›
›

Bài giảng Đồ họa máy tính - Chương 1: Tổng quan về đồ họa - Trần Thị Minh Hoàn

pdf 44 trang Gia Huy 16/05/2022 8870
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Đồ họa máy tính - Chương 1: Tổng quan về đồ họa - Trần Thị Minh Hoàn", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_do_hoa_may_tinh_chuong_1_tong_quan_ve_do_hoa_tran.pdf

Nội dung text: Bài giảng Đồ họa máy tính - Chương 1: Tổng quan về đồ họa - Trần Thị Minh Hoàn

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA CƠNG NGHỆ THƠNG TIN ĐỒ HỌA MÁY TÍNH Th.S Trần Thị Minh Hồn Email: hoantm@tlu.edu.vn 1
  2. Mục đích mơn học  Hiểu các nguyên lý cơ bản của đồ họa máy tính hiện đại  Hiểu kiến thức hình học bên dưới các mơ hình 2 chiều, 3 chiều  Hiểu vấn đề hiệu năng khi vẽ các mơ hình 3D  Cĩ thể xây dựng một chương trình hiển thị một cảnh 3 chiều sử dụng OpenGL. 2
  3. Mơn học này sẽ nĩi về vấn đề gì?  Khơng phải là:  Các phần mềm vẽ và xử lý ảnh(Adobe Photoshop)  Các phần mềm thiết kế(AutoCAD)  Các phần mềm hiển thị đồ họa(rendering) (Lightscape)  Các phần mềm tạo mơ hình(3D Studio MAX)  Các phần mềm hoạt ảnh(animation) (Digimation)  Các giao diện lập trình ứng dụng đồ họa (graphics APIs) VMTA 3
  4. Nội dung  Tổng quan về đồ họa  Màu sắc  Xây dựng các đối tượng đồ họa cơ sở  Các phép biến đổi 2D, 3D  Phép chiếu hình học trong 3D  Đường và mặt cong trong 3D,  Chiếu sáng và tơ bĩng  Khử mặt khuất  Giới thiệu về OpenGL 4
  5. Tài liệu tham khảo  Cơ sở đồ họa máy tính (dịch từ sách fudamentals of computer graphics, Peter Shirley)  OpenGL Programming Guide, Dave Shreiner, Mason Woo, Jackie Neider, Tom Davis  Kĩ thuật đồ họa, Lê Tấn Hùng, Huỳnh Quyết Thắng  Đồ họa máy tính, Lương Chi Mai, Huỳnh Thị Thanh Bình 5
  6.  Đường link bài giảng  6
  7. Chương I: Tổng quan về đồ họa  Thuật ngữ đồ họa máy tính do William Fetter đặt ra năm 1960 để mơ tả một cách thiết kế mới khi đang làm việc tại hãng Boeing  Thiết kế được hiểu là phương pháp và kĩ thuật tạo hình ảnh từ các mơ hình tốn học để mơ tả các đối tượng hoặc lấy dữ liệu từ các đối tượng trong thực tế, với cách này, anh ta đã tạo nhiều ảnh, chúng cĩ thể sử dụng lại để thiết kế buồng lái của phi cơng theo ý muốn.  Đồ họa máy tính có thể được hiểu như là tất cả những gì liên quan đến việc tạo ra ảnh (image) bằng máy tính. Chúng bao gồm : tạo, lưu trữ, thao tác trên các mô hình (model) và các ảnh. 7
  8. Ưu điểm của ĐHMT  Cho phép tạo ra khơng những hình ảnh của thế giới thực mà cịn cả những vật trừu tượng và các ảnh tổng hợp  Cho phép tạo các ảnh động. Với ảnh động, đối tượng cĩ thể chuyển động và xoay trịn, người dùng cĩ thể xem được đối tượng ở mọi gĩc độ, cĩ thể phĩng to thu nhỏ theo ý mình 9
  9. Ứng dụng của ĐHMT  Hỗ trợ thiết kế (CAD/CAM)  Giao diện người máy  Biểu diễn thơng tin  Giải trí nghệ thuật  Giáo dục, đào tạo 10
  10. Hỗ trợ thiết kế Gồm 2 bước chính: 1. Phác thảo của phần khung, để thấy được tồn bộ hình dạng và các thành phần bên trong của các đối tượng. Sử dụng kỹ thuật này, người thiết kế sẽ dễ dàng thấy các thay đổi của đối tượng khi hiệu chỉnh các chi tiết hay thay đối gĩc nhìn. 2. Kết hợp các mơ hình chiếu sáng, tơ màu và tạo bĩng bề mặt để tạo ra kết quả cuối cùng rất gần với thế giới thực. 11
  11. Biểu diễn thơng tin Tạo những hình ảnh dữ liệu khơng nhất thiết thấy trong tự nhiên. Ví dụ, xu hướng tạm thời về giá cả của 10 cổ phiếu khác nhau khơng thể mơ tả một cách trực quan. Tác động thơng tin qua lại giữa các đối tượng với nhau bằng đồ thị hay biểu đồ. 12
  12. Giao diện người máy Năm 1975: Bill Gates sáng lập Microsoft. Năm 1983: MS cho ra đời hệ điều hành Windows 1.0 đầu tiên với giao diện đồ họa thay cho giao diện dịng chữ của DOS. Hệ điều hành Windows NT, ra đời 1993 13
  13. Giải trí Trị chơi video, phim hoạt hình, hiệu ứng phim Năm 1995. - Trị chơi Quake được xây dựng bởi Id Software - ToyStory trở thành bộ phim hoạt hình đầu tiên sử dụng tồn bộ cơng nghệ 3D 14
  14. Giáo dục đào tạo  Mơ phỏng những vật thể trừu tượng trong vật lí, tiến trình phản ứng hĩa học từ từ của chất lỏng được dùng trong giảng dạy.  Ví dụ, một mơ phỏng mơ hình tập bay sử dụng đồ họa 3D phức tạp để mơ phỏng trải nghiệm bay của máy bay. Những mơ phỏng đĩ cĩ tác dụng to lớn cho việc huấn luyện ban đầu trong các lĩnh vực an tồn sống cịn như lái xe, và kịch bản huấn luyện cho người dùng được trải nghiệm những tình huống đối đầu nguy hiểm mà việc tạo hiện trường thật rất tốn kém và nguy hiểm.  Hình ảnh trong y học: Hình ảnh nội soi, cắt lớp, siêu âm 4D. 15
  15. 1. Màn hình  Cơng nghệ chế tạo màn hình hiện nay cĩ ba loại: CRT, LCD, Plasma a. Cơng nghệ màn hình CRT b. Cơng nghệ màn hình LCD c. Cơng nghệ màn hình Plasma 16
  16. a. Cơng nghệ màn hình CRT  Cathode Ray Tubes (CRTs)  Là cơng nghệ của hầu hết các màn hình ngày nay  Ống thủy tinh chân khơng (vacuum tubes)  Đốt nĩng dây kim loại (filament)  Các điện tử được bắn ra từ cực đốt nĩng về phía màn hình  Các tấm làm lệch tia Vertical and horizontal  Tia điện tử bắn vào phosphor 17
  17. Cơng nghệ màn hình CRT 18
  18. Cơng nghệ màn hình CRT màu  CRT màu cĩ  Ba súng bắn tia điện tử  Mắt nạ “shadow mask” để khu biệt các tia điện tử 19
  19. Hiển thị Raster  Xuất hiện vào đầu những năm 70  Tương tự TV, quét mọi pixel (mẫu đều)  Sử dụng Video RAM (Frame buffer) để giải quyết đồng bộ  256 kb RAM giá 2 triệu US$ vào năm 1971  Màn hình đơn sắc cần 160 Kb  Màn hình màu độ phân giải cao cần đến 5.2 Mb  Các đối tượng đồ họa cơ sở (line, region, ký tự ) được lưu thành các pixel trong Video RAM  CRTC điều khiển quét lặp  Pixel là các điểm ảnh rời rạc trên đường quét. 20
  20. Kiến trúc màn hình Raster 21
  21. Làm tươi Raster 23
  22. Hiển thị Vector  Đối tượng được phân tích thành các đoạn thẳng cơ sở và tia điện tử chỉ cần tập trung vào phần chứa đối tượng mà khơng phải quét tồn bộ màn hình như hiển thị Raster 24
  23. Kiến trúc màn hình Vector 25
  24. So sánh hai pp. hiển thị Raster Vector -Rẻ, độ sáng tốt -Đắt -Tốn nhiều bộ nhớ (do phải -Tốn ít bộ nhớ (chỉ lưu trữ lưu trữ tồn bộ điểm ảnh các điểm ảnh đầu và cuối trên màn hình) đoạn thẳng) -Tơ màu vùng dễ dàng -Khĩ tơ màu vùng do phải bằng cách thay đổi thuộc xử lí theo từng thành phần tính từng điểm ảnh hình học cơ sở -Khĩ biến đổi hình học vì -Dễ biến đổi hình học phải xử lý từng điểm ảnh 27
  25. b.Cơng nghệ màn hình LCD  Liquid Crystal Displays (LCDs)  LCDs: phân tử hữu cơ, trạng thái tự nhiên: kết tinh, nĩ bị hĩa lỏng khi bị đốt nĩng hay cĩ trường điện từ (E field)  Trạng thái tinh thể làm xoắn ánh sáng cực 90º. 28
  26. Cơng nghệ màn hình LCD  Quá độ giữa trạng thái tinh thể và trạng thái lỏng của LCD là tiến trình từ từ.  Tương tự phosphors, LCDs ở trạng thái “on” trong khoảng thời gian sau khi cĩ E field. Do vậy, các tinh thể cần phải được làm tươi. 29
  27. c. Cơng nghệ màn hình Plasma  Plasma Display Panels  Nguyên lý tương tự đèn huỳnh quang  Một ống nhỏ đầy gas: Khi bị tác động bởi trường điện từ nĩ phát ánh sáng UV  UV tác động lên phosphor  Phosphor phát ra một vài màu khác. 30
  28. Cơng nghệ màn hình Plasma  Ưu điểm  Gĩc quan sát rộng  Phù hợp với màn hình rộng  Ánh sáng rõ  Nhược điểm  Đắt tiền  Kích thước pixel khá lớn (~ 1 mm so với ~0.2 mm)  Phosphor bị yếu dần  Ánh sáng yếu hơn CRTs, sử dụng nhiều năng lượng 31
  29. II. Màu  TK: 3.3 và chương 15  Màu sắc đối tượng mà chúng ta quan sát được khơng chỉ phụ thuộc vào bản thân của đối tượng mà cịn phụ thuộc vào nguồn sáng, mơi trường xung quanh đối tượng cũng như hệ thống cảm nhận của con người  Một số đối tượng phản xạ lại các tia sáng chiếu lên chúng (như tường, giấy, kim loại) trong khi một số khác cho ánh sáng đi xuyên qua (như màng mỏng, kính ) 32
  30. Ví dụ  Khi một bề mặt chỉ phản xạ các tia sáng xanh dương được chiếu bởi một nguồn sáng đỏ thì nĩ cĩ màu đen  Tương tự, khi ánh sáng lục được nhìn qua một tấm kính chỉ cho các tia sáng đỏ đi qua thì nĩ cũng cĩ màu đen. 33
  31. 1. Định nghĩa màu  Màu là gì? 34
  32.  Cĩ nhiều định nghĩa về màu  Từ gĩc nhìn khoa học:  Màu là phân bổ các bước sĩng  (red: 700 nm, violet: 400 nm)  Và tần số f  Tốc độ ánh sáng: c=f  Từ gĩc nhìn về nghệ thuật và cuộc sống:  Màu là Sắc màu (Hue), độ sáng (Brightness), độ bão hịa (Saturation) của ánh sáng 35
  33. Mơ hình màu  Là phương pháp diễn giải các đặc tính và tác động của màu trong ngữ cảnh nhất định.  Khơng cĩ mơ hình màu nào là đầy đủ cho mọi khía cạnh của màu  Sử dụng các mơ hình màu khác nhau để mơ tả các tính chất được nhận biết khác nhau của màu.  Thí dụ  Mơ hình màu RGB: ánh sáng Red, Green và Blue ứng dụng cho màn hình, TV.  Mơ hình HSV: Nhận thức của con người  Mơ hình CMYK: Máy in 36
  34. a.Mơ hình màu RGB  Mơ hình màu RGB được biểu diễn bởi lập phương với các trục R, G, B  Gốc biểu diễn màu đen  Tọa độ (1, 1, 1) biểu diễn màu trắng.  Tọa độ trên các cạnh trục biểu diễn các màu cơ sở.  Các cạnh cịn lại biểu diễn màu bù cho mỗi màu cơ sở 37
  35. Mơ hình màu RGB  Biểu đồ RGB thuộc mơ hình cộng:  Phát sinh màu mới bằng cách cộng cường độ màu cơ sở  Gán giá trị từ 0 đến 1 cho R, G, B  Red+Blue -> Magenta (1, 0, 1)  Đường chéo từ (0, 0, 0) đến (1, 1, 1) biểu diễn màu xám  Nhận xét  Mơ hình này khơng thể biểu diễn mọi màu trong phổ nhìn thấy  Đủ cho các ứng dụng máy tính  Màn hình máy tính và TV sử dụng mơ hình này  Được sử dụng rộng rãi nhất  Đơn giản 38
  36. b.Mơ hình màu CMYK  Với màn hình: màu là tổ hợp các ánh sáng phản xạ từ phosphor.  Với giấy: phủ chất màu lên giấy, mắt ta nhận biết ánh sáng phản xạ sau khi chất màu đã hấp thụ.  Mực viết chữ màu đen cĩ nghĩa rằng mực đã hấp thụ tồn bộ ánh sáng nhìn thấy trên nĩ  Những dịng chữ này cĩ màu green vì mực hấp thụ tồn bộ bước sĩng trừ bước sĩng tương ứng với màu green. Ánh sáng cịn lại phản xạ vào mắt ta. 39
  37. Mơ hình màu CMYK  Mơ hình màu xác định bởi các màu cơ sở cyan, magenta và yellow dành cho máy in màu. Mơ hình CMY (bên phải) là bù của mơ hình RGB (bên trái)  CMY - CMYK Yellow Green Cyan Blue Red Magenta White Black Magenta Cyan Green Red Blue Yellow 40
  38. Chuyển đổi giữa RGB và CMY  RGB -> CMY void RGB2CMY(float R,float G,float B,float &C,float &M,float &Y) C 1 R { M 1 G C = 1 - R; M = 1 - G; Y 1 B Y = 1 - B; }  RGB -> CMYK void RGB2CMYK(float R,float G,float B,float &C,float &M,float &Y,float &K) { RGB2CMY(R, G, B, C, M, Y); K = min3(C, M, Y); // Cho lại giá trị min từ ba đối số C = C - K; M = M - K; Y = Y - K; } 41
  39. c.Mơ hình màu HSV  Thay vì chọn các phần tử RGB để cĩ màu mong muốn, người ta chọn các tham số màu: Hue, Saturation và Value (HSV)  Mơ hình HSV suy diễn từ mơ hình RGB  Hãy quan sát hình hộp RGB theo đường chéo từ White đến Black (gốc) -> ta cĩ hình lục giác  Sử dụng làm đỉnh hình nĩn HSV Red Magenta Yellow White Green Blue HSV Cyan Blue RGB 42
  40. Mơ hình màu HSV  Hue: Bước sĩng gốc của ánh sáng 0 0  Trong mơ hình Hue được biểu diễn bằng gĩc từ 0 đến 360  Value: Cường độ hay độ chĩi ánh sáng  Value cĩ giá trị [0, 1]  V=0 -> màu đen. Đỉnh lục giác cĩ cường độ màu cực đại  Saturation: Thước đo độ tinh khiết ánh sáng gốc  S trong khoảng [0, 1]  Biểu diễn tỷ lệ độ tinh khiết của màu sẽ chọn với độ tinh khiết cực đại 43
  41. Mơ hình màu HSV  Mơ hình HSV trực giác hơn mơ hình RGB  Bắt đầu từ Hue (H cho trước và V=1, S=1)  Thay đổi S: Bổ sung hay bớt trắng  Thay đổi V: Bổ sung hay bớt đen  Cho đến khi cĩ màu mong muốn V Tints (add white) Pure Hue White Tones (add B&W) Shades (add black) Black S  Mắt người cĩ thể phân biệt 128 Hues, 130 tints và cực đại 30 shades: 128 x 130 x 30 = 382 720 màu khác nhau 44