toàn tập bài giảng đồ họa máy tính

1.1 Khái niệm 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.. 1.1 Khái niệm Đồ họa máy tính • Đồ họa máy tính tương tá

Trang 1

BÀI GIẢNG

ĐỒ HỌA MÁY TÍNH

GV: Vũ Đức Huy SĐT: 0912316373

Bộ môn: HTTT-ĐHCNHN EMail: huyhaui@gmail.com

Trang 3

Tài liệu tham khảo

• [1] James D.Foley, Andrie van Dam, Steven K.Feiner, Jonhn F Hughes, Computer Graphics Principles and Practice, Addison Wesley, 1994.

• [2] Hoàng Kiếm, Dương Anh Đức, Lê Đình Duy, Vũ Hải Quân Giáo trình cơ sở Đồ hoạ Máy tính, NXB Giáo dục, 2000.

• [3] Lê Tấn Hùng, Huỳnh Quyết Thắng Kỹ thuật đồ hoạ máy tính, NXB khoa học và kỹ thuật, 2002.

• [4] Học viện công nghệ bưu chính viễn thông Kỹ thuật đồ họa (lưu hành nội bộ)

• [5] Lương Chi Mai Nhập môn Đồ họa máy tính, NXB Khoa học và kỹ thuật.

• [6] Steven Harrington, Computer Graphics A Programming Approach, McGraw Hill International Edition, 1987.

• [7] Gerald Farin, Curves and Surfaces for Computer Aided Geometric Design A Practical Guide, Academic Press Inc, 1990.

Trang 5

Vấn đề của môn học

• Đây là một môn Tin học!

Trang 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỒ HỌA MÁY TÍNH

Trang 7

1.1 Khái niệm 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 Gồm : tạo, lưu trữ, thao tác trên các mô hình (các mô tả hình học của đối tượng) và các ảnh

Trang 8

• Đồ họa máy tính gồm:

Trang 9

• Đồ họa máy là một trong những cách tự nhiên nhất cho việc truyền đạt thông tin với máy tính.

• Khó có thể xử lý một lượng dữ liệu khổng lồ phát sinh từ các siêu máy tính mà dữ liệu không được tóm lược

và làm nổi bật các xu hướng và hiện tượng qua nhiều loại biểu diễn đồ họa khác nhau

Trang 10

• Đồ họa máy tính tương tác mang lại nhiều thuận lợi cho người dùng trong việc phát sinh hình ảnh từ khi có phát minh của máy ảnh và truyền hình

• Với máy tính, ta có thể tạo các hình ảnh của các đối tượng thực tế, trừu tượng, nhân tạo.

Trang 11

• Đồ họa máy tính không bị giới hạn trong các ảnh tĩnh mà hướng tới các ảnh động

Trang 12

1.2 Ứng dụng của ĐHMT

• Hỗ trợ thiết kế (CAD/CAM)

• Các đối tượng được hiển thị dưới dạng các phác thảo của phần khung, từ đó có thể thấy được toàn bộ hình dạng và các thành phần bên trong của các đối tượng

• Người thiết kế sẽ dễ dàng nhận thấy ngay các thay đổi của đối tượng khi tiến hành hiệu chỉnh các chi tiết hay thay đổi góc nhìn, …

• Các mô hình chiếu sáng, tô màu và tạo bóng bề mặt sẽ được kết hợp tạo ra sản phẩm

Trang 13

Trang 14

Trang 15

Trang 16

Trang 17

• Biểu diễn thông tin

Trang 18

• Biểu diễn thông tin

Trang 19

• Giải trí, nghệ thuật

trong việc thiết kế các hình ảnh sống động, và rất thực bằng cách cung cấp các công cụ như khung vẽ, giá vẽ, bảng pha màu, các hiệu ứng ba chiều, …

Jura (Jurassic Park), Titanic, Thế giới nước (Water World), …

Trang 20

Trang 21

Trang 22

• Giáo dục đào tạo

trong việc hỗ trợ giảng dạy

Trang 23

Trang 24

Trang 25

Trang 26

• Giao tiếp giữa người dùng và máy tính

Trang 27

• Giao tiếp giữa người dùng và máy tính

Trang 28

• Tự động hóa văn phòng và chế bản điện tử

Trang 29

• Bản đồ

Trang 30

• Điều khiển các quá trình sản xuất

Trang 31

• Y tế

Trang 32

1.3 Tổng quan một hệ đồ họa

Trang 33

1.3.1 Phần cứng đồ họa

• Các thành phần

trình ứngdụng

Trang 34

số ở frame buffer thành các điểm sáng trên màn hình

Trang 35

Trang 37

• Màn hình

hết màn hình đều dựa trên thiết kế của ống tia âm cực (CRT – cathode ray tube)

Trang 38

• Màn hình

Trang 39

• Màn hình

• Là ống tạo ra chùm tia điện tử ở một đầu rồi tăng tốc các điện tử đó để chúng bị phóng về phía trước,

• Gắn một màn hình thủy tinh mà bên trong được phủ một lớp phốt pho

• Chùm tia điện tử đập vào thì lóe sáng lên.

• Catot: Khi được nung nóng lên thì phát ra các điện tử

Trang 40

• Màn hình

• 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 chấm sáng yếu.

điện tử về phía màn hình

Trang 41

• Một cặp lái tia theo phương x để lái chùm tia điện tử theo chiều ngang màn hình

• Cặp kia lái theo phương y để lái chùm tia điện tử theo chiều thẳng đứng.

Trang 42

• Màn hình

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

Ánh sáng phát ra bởi các hạt phosphor mờ dần rất nhanh nên cần phải có một cách nào đó để duy trì ảnh trên màn hình

điện tử trở lại vị trí cũ Kiểu hiển thị này gọi là refresh CRT

Trang 43

• Màn hình

màn hình khỏi nhòe Loại này thường rất tốt cho hoạt hình, rất cần thay đổi hình ảnh liên tục

tạp cao

Trang 44

• Màn hình

được xây dựng với độ bền dao động từ 10 đến 60 micro giây

(resolution)

thường dao động từ 12 đến 27 inch hoặc lớn hơn

Trang 45

• Màn hình

thẳng có độ dài đơn vị theo cả hai hướng trên màn hình

chữ nhật, hình tròn sẽ có dạng hình ellipse Tỉ số phương xuất phát từ khoảng cách giữa các điểm 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

Trang 46

• Màn hình

Trang 47

• Màn hình

Trang 48

• Màn hình

Trang 49

• Màn hình

Trang 51

• Màn hình dạng điểm

CRT dựa trên công nghệ truyền hình

từ trên xuống dưới

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

Trang 52

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 màn hình và mỗi phần tử trong vùng này

Trang 53

Trang 54

được đặt vào vùng đệm khung

khác vùng đệm khung thường được gọi là pixmap

Trang 55

(các giá trị 0, 1 sẽ tượng trưng cho việc tắt (tối), bật (sáng) pixel trên màn hình)

bằng b bit, thì ta có thể có 2b giá trị màu phân biệt cho pixel đó

Trang 56

Trang 57

(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 điều khiển Với cách làm này chúng ta

có thể tiết kiệm không gian lưu trữ cho mỗi phần tử trong vùng đệm khung

Trang 58

vùng đệm khung 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

Trang 59

• Một chu kì tương ứng với một frame.

• Tốc độ làm tươi 60 frame/giây đơn giản là 60Hz

• Khi đạt đến cuối mỗi dòng quét, tia điện tử quay trở lại bên trái của màn hình để bắt đầu dòng quét

kế tiếp Việc quay trở lại phía trái màn hình sau khi làm tươi mỗi dòng quét được gọi là tia hồi 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.

Trang 60

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 được toàn màn hình hiển thị chỉ trong một nửa thời gian so với dùng để quét tất cả các dòng một lần từ trên xuống dưới Kĩ thuật này thường được dùng cho loại màn hình có tốc độ làm tươi thấp

Trang 61

Trang 62

• Màu sắc bão hoà và tự nhiên

• Công nghệ không quá đắt và hoàn thiện

• Góc nhìn rộng, tương phản và độ sáng cao

• Lớn và nặng

• Tiêu tốn nguồn điện cao

• Có hại cho sức khoẻ vì trường điện từ và từ tính

• Màn hình nhấp nháy (50-80 Hz)

• Hình hay bị méo tại 4 góc

Trang 63

• Màn hình tinh thể lỏng ( sv tự tìm hiểu thêm )

có từ trường thì ánh sáng truyền đổi chiều

Trang 64

• Màn hình tinh thể lỏng

Trang 65

• Màn hình phẳng tuyệt đối nên không méo tại các góc

• Màu sắc đều, ảnh sinh động

• Không bị hiệu ứng điện từ trường

Trang 66

• Màn hình Plasma ( sv tự tìm hiểu )

Trang 67

1.3.2 Phần mềm đồ họa

• Các loại phần mềm đồ họa

ngôn ngữ lập trình cấp cao như C, Pascal, 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

Trang 68

• Các loại phần mềm đồ họa

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, …

Trang 69

• Chuẩn phần mềm

công cụ được thiết kế với các hàm đồ họa chuẩn, phần mềm có thể được di chuyển một cách dễ dàng từ hệ phần cứng này sang hệ phần cứng khác và được dùng trong nhiều cài đặt và ứng dụng khác nhau

System – Hệ đồ họa cơ sở) Hệ thống này ban đầu được thiết kế cho tập các công cụ

đồ họa hai chiều, sau đó được phát triển và mở rộng cho đồ họa ba chiều

Trang 70

• Chuẩn phần mềm

trình nào Để cài đặt một chuẩn đồ họa cho ngôn ngữ cụ thể nào, các cú pháp tương ứng sẽ được xác định và cụ thể hóa

cung cấp một cách thức chuẩn cho việc giao tiếp đồ họa với các thiết bị xuất Nó cũng không xác định các cách thức cho các mô hình thời gian thực cũng như các cách thức lưu trữ và chuyển đổi hình ảnh

Trang 71

1.3.3 Hệ tọa độ

• Hệ tọa độ thực

có tọa độ (0, 0)

(dimension) quy ước như foot, cm, mm, km, inch, nào và có thể lớn nhỏ tùy ý

Trang 72

1.3.3 Hệ tọa độ

• Hệ tọa độ thực

Trang 75

Xin chân thành cảm ơn!

Trang 76

BÀI GIẢNG

ĐỒ HỌA MÁY TÍNH

GV: Vũ Đức Huy SĐT: 0912316373

Bộ môn: HTTT-ĐHCNHN EMail: huyhaui@gmail.com

Trang 78

Tài liệu tham khảo

• [1] James D.Foley, Andrie van Dam, Steven K.Feiner, Jonhn F Hughes, Computer Graphics Principles and Practice, Addison Wesley, 1994.

• [2] Hoàng Kiếm, Dương Anh Đức, Lê Đình Duy, Vũ Hải Quân Giáo trình cơ sở Đồ hoạ Máy tính, NXB Giáo dục, 2000.

• [3] Lê Tấn Hùng, Huỳnh Quyết Thắng Kỹ thuật đồ hoạ máy tính, NXB khoa học và kỹ thuật, 2002.

• [4] Học viện công nghệ bưu chính viễn thông Kỹ thuật đồ họa (lưu hành nội bộ)

• [5] Lương Chi Mai Nhập môn Đồ họa máy tính, NXB Khoa học và kỹ thuật.

• [6] Steven Harrington, Computer Graphics A Programming Approach, McGraw Hill International Edition, 1987.

• [7] Gerald Farin, Curves and Surfaces for Computer Aided Geometric Design A Practical Guide, Academic Press Inc, 1990.

Trang 79

CHƯƠNG 2 CÁC THUẬT TOÁN CƠ SỞ

Trang 80

2.1 CÁC THUẬT TOÁN VẼ ĐƯỜNG THẲNG

Trang 82

2.1.1 Một số khái niệm

• Đoạn thẳng

(y-y1)/( x-x1) = ( y2-y1)/( x2-x1) (y-y1)(x2-x1)=(x-x1)(y2-y1) (x2-x1)y=(y2-y1)x + y1(x2-x1) - x1(y2-y1)

y = ((y2-y1)/(x2-x1))x + y1 - ((y2-y1)/(x2-x1))x1

y = mx + b

m = (y2-y1)/(x2-x1) Độ dốc hay hệ số góc của đường

b = y1- mx1 Đoạn chắn trên trục y

Δy = mΔx (tức là khi x thay đổi thì y thay đổi theo)

Trang 84

A = (y2-y1)

B = -(x2-x1 )

C = x2y1 - x1y2

Trang 86

2.1.2 Giải thuật làm tròn

Trang 90

2.1.2 Giải thuật làm tròn

• Trường hợp d gần Oy: x = (1/m)y – b/m

Trang 92

2.1.3 Giải thuật DDA

• Cho phương trình đường thẳng d: y = mx+b

m = (y2-y1)/(x2-x1)

b = y1- mx1

Trang 93

• Giả sử vẽ được (xi,yi)

• Tiếp theo, chọn yi+1 là yi hay yi+1 dựa vào

phương trình của đường thẳng d

Trang 94

• Thay xi+1 vào phương trình đường thẳng d:

yi+1 = m(xi+1)+byi+1 = mxi+ b + m

yi+1 = yi + m

Trang 95

• Lưu đồ thuật toán

Trang 96

• Thủ tục

Trang 97

• Nhận xét:

Trang 99

2.1.4 Giải thuật Bresenham

• Cho phương trình đường thẳng d: y = mx+b

dx = x2-x1

dy = y2-y1

m = dy/dx

b = y1- mx1

Trang 101

• Điểm được chọn tiếp theo không thể

là R(xi+1,y).

• Chỉ có thể chọn S(xi+1,yi) hoặc

P(xi+1,yi+1)

R

Trang 103

• Tư tưởng:

R

Trang 104

• Tính d1:

d1 = y(xi+1)-yid1 = (m(xi+1)+b)-yi

d1 = m(xi+1)+b-yi

R

Trang 107

Pi = dx((m(xi+1)+b-yi)-(yi+1-m(xi+1)-b))

Pi = dx(2(m(xi+1)+b)-2yi+1) (*)

Thay m = dy/dx vào phương trình (*)

Pi =2dyxi – 2dxyi + 2dy + (2b-1)dx

Pi =2dyxi – 2dxyi + c với c = 2dy + (2b-1)dx

Trang 108

• Vấn đề: Sau khi chọn điểm P hoặc S Phải tính được Pi+1.

• Tính Pi+1:

Pi+1 = 2dy(xi+1) – 2dxyi+1 + c

• Xét mối liên hệ giữa Pi+1 và Pi

Pi+1-Pi = (2dy(xi+1) – 2dxyi+1 + c)- (2dyxi – 2dxyi + c)Pi+1-Pi = 2dyxi+2dy–2dxyi+1+c -2dyxi + 2dxyi – c

Pi+1-Pi = 2dy–2dx(yi+1-yi)

Trang 109

• Nếu d1-d2<0 thì yi+1 = yi (chọn S)

Pi+1-Pi = 2dy–2dx(yi-yi)Pi+1-Pi = 2dy

Pi+1 = Pi + 2dy

• Nếu d1-d2>0 thì yi+1 = yi+1(chọn P)

Pi+1-Pi = 2dy–2dx(yi+1-yi)Pi+1-Pi = 2(dy – dx)

Pi+1 = Pi + 2(dy – dx)

Trang 110

• Tính P1: Thay điểm (x1,y1) vào Pi

P1 =2dy - dx

Trang 111

• Sơ đồ khối

Trang 112

• Thủ tục

Trang 113

• Nhận xét

Trang 114

2.1.5 Giải thuật MidPoint

• Cho hai điểm (x1,y1) và (x2,y2)

• Phương trình đường thẳng dạng tổng quát:

Ax + By + C =0

Với dy = y2-y1, dx = x2-x1

A = dy B= -dx C= x2y1-x1y2

• Đặt F(x,y) = Ax + By + C

Trang 115

• Tư tưởng: Thuật toán Midpoint đưa ra cách chọn điểm yp+1 là yp hay yp+1 dựa vào so sánh điểm thực Q(xp+1,y) với trung điểm M(xp+1,yp+1/2) của ENE.

Trang 116

• Cơ sở toán học:

<0 nếu (x,y) nằm phía trên đường thẳng

đường thẳng

Trang 117

• Cách thực hiện: Đặt Pp = F(M) = F(xp+1,yp+1/2)

 Pp gọi là tham số quyết định Dấu của nó sẽ quyết định lựa chọn điểm tiếp theo.

Trang 118

• Tính Pp:

Pp = A(xp+1)+B(yp+1/2)+CĐặt Pold = Pp

Pold = A(xp+1)+B(yp+1/2)+C

• Nếu chọn E thì trung điểm mới:Mnew(xp+2,yp+1/2)

PnewE = A(xp+2)+B(yp+1/2)+CPnewE = A(xp+1)+B(yp+1/2)+C + A

PnewE = Pold + dy (vì A= dy)

Trang 119

• Nếu chọn NE thì trung điểm mới:Mnew(xp+2,yp+3/2)

• PnewNE = Pold + dy – dx (vì A= dy, B = -dx)

Trang 120

• Tính P1: M(x1+1,y1+1/2)

P1 = A(x1+1)+B(y1+1/2)+CThay:

A = dy; B = -dx, C= x2y1-x1y2

dy = y2-y1; dx = x2-x1 vào P1

P1 = dy(x1+1)-dx(y1+1/2)+ x2y1-x1y2P1 = dyx1+dy-dxy1-dx1/2+ x2y1-x1y2P1 = y2x1-y1x1+dy-x2y1+x1y1-dx1/2+ x2y1-x1y2

P1 = dy-(1/2)dx

Do chỉ xét dấu và để tránh chia hai:

P1 = 2dy-dx

Trang 121

• Sơ đồ khối

Trang 122

• Thủ tục

Trang 123

• Nhận xét

Trang 124

2.2 THUẬT TOÁN VẼ ĐƯỜNG TRÒN

Trang 125

2.2.1 Một số vấn đề

• Sự hình thành

• Tính đối xứng

Định dạng
Số trang	357
Dung lượng	7,4 MB