Bài giảng - Đồ họa máy tính pptx

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỒ HỌA MÁY TÍNH1.1 CÁC ỨNG DỤNG CỦA ĐỒ HỌA Ngày nay, đồ họa máy tính được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp,thương mại, quản lí, g

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỒ HỌA MÁY TÍNH

1.1 CÁC ỨNG DỤNG CỦA ĐỒ HỌA

Ngày nay, đồ họa máy tính được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp,thương mại, quản lí, giáo dục, giải trí,…Số lượng các chương trình đồ họa ứng dụng thật khổng lồ vàphát triển liên tục, sau đây là một số ứng dụng tiêu biểu:

 Thiết kế trợ giúp máy tính: AutoCAD or CAD (Computer Aided Design),

 Đồ thị, mô hình

 Vẽ nghệ thuật

 Phim ảnh

 Giao diện đồ họa cho phần mềm (Computer Graphic Interface)

 Xử lý ảnh, thị giác máy tính: nhận dạng, xử lý ảnh vệ tinh

 GIS (Geographic Information System)

 Đa phương tiện (Multimedia)

1.1.1 Thiết kế với sự hỗ trợ của máy tính

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 được 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 các chương trình này, đầu tiên các đối tượng được hiển thị dưới dạng các phác thảo của

phần khung (Wireframe outline), mà từ đó có thể thấy được toàn bộ hình dạng và các thành phần bên

trong của các đối tượng Sử dụng kĩ thuật này, người thiết kế sẽ dễ dàng nhận thấy ngay các thay đổicủa đối tượng khi tiến hành hiệu chỉnh các chi tiết hay thay đổi góc nhìn, …

Một khi đã thiết kế xong phần khung của đối tượng, các mô hình chiếu sáng, tô màu và tạo bóng bềmặt sẽ được kết hợp để tạo ra kết quả cuối cùng rất gần với thế giới thực

1.1.2 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 họamối quan hệ giữa nhiều đối tượng với nhau Các ứng dụng này thường được dùng để tóm lược các dữliệu về tài chính, thống kê, kinh tế, khoa học, toán học,…giúp cho việc nghiên cứu, quản lí,…một cách

Ngoài ra đồ họa máy tính còn giúp tạo ra các chương trình trò chơi, giải trí; hỗ trợ cho các kĩ xảođiện ảnh, cho các nhà làm phim Có nhiều bộ phim rất nổi tiếng nhờ vào kĩ xảo điện ảnh như: Công

viên Khủng long kỉ Jura (Jurassic Park), Titanic, Thế giới nước (Water World), Avatar…

1.1.4 Giáo dục và đào tạo

Hiện nay các chương 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,…được dùng rất nhiều trong việc hỗ trợ giảng dạy

Trong đào tạo, các ứng dụng mô phỏng được dùng để kiểm tra trình độ người lái, huấn luyện phicông, điều khiển giao thông, …

Hình 1.1 – Chương trình học về máy tính

1.1.5 Giao tiếp giữa máy tính và người dùng

Mọi ứng dụng đều phải có giao diện giao tiếp với người dùng Giao diện đồ họa thực sự là một cuộccách mạng mang lại sự thuận tiện và thoải mái cho người dùng ứng dụng Các ứng dụng dựa trên hệđiều hành MS Windows là một minh họa rất trực quan của giao diện đồ họa Các chức năng của cácứng dụng này được thiết kế cho người dùng làm việc thông qua các biểu tượng mô tả chức năng đó Ví

dụ, chức năng lưu tập tin được hiểu thông qua biểu tượng đĩa mềm, chức năng in ấn được hiểu thôngqua biểu tượng máy in,… Để chọn các chức năng, người dùng sử dụng chuột trỏ đến và nhấn vào cácbiểu tượng tương ứng Điểm thuận lợi chính khi dùng biểu tượng là kích thước không gian mà nóchiếm ít hơn nhiều so với dùng văn bản để mô tả cho cùng một chức năng, ngoài ra việc nắm bắt cácchức năng qua các biểu tượng sẽ dễ dàng hơn rất nhiều khi người dùng gặp trở ngại về mặt ngôn ngữ.Các ứng dụng có giao diện đồ họa còn cho phép người dùng khả năng làm việc dễ dàng với nhiềucửa sổ với nhiều dạng tài liệu khác nhau cùng một lúc

1.1.6 Khoa học nhận dạng (Pattern Recognition)

Nhận dạng là một lĩnh vực trong kỹ thuật xử lý ảnh Từ những mẫu ảnh có sẵn, ta phân loại theocấu trúc hoặc theo các phương pháp xác định nào đó và bằng các thuật toán chọn lọc để có thể phântích hay tổng hợp ảnh đã cho thành một tập hợp các ảnh gốc, các ảnh gốc này được lưu trong một thưviện và căn cứ vào thư viện này để nhận dạng các ảnh khác

Ví dụ: Phần mềm nhận dạng chữ viết (VnDOCR) của viện Công nghệ Thông tin Hà Nội, nhận dạng

1.2 KHÁI NIỆM VỀ ĐỒ HỌA MÁY TÍNH

Đồ họa máy tính là một ngành khoa học Tin học chuyên nghiên cứu về các phương pháp và kỹ thuật để có thể mô tả và thao tác trên các đối tượng của thế giới thực bằng máy tính Về bản chất: đó là một quá trình xây dựng và phát triển các công cụ trên cả hai lĩnh vực phần cứng và phần mềm hổ trợ cho các lập trình viên thiết kế các chương trình có khả năng đồ họa cao Với việc mô tả dữ liệu thông qua các hình ảnh và màu sắc đa dạng của nó, các chương trình đồ họa thường thu hút người sử dụng

bởi tính thân thiện, dể dùng, kích thích khả năng sáng tạo và nâng cao năng suất làm việc

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, lưu trữ, thao tác trên các mô hình (các mô tả hình

học của đối tượng) và các ảnh

Theo định nghĩa này thì đồ họa máy tính bao gồm việc thiết kế phần cứng như thiết bị hiển thị, các thuật toán cần thiết để phát sinh các đường trên các thiết bị này, các phần mềm được sử dụng cho cả

người lập trình hệ thống và người lập trình ứng dụng đồ họa, và các chương trình ứng dụng tạo ảnhbằng máy tính

Đồ họa máy tính cung cấp một trong những phương cách tự nhiên nhất cho việc truyền đạt thông tinvới máy tính Ngày nay, trong nhiều quá trình thiết kế, cài đặt và xây dựng, thông tin mà hình ảnh

mang lại là hầu như không thể thiếu được Kĩ thuật trực quan (Scientific visualization) đã trở nên là một

lĩnh vực rất quan trọng từ năm 1980, khi các nhà nghiên cứu khoa học và các kĩ sư nhận ra rằng họkhông thể xử lí một lượng dữ liệu khổng lồ phát sinh từ các siêu máy tính mà dữ liệu không được tómlược và làm nổi bật các xu hướng và hiện tượng qua nhiều loại biểu diễn đồ họa khác nhau

Đồ họa máy tính tương tác là một trong những phương tiện mang lại thêm nhiều sự thuận lợi chongười dùng trong việc phát sinh hình ảnh kể từ khi có phát minh của máy ảnh và truyền hình Với máytính, chúng ta có thể tạo các hình ảnh không chỉ của các đối tượng cụ thể, thực tế, mà còn của các đốitượng trừu tượng, nhân tạo; các biểu diễn của dữ liệu mà không có tính kế thừa về mặt hình học, như làkết quả điều tra, khảo sát Hơn nữa, với đồ họa máy tính chúng ta không bị giới hạn trong các ảnh tĩnh.Các ảnh động thông thường mang lại nhiều hiệu quả hơn so với ảnh tĩnh, đặc biệt là với các hiện tượngbiến đổi theo thời gian, cả thực tế (như sự đổi hướng của cánh máy bay siêu âm, hay sự phát triển củakhuôn mặt người từ lúc trẻ thơ tới lúc già) và trừu tượng (như là xu hướng phát triển của việc sử dụngnăng lượng, gia tăng dân số, …)

Có nhiều cách tiếp cận trong việc học môn đồ họa, trải rộng từ việc nghiên cứu phần cứng tới việchọc để sử dụng đồ họa máy tính chỉ trong một lĩnh vực chuyên biệt nào đó như là thiết kế mạch tích

hợp cao (VLSI - Very large scale integrated circuit) Ở đây chúng ta tiếp cận từ góc độ của người lập

trình ứng dụng, đó là người sử dụng tất cả các hỗ trợ của phần cứng, các công cụ phần mềm để xâydựng nên các ứng dụng

Tuy nhiên để có thể thiết kế và cài đặt các chương trình ứng dụng đồ họa được tốt, ngoài việc tìmhiểu các khả năng của công cụ lập trình, chúng ta cũng cần phải nắm vững các khái niệm về phần cứng;các vấn đề, các nguyên lí liên quan đến cài đặt phần mềm, các thuật toán, các ứng dụng, …

1.3 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐỒ HỌA

Một hệ đồ họa bao giờ cũng có hai thành phần chính đó là phần cứng và phần mềm Phần cứng

bao gồm các thiết bị hiển thị và nhập dữ liệu, … Phần mềm bao gồm các công cụ lập trình và các trìnhứng dụng đồ họa Chúng ta sẽ lần lượt khảo sát các thành phần này

1.3.1 Các thiết bị phần cứng - Màn hình

1.3.1.1 Màn hình CRT (Refresh Cathode-Ray Tubes -CRT)

Một chùm các tia điện tử (tia âm cực) phát ra từ một súng điện tử, vượt qua các hệ thống hội tụ

(focusing) và dẫn hướng (deflection) sẽ hướng tới các vị trí xác định trên màn hình được phủ một lớp

phosphor Tại mỗi vị trí tương tác với tia điện tử, hạt phosphor sẽ phát ra một chấm sáng nhỏ Vì ánhsáng phát ra bởi các hạt phosphor mờ dần rất nhanh nên cần phải có một cách nào đó để duy trì ảnh trênmàn hình Một trong các cách đó là lặp đi lặp lại nhiều lần việc vẽ lại ảnh thật nhanh bằng cách hướngcác tia điện tử trở lại vị trí cũ Kiểu hiển thị này gọi là refresh CRT

- Súng bắn điện tử thành tia qua hệ thống định hướng tới vị trí xác định trên màn hình phủ

phosphor (phosphor phản xạ ánh sáng) Vì ánh sáng phosphor mất đi nhanh cho nên phải có hệ

thống làm tươi ảnh: một trong cách đó là vẽ lặp liên tục trên các điểm ảnh (CRT làm tươi)

Phosphor có nhiều loại: mất ánh sáng nhanh và chậm

- Có nhiều loại phosphor được dùng trong một CRT Ngoài màu sắc ra, điểm khác nhau chính

giữa các loại phosphor là "độ bền” (Persistent), đó là khoảng thời gian phát sáng sau khi tia

CRT không còn tác động Lớp phosphor có độ bền thấp cần tốc độ làm tươi cao hơn để giữ chohình ảnh trên màn hình khỏi nhòe Loại này thường rất tốt cho hoạt hình, rất cần thay đổi hìnhảnh liên tục Lớp phosphor có độ bền cao thường được dùng cho việc hiển thị các ảnh tĩnh, độphức tạp cao Mặc dù một số loại phosphor có độ bền lớn hơn 1 giây, tuy nhiên các màn hình đồhọa thường được xây dựng với độ bền dao động từ 10 đến 60 micro giây

- Làm lệch tia điện tử bằng: điện trường hay từ trường (hình 1.2)

- Hệ thống focusing làm chụm tia điện tử

- Mật độ màn hình: tổng số điểm cực đại có thể hiển thị trên màn hình Định nghĩa chính xác hơn:mật độ là tổng số điểm/cm theo chiều ngang và đứng Mật độ phụ thuộc loại phosphor và hệthống làm chụm, làm lệch tia điện tử Mật độ cao có thể hiển thị 4000 điểm theo mỗi chiều ->cho tổng số 16 triệu điểm ảnh có thể địa chỉ hóa

người ta thường dùng tỉ số phương như là tỉ số của các điểm theo chiều ngang so với các điểmtheo chiều dọc) Với các màn hình có tỉ số phương khác 1, dễ dàng nhận thấy là các hình vuônghiển thị trên nó sẽ có dạng hình chữ nhật, các hình tròn sẽ có dạng hình ellipse Thực ra kháiniệm tỉ số phương xuất phát từ bản chất khoảng cách (nếu tính cùng một đơn vị độ dài) giữa cácđiểm dọc không bằng khoảng cách giữa các điểm ngang Một tỉ số phương có giá trị ¾ có nghĩa

là vẽ 3 điểm theo chiều dọc sẽ có cùng độ dài với việc vẽ 4 điểm theo chiều ngang Thí dụ EGA

(Enhanced Graphics Adapter) có tỷ lệ ¾.

1.3.1.2 Màn hình Raster

Màn hình Raster xuất hiện vào đầu những năm 70 Màn hình Raster dạng điểm là dạng thường gặpnhất trong số các dạng màn hình sử dụng CRT dựa trên công nghệ truyền hình Trong hệ thống này,chùm tia điện tử sẽ được quét ngang qua màn hình, mỗi lần một dòng và quét tuần tự từ trên xuốngdưới Sự bật tắt của các điểm sáng trên màn hình phụ thuộc vào cường độ của tia điện tử và đây chính

là cơ sở của việc tạo ra hình ảnh trên màn hình

Mỗi điểm trên màn hình được gọi là một pixel hay là pixel (viết tắt của Picture element) Các thôngtin 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) Vùng bộ nhớ này lưu trữ tập các giá trị cường

độ sáng của toàn bộ các điểm trên màn hình và luôn luôn tồn tại một song ánh giữa mỗi điểm trên mànhình và mỗi phần tử trong vùng này

Làm tươi màn hình có 2 loại: quét ngẫu nhiên, raster

 Quét ngẫu nhiên: tia điện tử được diều khiển sao cho chỉ hướng tới phần màn hình có vẽ

ảnh Màn hình loại này có thể vẽ ngay đoạn thẳng  cho nên gọi là màn hình véctơ

Hình 1.3 Kiến trúc màn hình Vector

 Quét raster: Tia điện tử quét mọi nơi trên màn hình, cường độ dòng điện tử on/off phù hợp

với ảnh vẽ Tạo ảnh bằng tập các điểm bắt đầu từ đỉnh màn hình

Hình 1.4 Kiến trúc màn hình Raster

Hệ màn hình quét raster có khả năng nhớ tập giá trị cường độ cho toàn bộ các điểm màn hình đểhiển thị lại  hay được sử dụng nhất cho hệ thống đồ hoạ rẻ tiền (thí dụ tương tự: TV, máy in)

- Tăng tốc độ: quét dòng lẻ, sau quét dòng chẵn,

- Tần số làm tươi: 30-60 ảnh (frames)/second 30 ảnh/sec có nghĩa 30 lần quét toàn bộ mànhình sau 1 sec Nếu quét chậm (<25 frames/sec) thì ảnh sẽ bị nháy

Hình 1.5 – Quá trình tạo hình ảnh của các tia quét

Để thay đổi các hình ảnh cần hiển thị, các giá trị tương ứng với vị trí và độ sáng phải được đặt vàovùng đệm khung Hình 1.6 minh họa các giá trị tương ứng trong vùng đệm khung để hiển thị hình ảnhcủa chữ A trên màn hình

Đối với màn hình đen trắng, vùng đệm khung còn được gọi là bitmap, với các màn hình khác vùngđệm khung thường được gọi là pixmap

Để tạo ra các ảnh đen trắng, đơn giản chỉ cần lưu thông tin của mỗi pixel bằng 1 bit (các giá trị 0, 1

sẽ tượng trưng cho việc tắt (tối), bật (sáng) pixel trên màn hình) Trong trường hợp ảnh nhiều màu,người ta cần nhiều bit hơn, nếu thông tin của mỗi pixel được lưu bằng b bit, thì ta có thể có 2b giá trị

màu phân biệt cho pixel đó

Hình 1.6 Song ánh giữa vùng đệm khung và màn hình Trong các màn hình màu, người ta định nghĩa tập các màu làm việc trong một bảng tra (LookUp Table - LUT) Mỗi phần tử của LUT định nghĩa một bộ ba giá trị R (Red), G (Green), B (Blue) mô tả một màu nào đó Khi cần sử dụng một màu, ta chỉ cần chỉ định số thứ tự (index) tương ứng của màu đó

trong LUT Bảng LUT có thể được thay đổi bởi các ứng dụng và người lập trình có thể can thiệp điềukhiển Với cách làm này chúng ta có thể tiết kiệm không gian lưu trữ cho mỗi phần tử trong vùng đệmkhung

Số phần tử của LUT được xác định từ số lượng các bits/pixel Nếu mỗi phần tử của vùng đệmkhung dùng b bits để lưu thông tin của một pixel, thì bảng LUT có 2b phần tử Nếu b=8, LUT sẽ có

28=256 phần tử, đó chính là số màu có thể được hiển thị cùng một lúc trên màn hình

Việc làm tươi trên màn hình dạng này được thực hiện ở tốc độ 60 đến 80 frame/giây Đôi khi tốc độlàm tươi còn được biểu diễn bằng đơn vị Hertz (Hz – số chu kì/ giây), trong đó một chu kì tương ứng

ngang (Horizontal retrace) Và tới cuối mỗi frame, tia điện tử (tia hồi dọc – Vertical retrace) quay trở

lại góc trên bên trái của màn hình để chuẩn bị bắt đầu frame kế tiếp

Trong một số màn hình, mỗi frame được hiển thị thành hai giai đoạn sử dụng kĩ thuật làm tươi đan

xen nhau (Interlaced refesh) Ở giai đoạn đầu tiên, tia quét sẽ quét một số dòng từ trên xuống dưới, sau

tia hồi dọc, các dòng còn lại sẽ được quét Việc đan xen các dòng quét này cho phép chúng ta thấy đượctoàn màn hình hiển thị chỉ trong một nửa thời gian so với dùng để quét tất cả các dòng một lần từ trênxuống dưới Kĩ thuật này thường được dùng cho loại màn hình có tốc độ làm tươi thấp

Hình 1.7 – Hoạt động của màn hình interlaced

1.3.1.3 Màn hình CRT màu

Màn hình màu hiển thị ảnh màu bằng cách tổ hợp phosphors phản xạ ánh sáng màu khác nhau Hai

kỹ thuật chính để hiển thị màu bằng CRT là: thấm tia (Beam-penetration) và lọc bóng (Shadow-mask).

- Beam-penetration: hiển thị ảnh màu trên màn hình quét ngẫu nhiên Hai lớp phosphors (đỏ và

green) phủ trên màn hình Màu được hiển thị phụ thuộc vào độ thấm sâu của tia điện tử vào các

lớp phosphor Tia chậm (yếu) chỉ tác động lớp ngoài cho màu đỏ Tia mạnh thấm qua lớp đỏ đên green và phát màu green Tia trung bình tổ hợp hai màu cho hai màu mới: Orange và Yellow Phương pháp này rẻ, nhưng chỉ cho 4 màu kết quả là chất lượng ảnh màu kém.

- Phương pháp shadow-mask (hình 1.8): hay được sử dụng trong hệ thống quét raster (kể cả TV)

vì chúng có thể hiển thị nhiều màu hơn

- Màn hình loại này phủ các mẫu tam giác nhỏ, là ba điểm phosphor rất gần nhau Mộtđiểm phản xạ ánh sáng red, một phản xạ ánh sáng Green và cái còn lại cho màu blue

Hình 1.8 Màn hình CRT màu sử dụng phương pháp Shadow Mask

- Tế bào võng mạc con người nhạy với 3 loại màu RGB, có độ dài bước sóng lần lượt là 440,

545 và 580 nm Mỗi màu được nhận biết riêng rẽ Hình 1.9 là độ nhạy trung bình của mắtngười với ánh RGB

- Màn hình này có 3 súng bắn điện tử khác nhau, mỗi súng cho một điểm màu Nó còn có lướishadow-mask ngay sau màn hình phủ phosphor Ba dòng điện tử được dẫn đường và chụm

lại thành nhóm vào shadow-mask mà chúng chứa các lỗ hổng gắn vào mẫu điểm phosphor.

- Khi ba dòng điện tử đi qua lỗ trên mặt nạ, chúng kích hoạt tam giác điểm để xuất hiện điểmmàu nhỏ trên màn hình

- Các điểm phosphor trên màn hình được xếp đặt sao cho mỗi tia điện tử chỉ tác động đến một

điểm màu tương ứng Các màu khác nhau trên màn hình có được nhờ tổ hợp cường độ khácnhau của ba tia điện tử: khi ngừng tia đỏ, green thì ta có màu blue,

- Nếu tia điện tử chỉ có hai mức on và off thì màn hình chỉ hiển thị được 8 màu Nếu chúng cónhiều mức khác nhau thì có thể hiển thị được tới hàng triệu màu khác nhau

1.3.1.4 Màn hình LCD

a Nguyên lý: Các phân tử tinh thể lỏng sắp xếp song song theo rãnh

- Khi các phân tử tinh thể lỏng tiếp xúc bề mặt có rãnh theo hướng nhất định thì các phân tửnày sẽ xếp hàng song song theo rãnh

- Hình trên cho thấy, phía trái là phân tử hỗn độn, bên phải là LC tiếp xúc với bề mặt có rãnh,chúng xếp dặt theo phương các rãnh (hình 1.10a)

Hình 1.10a Các tinh thể trên bề mặt màn hình LCD

Khi LC kẹp giữa hai hai tấm bề mặt có rãnh, chúng sẽ tự xếp đặt theo phương a hay b

- Các phân tử phía trên xếp đặt theo phương a và phương b tại phía dưới (hình 1.10b) Như vậy,các phân tử LC có cấu trúc xoắn (trường hợp này xoắn 90 độ)

Hình 1.10.b

Hình 1.10.c

- Ánh sáng đi qua không gian xếp đặt của các phân tử LC

 Ánh sáng cũng bị xoắn theo các phân tử LC xoắn

 Ánh sáng đi qua các nguyên tử tinh thể lỏng, theo hướng các phân tử sắp xếp Khi các phân

tử LC xoắn 90 độ thì ánh sáng cũng xoắn 90 độ (hình 1.10c)

Hình 1.10.d Hình 1.10.e

- Các phân tử LC tự xếp đặt lại khi có điện áp: Khi có điện áp, ánh sáng xoắn lại truyền thẳng Khi

có điện áp các phân tử tự xếp đặt theo phương thẳng đứng (theo trường điện) và ánh sáng đi thẳngdọc theo các phân tử (hình 1.10d)

- Ngăn ánh sáng bằng hai bộ lọc phân cực (hình 1.10e)

 Khi cho điện áp vào tổ hợp 2 bộ lọc phân cực và tinh thể lỏng xoắn, màn hình LCD xuấthiện Ánh sáng đi qua khi hai bộ lọc phân cực được xếp đặt theo phương trục phân cực nhưhình phía trái

 Ánh sáng bị chặn khi hai bộ lọc phân cực được xếp đặt theo phương trục phân cực như hìnhphía phải

- Màn hình LCD kiểu TN (Twisted nematic)

 Tổ hợp của các bộ lọc phân cực và tinh thể lỏng xoắn tạo ra màn hình LCD

 Khi hai bộ lọc phân cực được xếp đặt theo trục phân cực vuông góc, ánh sáng đi vào từ phíatrên sẽ bị đổi hướng 90 độ theo hướng sắp xếp của phân tử LC sao cho chúng đi qua được

bộ lọc phân cực dưới

 Khi có điện áp, các phân tử LC xoắn sẽ sắp xếp thẳng, thay đổi lại phương ánh sáng Do vậylàm ánh sáng không đi qua được bộ lọc dưới (hình 1.10f)

b Cấu trúc LCD: LCD: Có cấu trúc xếp đặt tương tự bánh sandwich như sau (hình 1.10g):

1 Bộ lọc phân cực: Điều khiển ánh sáng đi vào và đi ra

2 Lớp kính nền: Chặn thấm các điện tử từ cực điện

3 Cực điện trong suốt: Các cực này điều khiển LCD, có phải trong suốt để không ảnh hưởng đến chất lượng ảnh.

4 Tầng liên kết sắp hàng: Màng mỏng được sử dụng để sắp hàng các phân tử LC theo phương cố định

5 Tinh thể lỏng

6 Tấm định vị khoảng cách giữa các tấm kính

7 Bộ lọc màu: Màu được thể hiện bằng mô hình RGB

8 Bộ phận chiếu sáng: Màn hình được chiếu sáng từ sau để rõ hơn Trong LCD đơn sắc thường sử dụng gương phản xạ ánh sáng tự nhiên để đọc được ảnh

Cấu trúc hệ thống điều khiển ma trận tích cực (hình 1.10h)

- Khác với hệ thống điều khiển ma trận đơn trước đây, trong màn hình loại mới này, transistorchuyển mạch (TFT) hay diode được gắn vào mỗi pixel để chuyển trạng thái on/off Các điệncực X,Y cùng nằm trên một phía để tạo thành ma trận TFT hay diode (Có tên màn hình

TFT LCD trong các máy tính laptop)

- Các tín hiệu chuyển mạch áp vào điện cực X còn các tín hiệu video áp vào điện cực Y

c Phân loại LCD theo cách khác

- Twisted Nematic (TN): Các phân tử LC xoắn 90 độ Độ tương phản ở màn hình lớn không tốt.

- Super Twisted Nematic (STN): Các phân tử LC xoắn từ 180-260 độ, Tương phản tốt hơn.

- Triple Super Twisted Nematic (TSTN): Cho chất lượng đặc biệt tốt.

1.3.1.5 Plasma-Panel Displays

Phần lớn màn hình máy tính là CRT, nhưng nhiều máy tính còn sử dụng công nghệ khác Màn hìnhplasma-Panel được hình thành từ khí Neon giữa các tấm kính Nguyên lý hoạt động của màn hìnhPlasma tương tự như nguyên lý hoạt động của đèn huỳnh quang là một ống nhỏ chứa đầy ga Khi bị tácđộng bởi trường điện từ nó sẽ phát sáng Trường điện từ UV tác động lên phosphor sẽ phát sinh ra cácmàu khác nhau

Dãy các cực điện theo chiều ngang và dọc tạo thành các điểm trong neon Để tạo các điểm riêngbiệt ta tách khí thành các bọt (hình 1.11)

Hình 1.11 Nguyên tắc hoạt động của màn hình Plasma

Các điểm neon trong tấm plasma được sáng do đốt cực bằng điện áp ~120V trên điện cực tươngứng Sau khi cháy chỉ cần mức duy trì ~90V Giá đắt hơn so với CRT Không cần làm tươi ảnh Mànhình mỏng

Ưu điểm: Góc quan sát rộng, phù hợp với các màn hình có kích thước lớn; Ánh sáng rõ

Nhược điểm:

- Đắt tiền; Kích thước pixel khá lớn (cỡ 1mm so với 0.2 mm)

- Phosphor bị yếu dần; Ánh sáng yếu hơn CRTs, sử dụng nhiều năng lượng

1.3.2 Các thiết bị phần cứng – Máy in

Hai loại chính là Impact (va trạm) và Nonimpact (không va trạm)

- Máy in va trạm: nhấn bề mặt ký tự vào băng mực trên giấy thí dụ máy in dòng Mặt ký tự được

đặt trên băng, trống, bánh xe (wheel) Máy in điểm chứa trường các kim nhỏ để in từng ký tự.

- Máy in không va trạm: có tốc độ cao hơn, tĩnh hơn Các kỹ thuật sử dụng trong máy in khôngva: phun mực, laser, tĩnh điện, nhiệt điện

- Máy in kim cho khả năng in đồ họa: máy in kim có 9 hay 24 kim xếp theo chiều đứng như hình

vẽ Mật độ: 9kim chiều ngang 240dpi, đứng 72 dpi; của máy 24 kim là 360dpi x 180dpi Mộtvài loại đạt được đến 360 dpi

Hình 1.12 Máy in Laser

1.3.2.1 Máy in las er (giống máy chụp photocopy)

Tia laser chiếu vào trống để tạo ra phân bổ điện tích tĩnh trên mặt trống mà nó đã được phủ bằng vật

liệu quang điện, thí dụ selenium (selen cùng nhóm lưu huỳnh) Mực tích điện (Toner) được dẫn qua để

dính vào trống sau đó truyền sang giấy Có thể người phát minh đầu tiên là kỹ sư Bungaria, khi ôngmuốn có máy in giống Xerox Mật độ máy in này khá cao, thường từ 300, 600 dpi hay cao hơn Máy intheo từng trang nên phải có bộ nhớ trong lớn (tối thiểu 512 Kb) Tuy nhiên để in 1 trang A4, phân dải

300x300dpi thì cần 1 Mb nhớ Từ 1990 trong các máy in HP có sử dụng công nghệ Resolution Enhancement Technology (RET) Công nghệ này làm giảm kích thước điểm in mà không tăng mật độ

để in ảnh véc tơ; cho phép in chữ, hình nét hơn

Máy in laser: dùng công nghệ in tĩnh điện (Electrostatic - ES) là phương pháp in tạo hình ký tự

bằng cách tạo ra điện tích tĩnh điện và làm chảy mực lên giấy nhờ quá trình nung nóng Vậy khác hoàntoàn với các loại máy in trước dùng đầu in để in, loại máy in này tạo sản phẩm thông qua một quá trình

phức tạp Quá trình in tĩnh điện thực hiện trong hệ thống tạo hình - image formation system (IFS) có

các bước : Xóa trống nhạy sáng để gạt bỏ các hạt mực còn trên đó, và làm trống trở nên trung hòa điệntích Nạp điện lên bề mặt trống bằng điện áp âm rất lớn (khoảng 5000V) - sẵn sàng ghi hình Máy ingiải mã tín hiệu theo từng dòng máy tính đưa sang và xây dựng bản đồ bit của trang in, dùng chùm tiasáng ghi hình bản đồ này lên mặt trống Mực được phun vào mặt trống đang quay và bị hút vào cácđiểm được chiếu sáng và nhiễm điện tích âm - phương pháp ghi hình Ðen Còn nếu mực được phun vàocác điểm không được chiếu sáng gọi là phương pháp ghi hình Trắng, cách này hình đen hơn, dày hơn.Giấy được đưa qua một bộ phận nạp điện tích dương trước khi đi qua trống để hút điện tích âm là cáchạt mực Sau đó qua hện thống ép nhiệt nóng 180oC làm hạt mực chảy ra và dính luôn vào giấy Vớiphương pháp đó, có thể tốc độ in lên đến 10 trang văn bản trong một giây Một hộp mực tiêu chuẩn chomáy in thông thường có thể in được từ 200-5000 bản in tùy độ phức tạp hình ảnh

Máy in màu: hoạt động dựa trên nguyên tắc các điểm màu cơ bản li ti xen kẽ nhau tạo nên nhiều

màu sắc phong phú Ðể thể hiện màu sắc theo nguyên tắc này có nhiều phương pháp phối màu khác

nhau Kiểu RGB - tức là Red-Green-Blue (Ðỏ, Xanh lá cây, Xanh dương) giống như cách tạo màu vủa

tivi và mành hiển thị máy tính Cách này dùng ba màu Ðỏ, Xanh lá cây, xanh dương làm màu căn bản,

từ đó tạo ra các màu khác Kiểu HSB - tức dựa trên các yếu tố Hue-Saturation-Brightnes tức là sắc màu, lượng màu, độ sáng Kiểu CMYK sử dụng tỷ lệ pha trộn các màu Cyan-xanh dương sáng lợt, Magenta- hồng tím, Yellow-vàng, blach-đen Trong ngành in ấn chế bản thì gọi màu C -cyan là xanh, M - magenta là đỏ, Y - yellow là vàng, K - black là đen Vì màu sắc là một sự cảm nhận nhạy cảm ngay cả

với con người, nên đối với máy in màu, việc thể hiện màu phụ thuộc rất nhiều vào thiết bị

1.3.2.2Máy in nhiệt, máy in phun

Phương pháp nhiệt sử dụng nhiệt năng của đầu in ma trận điểm để tạo ra mẫu trên giấy cảm nhiệt(như máy fax) hay trên băng phủ mực cảm nhiệt Mật độ có thể đạt 300dpi, có thể đen trắng hay màu

Máy phun mực (Ink-Jet): phun mực theo hàng ngang còn giấy cuộn theo trống Trường điện từ của

mực tác động thành các mẫu ma trận điểm trên giấy Đầu in không va trạm giấy -> thuận tiện cho inphim Độ phân giải khá cao: HP Desk Jet 550C đạt tới 300 dpi -> cho màu đẹp

Máy in đen trắng và màu: Màu tổ hợp từ cyan, magenta và yellow Máy phun mực thường phun 3màu đồng thời Máy in laser chia ba giai đoạn

Hình 1.13 Máy in nhiệt Hình 1.14 Công nghệ RET

Máy in nhiệt - dùng các xung điện từ mạch kích thích của máy in làm cho đầu kim ma trận điểm

nóng lên và nguội đi rất nhanh, nhưng đầu kim này không gõ vào giấy mà do sự nóng nguội theo matrận điểm nó sẽ làm đổi màu các điểm trên loại giấy đặc biệt tạo nên các ký tự cần in Tốc độ máy in

tương đối nhanh và ít tốn điện, nhưng phải dùng loại giấy in nhiệt - thermal paper Ðể khắc phục nhược

điểm phai màu của máy in nhiệt, người ta dùng công nghệ máy in truyền mực bằng nhiệt - thermalfusion printer Ðầu in loại này cũng là ma trận các kim nhiệt được nung nóng nhanh bằng các xung tínhiệu thích hợp của mạch điện tử trong máy

Máy in phun mực - Inkfet printer : cũng là loại máy in không gõ, đồng thời đầu in cũng không tiếp

xúc giấy in, nó thực hiện thao tác in bằng cách phun các giọt mực lên các hạt mực li ti tạo nên bản in.Trong máy in phun ngày nay thiết bị phun dùng tinh thể áp điện - nó dao động cơ học với tần số cốđịnh khi có điện áp điều khiển tác động vào Khi đặt trong ống dẫn mực nó đẩy mực ra khỏi ống và hútthêm mực khác vào - như một máy bơm Loại này bị hạn chế bởi tốc độ in, do các phần tử in phải cóthời gian nguội nếu không sẽ gây nhiều vấn đề phức tạp khác, nhưng ưu điểm dùng điện áp thấp từ 24Vđến 50 V làm cho nó tiện dụng hơn Do tính chất in phun như vậy, nên loại máy này có thể dùng vớimọi loại giáy, độ nét và độ mịn của bản in có chất lượng cao, đôi khi rất khó phân biệt với loại máy inlaser Loại máy in phun rẻ hơn laser nhiều nhưng chi phí in cao hơn

1.3.2.3 Máy vẽ (Plotters)

Thiết bị này vẽ đường Thông thường ta thấy máy vẽ sử dụng bút mực Nhưng hiện nay máy vẽ còn

sử dụng các công nghệ như tia laser, phun mực, tĩnh điện, Máy vẽ bút sử dụng 1 hay nhiều bút với cácmàu khác nhau

1.3.3 Phần mềm

Phần mềm đồ họa có thể phân thành 2 loại: các công cụ lập trình và các trình ứng dụng đồ họa

phục vụ cho một mục đích nào đó Các công cụ lập trình cung cấp một tập các hàm đồ họa có thể đượcdùng trong các ngôn ngữ lập trình cấp cao như C, Pascal, Ví dụ như các thư viện đồ họa của các ngôn

ngữ như C, Pascal hay GL (Graphics Library) của Silicon Graphics Các hàm cơ sở của nó bao gồm

việc tạo các đối tượng cơ sở của hình ảnh như đoạn thẳng, đa giác, đường tròn, …, thay đổi màu sắc,chọn khung nhìn, áp dụng các phép biến đổi, … Trong khi đó, các ứng dụng đồ họa được thiết kế chonhững người dùng không phải là lập trình viên, cho phép người dùng tạo các đối tượng, hình ảnh, …

mà không cần quan tâm tới việc chúng được tạo ra như thế nào Ví dụ như là Photoshop, AutoCAD, …

1.3.3.1 Biểu diễn tọa độ

Thông thường các hệ đồ họa sử dụng hệ tọa độ Descartes để mô tả đối tượng Nếu các tọa độ củađối tượng được mô tả trong các hệ tọa độ khác như tọa độ cầu, …, chúng phải được chuyển về tọa độDescartes trước khi dùng

1.3.3.2 Quy trình hiển thị đối tượng

Trước tiên chúng ta mô tả các đối tượng thành phần của một ảnh phức tạp trong các hệ tọa độ riêng

để thuận tiện cho việc biểu diễn tọa độ của chúng Các hệ tọa độ này được gọi là hệ tọa độ mô hình

(Modeling coordinates) hay còn gọi là hệ tọa độ cục bộ (Local coordinates) Một khi các đối tượng

thành phần được biểu diễn xong, chúng ta sẽ đặt chúng vào các vị trí tương ứng trong ảnh sử dụng hệ

tọa độ thế giới thực (World coordinates) Sau cùng, các mô tả của ảnh trong hệ tọa độ thế giới thực sẽ

được chuyển đến một hoặc nhiều hệ tọa độ khác nhau của thiết bị hiển thị, tùy vào chúng ta muốn hiển

thị trên thiết bị nào Các hệ tọa độ này còn được gọi là hệ tọa độ thiết bị (Device coordinates) Các mô

tả trong các hệ tọa độ cục bộ và hệ tọa độ thế giới thực cho phép chúng ta sử dụng thứ nguyên thíchhợp cho các đơn vị đo mà không phải bị ràng buộc gì của từng thiết bị hiển thị cụ thể

Hình 1.15 Quy trình hiển thị đối tượng

Thông thường, các hệ đồ họa chuyển các mô tả trong hệ tọa độ thế giới thực tới hệ tọa độ thiết bị

chuẩn (Normalized device coordinates) có các chiều là đơn vị trước khi chuyển tới hệ tọa độ thiết bị.

Điều này làm cho hệ thống độc lập với nhiều loại thiết bị khác nhau

1.3.3.3 Các hàm đồ họa

Các hàm đồ họa cung cấp khả năng tạo và thao tác hình ảnh Các hàm này được phân loại như sau :

- Tập các công cụ tạo ra các đối tượng đồ họa cơ sở như điểm, đoạn thẳng, đường cong, vùng

tô, kí tự, …

- Tập các công cụ thay đổi thuộc tính dùng để thay đổi thuộc tính của các đối tượng đồ họa cơ

sở như màu sắc, kiểu đường, kiểu chữ, mẫu tô, …

- Tập các công cụ thực hiện các phép biến đổi hình học dùng để thay đổi kích thước vị trí,hướng của các đối tượng, …

- Tập các công cụ biến đổi hệ quan sát dùng để xác định vị trí quan sát đối tượng và vị trí trênthiết bị hiển thị được dùng để hiển thị đối tượng