Chương1 pdf

 1960: thao tác với dl hình ảnh trực tiếp trên màn hình trong thời gian thực  1970s: Raster Graphics đồ hoạ điểm, chuẩn đồ họa tăng cường khả năng giao tiếp và tái sử dụng của phầ

KỸ THUẬT ĐỒ HOẠ

(Computer Graphics)

Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật đồ hoạ

Nội dung

1 Đồ hoạ máy tính?

2 Lịch sử phát triển

3 Mối quan hệ giữa KTDK và Xử lý ảnh

4 Các ứng dụng của KTDH

5 Các dạng hiển thị đồ hoạ

6 Các dạng màn hình đồ hoạ

7 Sơ đồ tổ chức và quản lý bộ nhớ đồ hoạ

1 Đồ hoạ máy tính là gì?

 Definition (ISO): Phương pháp và công nghệ chuyển đổi dữ liệu từ thiết bị đồ hoạ sang máy tính

 Computer Graphics là phương tiện đa năng và mạnh

nhất của giao tiếp giữa con người và máy tính

 Computer Graphics là một lĩnh vực của Công nghệ

thông tin : nghiên cứu, xây dựng và tập hợp các công

cụ (mô hình lý thuyết và phần mềm) khác nhau để:

kiến tạo, xây dựng, lưu trữ, xử lý các mô hình (model)

và hình ảnh (image) của đối tượng

 Các mô hình (model) và hình ảnh này có thể là kết

quả thu được từ những lĩnh vực khác nhau của rất

2 Lịch sử phát triển

 1959: Thiết bị đồ hoạ đầu tiên là màn hình xuất hiện tại Đức.

 1960: thao tác với dl hình ảnh trực tiếp trên màn hình trong thời gian thực

 1970s: Raster Graphics (đồ hoạ điểm),

chuẩn đồ họa tăng cường khả năng giao tiếp

và tái sử dụng của phần mềm và thư viện đồ họa.

Màn hình 3D kép dùng gương bán phản xạ

 Do hướng phân cực của ánh sáng từ hai màn hình sau khi đi qua gương vuông góc nhau, nên khi đeo một cặp kính phân cực đặc biệt sẽ tách được ảnh trái và phải cho mỗi mắt tạo hiệu ứng 3D

Màn hình 3D đơn dùng tấm phân quang

 Tấm phân quang gồm các sọc dọc đen trắng cực nhỏ

 khi cho ánh sáng truyền qua sẽ phân tách hai luồng hình ảnh sao cho ở một vị trí ngồi xác định, người quan sát sẽ nhận đươc một cách tách biệt ảnh trái và phải cho mỗi mắt tạo hiệu ứng 3D

 Không cần đeo kính đặc biệt

3 Mối quan hệ giữa KTĐH và

Xử lý ảnh

Images

Image Processing

Computer Vision

Computer Graphics

 Phân tích ảnh

4 Các ứng dụng của KTĐH(1)

 Xây dựng giao diện người dùng (User Interface)

 Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính

(CAD_CAM).

 Tạo các biểu đồ trong thương mại, khoa học, kỹ

thuật.

 Tự động hoá văn phòng và chế bản điện tử

 Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật và mô phỏng

 Điều khiển các quá trình sản xuất (Process

Phác thảo thiết kế Xilanh

Giáo dục – đào tạo

Mô phỏng cấu trúc của các vật thể,

Tiến trình của các phản ứng hóa học,

Hoạt động của quy trình…

Huấn luyện: lái

xe, máy bay…

Ứng dụng của đồ họa

Education, training

ng d ng c a đ h a

Ứ ng d ng c a đ h a ụ ủ ồ ọ

Scientific visualizations

Ứng dụng của đồ họa

User Interfaces

Các thành phần của hệ đồ hoạ

 Phần cứng: là phần chính, gồm

◦ Thiết bị hiển thị:

 Màn hình: CRT, LCD, Plasma, Led

5 Các dạng hiển thị đồ hoạ

5.1 Kỹ thuật đồ hoạ điểm

(Sample based-Graphics hay Raster)

5.2 Kỹ thuật đồ hoạ Vector

(Vector Graphics)

5.3 So sánh

5.1 Kỹ thuật đồ hoạ điểm(1)

 Hình ảnh được hiển thị qua một lưới điểm (grid) các pixel rời rạc.

 Thông tin về hình ảnh hiển thị trên màn hình

được lưu trữ trong một vùng bộ nhớ gọi là vùng

đệm làm tươi (refresh buffer) hay là vùng đệm

khung (frame buffer), với

◦ Màn hình đen trắng: bitmap,

◦ Các màn hình khác: pixmap

5.1 Kỹ thuật đồ hoạ điểm(1)

 Đặc điểm: có thể

◦ Xoá đi từng pixel của đối tượng

◦ Từng pixel đều có vị trí xác định, được hiển thị với

một giá trị rời rạc (số nguyên) các thông số hiển thị (màu sắc hoặc độ sáng)

◦ Tập hợp tất cả các pixel của grid cho chúng ta hình

ảnh đối tượng mà chúng ta muốn hiển thị

Phương pháp để tạo ra các pixel

 Lý thuyết mô phỏng (Fractal, v.v) để xây dựng hình ảnh mô phỏng của sự vật.

 Rời rạc hoá (số hoá) hình ảnh thực.

 Sửa đổi (image editing) hoặc xử lý (image processing) mảng các pixel thu được theo những phương pháp khác nhau để thu

được hình ảnh đặc trưng của đối tượng.

5.2 Kỹ thuật đồ hoạ Vector

5.3 So sánh

- Hình ảnh và mô hình của các vật thể

được biểu diễn bởi tập hợp các điểm

của lưới (grid).

- Thay đổi thuộc tính của các pixel =>

thay đổi từng phần và từng vùng của

- Không thay đổi thuộc tính của từng điểm trực tiếp.

6 Các dạng màn hình đồ hoạ

6.1 CRT (Cathode Ray Tubes)

6.2 LCD (Liquid crystal display)

6.3 Plasma

6.1 CRT

 Mµn hi nh CRT sö dông ̀ chïm tia ®iÖn tö

trong ch©n kh«ng b¾n vµo mµn huúnh quang lµm ch¸y photpho t¹o ra ¸nh s¸ng, kÕt hîp víi viÖc ®iÒu khiÓn cña tÝn hiÖu quÐt vµ tÝn hiÖu video thi ta cã mµn s¸ng vµ hi nh ¶nh ̀ ̀

 Catot: khi được nung nóng lên thì phát ra các điện tử

 Lưới điều khiển:

◦ là một cái chén bằng kim loại

◦ nối với một điện áp âm thay đổi để làm thay đổi lực đẩy của nó đối với các điện tử

◦ Khi lực đẩy này cân bằng với lực hút của anot thì dòng điện tử bị ngừng, không gây ra chấm sáng trên màn hình, còn khi cường độ yếu thì gây ra

Nguyên lý hiển thị của màn hình dạng điểm ( raster - scan display )(1)

- Bitmap là tập hợp các pixels.

- Frame buffer lưu trữ các bitmap

- Raster display lưu trữ các phần tử

nguyên thủy (line, characters, and solid

shaded or patterned area)

- Frame buffers: Hình thành từ Video

RAM.

- Video RAM là bộ nhớ dual-ported có

khả năng

+Xâm nhập ngẫu nhiên

+Đầu ra nối tiếp tốc độ cao: thanh ghi

 Raster fresh: số lần trên 1 giây ảnh được vẽ lại (thường là 60 lần/s đối với raster)

 Resolution: Tổng số điểm cực đại các điểm

Interlaced scanning

 Scan frame 30 lần trong 1 giây

 để tránh nhấp nháy, chia frame thành hai trường

◦ Các dòng quét chẵn

◦ Các dòng quét lẻ

ra ảnh đan chiếu nhau.

 Thuộc tính khác của màn hình là tỷ số

phương (aspect ratio) Nó là tỷ lệ của các điểm dọc và các điểm ngang cần để phát sinh các đoạn thẳng có độ dài đơn vị theo

cả hai hướng trên màn hình Màn hình có

tỷ số phương khác một, thì hình vuông

hiển thị trên đó thành hình chữ nhật còn hình tròn thành hình ellipse.

Công ngh màn hình CRT màu ệ

 Các CRT màu có

◦ Mặt trong của tấm kính màn hình không phủ phosphor đồng chất mà là

lớp khảm gồm những chấm nhỏ li ti gọi là những “triad”, mỗi triad gồm

3 chấm tròn kề sát nhau

◦ Ba súng bắn tia điện tử

◦ Mặt nạ “shadow mask” để khu biệt các tia điện tử

 Bảng màu (LookUp Table – LUT): Khi

Đặc điểm phần mềm

Màu sắc Các màu hiển thị

gốc

Thuật toán trên không gian màu Sắc độ màu (Hue) Bước sóng

(WaveLength)

Độ bão hòa (Saturation)

Sự thuần nhất của màu

 Ưu điểm CRT:

◦ Đáp ứng nhanh, có độ phân giải cao.

◦ Màu sắc đa dạng, trung thực (Có độ sâu và rộng)

◦ Màu sắc bão hoà và tự nhiên

◦ Công nghệ không quá đắt và hoàn thiện

◦ Góc nhìn rộng, tương phản và độ sáng cao

 Nhược điểm CRT:

◦ Lớn và nặng (typ 70x70 cm, 15 kg)

◦ Tiêu tốn nguồn điện cao (typ 140W)

◦ Có hại cho sức khoẻ vì trường điện từ, từ tính

◦ thường gây ảnh hưởng sức khoẻ nhiều hơn với các loại màn hình khác.

◦ Màn hình nhấp nháy (at 50-80 Hz)

◦ Hình hay bị méo tại 4 góc

Màn hình LCD(1)

 Ánh sáng tự nhiên: là ánh sáng trong đó

véctơ cường độ điện trường dao động một cách

đều đặn theo tất cả mọi phương vuông góc với

tia sóng.

 Ánh sáng phân cực: Khi ánh sáng tự nhiên

đi qua một môi trường bất đẳng hướng về mặt

quang học (như thạch anh…), do tác dụng của

môi trường lên ánh sáng đó có thể làm cho các

Phương truyền ánh sáng

(tia sóng)

Kính lọc phân cực:

 Loại vật liệu chỉ cho ánh sáng phân cực đi qua

 Ánh sáng có phương dao động trùng với quang trục phân

cực sẽ truyền toàn bộ qua kính lọc phân cực

 Ánh sáng có phương dao động vuông góc với quang trục

Tinh thể lỏng:

 Phát hiện bởi một nhà thực vật người Áo năm 1888

 Tinh thể lỏng không có cấu trúc mạng tinh thể cố định như

các vật rắn, mà các phân tử có thể chuyển động tự do trong

một phạm vi hẹp như một chất lỏng

 Các phân tử trong tinh thể lỏng liên kết với nhau theo từng

nhóm và giữa các nhóm có sự liên kết và định hướng nhất

định, làm cho cấu trúc của chúng có phần giống cấu trúc tinh thể

 Vật liệu tinh thể lỏng có một tính chất đặc biệt là có thể làm

thay đổi phương phân cực của ánh sáng truyền qua nó, tuỳ

thuộc vào độ xoắn của các chùm phân tử

 Nhược điểm LCD:

◦ Giá thành cao (presently 3x CRT)

◦ Góc nhìn hẹp hơn (typ +/- 50 degrees)

◦ độ tương phản thấp (typ 1:100), thời gian đáp ứng hơi lâu.

◦ độ chói thấp hơn (typ 200 cd/m2)

Màn hình Plasma

 Trong điều kiện thường, các chất khí đều được tạo thành từ

các phân tử trung hoà về điện (không mang điện) Khi đó

trong mỗi nguyên tử, số hạt proton mang điện dương có

trong hạt nhân nguyên tử đúng bằng số điện tử mang điện

âm ở lớp vỏ, quay xung quanh hạt nhân

 Nếu cho một dòng điện chạy qua chất khí thì tình trạng cân bằng sẽ biến mất Các điện tử tự do va chạm với nguyên tử khí làm cho các điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử

đó bắn ra Khi bị mất một hoặc vài điện tử, nguyên tử trở

thành phần tử mang điện dương (gọi là ion dương) vì số

 Khi có điện trường tác dụng lên các hạt mang điện sẽ làm cho chúng chuyển động có hướngcác electron ở lớp ngoài nhảy lên mức năng lượng cao hơn, sau một khoảng thời gian rất

ngắn, các electron sẽ tự động chuyển xuống mức năng lượng

thấp hơn và sinh ra một photon ánh sáng theo định luật bức

xạ điện từ

 Trong màn hình plasma, người ta sử dụng khí xenon hoặc khí

neon Các chất khí này khi bị kích thích sẽ phát ra tia cực tím,

không nhìn được trực tiếp bằng mắt thường, nhưng có thể gián

tiếp tạo ra ánh sáng khả kiến (các tia cực tím) Mắt người

không thể nhìn thấy các tia này Nhưng người ta có thể dùng

Màn hình Plasma

 Trong mỗi điểm ảnh cũng có ba điểm ảnh con thể hiện ba

màu đỏ, xanh lá, xanh lam

xenon hoặc neon Tại mặt trước của buồng có phủ lớp phôt

pho Tại hai đầu buồng khí cũng có hai điện cực

buồng kín sẽ bị ion hoá, các nguyên tử bị kích thích và phát ra tia cực tím Tia cực tím này đập vào lớp phôt pho phủ trên

mặt trước của buồng kín sẽ kích thích chất phôt pho, làm cho chúng phát sáng

Cấu tạo và nguyên lý

Cấu tạo màn hình Plasma

 Nhận xét:

◦ Không hiển thị được một độ phân giải cao như màn hình LCD có cùng kích thước vì trong màn hình LCD, mỗi điểm ảnh con chỉ

cần một lớp tinh thể lỏng khá bé cũng có thể thay đổi phương

phân cực của ánh sáng một cách dễ dàng  chế tạo các điểm ảnh với kích thước bé, tạo nên một số lượng lớn điểm ảnh trên một

đơn vị diện tích (độ phân giải cao)

◦ Với màn hình Plasma, mỗi điểm ảnh con thực chất là một buồng

kín chứa khí Thể tích của lượng khí chứa trong một buồng kín

này phải đạt một giá trị nhất định để có thể phát ra bức xạ tử ngoại

đủ mạnh khi bị kích thích lên trạng thái plasma  kích thước một điểm ảnh của màn hình Plasma khá lớn so với một điểm ảnh của

 Độ phân giải không cao

TV Plasma 3D kích thước 152 inch

 Rộng 3,4 m, cao 1,8 m, kích thước xấp xỉ 9 mẫu TV 50 inch

 Hỗ trợ trình diễn hình ảnh 3D với kính trập hình động.

 Giá hơn nửa triệu

USD

Kính trập hình động

•

Plasma 3D đẳng cấp Hi-end (LG)

 PZ950: 50 và 60 inch

 Hỗ trợ tính năng giải trí trực tuyến Smart TV

 Trang bị hệ thống giải trí trực tuyến LG

Smart TV

tiếp từ cổng USB,

LG Magic Motion remote,

Màn hình LED (Light Emitting Diode)

 200HZ, giảm rung, nét.

Màn hình OLED của Sony

Màn hình OLED 3D có thể gập và bẻ cong được

Màn hình Lazer

7 Sơ đồ tổ chức và quản lý bộ nhớ

đồ hoạ

 Cấu trúc hệ thống đồ họa trên PC

Display controller

 Phụ trách việc hiển thị hình ảnh trên màn hình, thực hiện các thao tác đồ hoạ như vẽ hoặc xoá màn hình,

thay đổi màu sắc…

 Bộ điều khiển đồ hoạ có thể nằm trên một card video rời hoặc được chế tạo sẵn trên mainboard (thường

Display controller

 Nếu bộ điều khiển đồ hoạ nằm trên card rời thì trên card cũng lắp sẵn VRAM (và thường có tốc độ

nhanh hơn RAM hệ thống rất nhiều)

 Nếu bộ điều khiển đồ hoạ là onboard sẽ sử dụng

một phần của RAM hệ thống làm VRAM (do đó khả năng và tốc độ sẽ thấp hơn so với card rời).

 Bộ điều khiển đồ hoạ thực hiện các thao tác đồ hoạ

bằng cách thay đổi các thông tin trong VRAM

Frame buffer

 Khối nhớ lưu giữ nội dung đồ họa sẽ hiển thị

 Pixel là 1 phần tử của frame buffer.

 Vấn đề ở đây frame buffer lớn như thế nào:

Bit depths

 Bit depth: số bits cho mỗi pixel trong buffer

 16 bits per pixel (high color)

 32 bits per pixel (true color)

Graphics Processor

 Như mainboard, card đồ họa cũng có một bản mạch điện

tử, trên đó có chứa bộ xử lý và bộ nhớ RAM

 Nó có cả chip BIOS nơi sẽ chứa các thông số cài đặt của card Bộ xử lý đồ họa (GPU - Graphic Processor Unit)

cũng giống như bộ xử lý của máy tính (CPU - Center

Processor Unit), nhưng lại được thiết kế đặc biệt để thực

hiện những tính toán hình học phức tạp dùng cho quá

trình biểu diễn hình ảnh

 Một vài GPU nhanh nhất có thể có nhiều transitor hơn cả

1 CPU cỡ trung bình và chúng thường phải gắn liền với

quạt làm mát để toả bớt nhiệt sinh ra trong quá trình xử

Graphic Card Memory

 Để xử lý các tác vụ đồ họa và lưu trữ kết quả

tính toán tạm thời.

 Dung lượng của bộ nhớ đồ họa một phần quyết

định đến: độ phân giải tối đa, độ sâu màu và

tần số làm tươi mà bo mạch có thể xuất ra màn

hình.

 Cách tính:

◦ 640 * 480 * 32 bits(4 bytes)= 1,228,800 bytes

Video RAM-Bộ nhớ màn hình

 Vùng bộ nhớ chứa dữ liệu trực tiếp hiện ra màn hình  dữ liệu trong bộ nhớ màn hình thay đổi sẽ trực tiếp thay đổi trên

màn hình.

Bộ nhớ màn hình

 Ở chế độ đồ họa bộ nhớ của máy dành cho màn hình

được bắt đầu từ địa chỉ A000:0000

 Có 2 cách tổ chức là

◦ Dạng gói (packed format): tổ chức dạng mảng một chiều, mỗi phần tử mảng là 1 byte

◦ Dạng mảng (Bit plane)

 tổ chức logic thành mảng hai chiều

 Ví dụ: graphics mode 16 màu bộ nhớ màn hình

được tổ chức thành 4 mảng (4 bit plane) đánh số từ

Bộ nhớ màn hình

 Truy nhập các bitplane bằng

◦ lệnh thông qua cổng

◦ Ngắt của Rom Bios

 Nguyên tắc: chỉ đọc/ghi 1 byte trên cùng một bit plane Muốn đọc thông tin của

một pixel phải đọc 4 byte, rồi tách 4 bit

plane từ 4 byte này Ghi 1 pixel ta cũng

Trang màn hình

 Vùng bộ nhớ màn hình ứng với lượng thông tin hiển thị trên một màn hình

 Vùng bộ nhớ màn hình chuẩn đạt tới 256Kb, lượng

thông tin hiển thị trên một màn hình lại nhỏ hơn -> tốc

độ hiển thị nhanh, bộ nhớ cho phép hiển thị thành từng trang màn hình đánh số từ 0

 Trang đang hiển thị là trang làm việc (active page)

Truy cập vào bộ nhớ màn hình

◦ sử dụng các dịch vụ ngắt của ROM BIOS,

ROM BIOS cung cấp tương đối đầy đủ các

chương trình con ứng với các ngắt để phục vụ cho công việc này

không đáp ứng được các yêu cầu của ứng dụng đhọa

◦

Truy cập trực tiếp bộ nhớ màn hình

◦ Mode $13, bộ nhớ màn hình tổ chức dạng gói gồm 320x200=64000 phần tử (64K): bộ nhớ dành cho A000:0000 đến A000:FFFF

◦ để vẽ điểm (x, y) với màu color lên màn hình

ta chỉ cần gán Mem[$A000:320*y+x]:=color

◦ để đọc màu của điểm (x, y) chỉ cần

color:=Mem[$A000:320*y+x]

Truy cập trực tiếp bộ nhớ màn hình

 640 x 480 256 màu

◦ Màn hình được tổ chức thành 5 mảng 1 chiều, mỗi

mảng gồm 65536 phần tử-> cần có 5 mảng, mỗi mảng gọi là Bank (dải)

◦ Điểm (x, y) trên màn hình sẽ là điểm thứ

linear_address:=y*640+x, nằm ở bank thứ

bank_num:=linear_address Div 65536; đ/c điểm đó nằm ở bank này là pixel_offset:=linear_address Mod

65536

Các hàm API trong đồ họa

 Sự xuất hiện của nhiều bộ xử lý đồ họa với các công nghệ khác nhau không thống nhất theo

chuẩn nhất định.

 Để thuận tiện cho các nhà viết phần mềm đồ họa

và trò chơi trên máy tính cần thống nhất các

hàm API sử dụng chung mà các bo mạch đồ họa cần phải tương thích với chúng các hãng đã đưa

ra hai chuẩn chung là DiretcX và OpenGL.