sắc (color)
- Kiểu đƣờng vẽ (line style)
- Kiểu văn bản (text style)
- Mẫu tô (pattern).
Các phép biến đổi và hệ quan sát: một khi đã xây dựng ảnh gốc và thuộc tính,
chúng ta thu đƣợc một hình ảnh xác định trong hệ tọa độ không gian thực, có thể phải
sử dụng một số phép biến đổi nào đó, sau đó cần phải chiếu phần quan sát đƣợc của
các đối tƣợng và ảnh sang một thiết bị xuất cụ thể nào đó.
c) Chiếu sáng
Cùng với việc chiếu phần quan sát đƣợc của ảnh, ngƣời ta còn phải tính toán
đƣợc cƣờng độ sáng của từng điểm ảnh đƣợc chiếu. Đây là một quá trình tính toán
phức tạp dựa trên những công thức toán học và bản chất quang học, sinh học của hấp
thụ và phản chiếu ánh sáng.
14
nguon tai.lieu . vn
