nghiên cứu một số kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3d từ hình chiếu

Ở nhóm ứng dụng đồ họa 2 chiều cung cấp các khả năng thể hiện các biểu đồ, đồ thị hình ảnh 2 chiều; còn ở nhóm ứng dụng đồ họa ba chiều và ảnh động cung cấp các khả năng thể hiện các hì

- -

ĐỖ THÁI HÒA NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Đỗ Năng Toàn

Thái Nguyên - 2012

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iii

PHẦN MỞ ĐẦU 1

Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3

1.1 Khái quát về đồ họa 3D 3

1.1.1 Lịch sử phát triển 3

1.1.2 Các kỹ thuật đồ họa 4

1.1.2.1 Kỹ thuật đồ hoạ điểm (Sample based-Graphics) 4

1.1.2.2 Kỹ thuật đồ họa Vector 5

1.1.2.3 Các chuẩn giao diện của hệ đồ hoạ 6

1.1.3 Phần cứng đồ họa (Graphics HardWare) 7

1.1.3.1 Các thành phần phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác 7

1.1.3.2 Máy in 7

1.1.3.3 Màn hình (monitor-display) 8

1.1.3.4 Bảng tra màu LUT (Look Up Table) 11

1.1.3.5 Sự kết nối giữa hệ thống máy tính với các thiết bị hiển thị 13

1.2 Hiển thị hình ảnh 3D 15

1.2.1.Nguyên lý về 3D (three-Dimension) 15

1.2.2 Đặc điểm của kỹ thuật đồ hoạ 3D 15

1.2.3 Các phương pháp hiển thị 3D 16

1.2.4 Tái tạo cấu trúc ba chiều từ các hình chiếu 16

Chương 2: KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU 19

2.1 Biểu diễn bề mặt (surface rendering – SR) 19

2.2 Biểu diễn thể tích (volume rendering – VR) 26

Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 34

3.1 Các công cụ 34

3.2 Chương tr ình cài đặt 39

3.3 Một số cửa sổ - Kết quả thử nghiệm 39

3.4 Đánh giá 41

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT Ký hiệu/

Chữ viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa

Digital Imaging and COmmunications in Medicine Standars

Tiêu chuẩn ảnh số và truyền thông

trong y tế

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ảnh đồ hoạ điểm

Hình 1.2 Kỹ thuật đồ họa điểm

Hình 1.3 Mô hình đồ họa vector

Hình 1.4 Các thành phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác

Hình 1.5 Cấu tạo màn hình CRT

Hình 1.6 Súng điện tử bố trí theo kiểu tam giác

Hình 1.7 Dòng quét trong thiết bị Raster

Hình 1.8 Tổ chức của bảng tra màu LUT (Look Up Table)

Hình 1.9 Tổ chức của một máy

Hình 1.10 Nối kết mạng cục bộ

Hình 1.11 Các dạng ảnh 2D dùng để tái tạo ảnh 3D thường gặp

Hình 2.1 Hình ảnh 3D được biểu diễn theo phương pháp SR

Hình 2.2 Minh họa thuật toán Marching Square

Hình 2.3 16 trường hợp Marching Square

Hình 2.4 Minh họa tạo bề mặt từ các đường viền

Hình 2.5 Xây dựng bề mặt theo giá trị của các đỉnh

Hình 2.6 Các trường hợp một mặt đi qua khối lập phương trong thuật toán

Marching Cubes

Hình 2.7 Một trường hợp lỗi của Marching Cubes

Hình 2.8 Chia khối lập phương thành các khối tứ diện

Hình 2.9 Hai trường hợp mặt phẳng đi qua khối tứ diện trong thuật toán

Marching Tetrahedra

Hình 2.10 Minh họa thuật toán Dividing Cubes để vẽ đương trong mặt phẳng

Hình 2.11 Minh họa thuật toán Dividing Cubes trong không gian ba chiều Hình 2.12 Hình ảnh 3D biểu diễn theo phương pháp VR

Hình 2.13 Minh họa kỹ thuật object -order

Hình 2.14 Minh họa kỹ thuật image -order

Hình 2.15 Mô hình Blinn / Kajiya

Hình 2.16 Minh họa kỹ thuật đơn giản hóa tính toán cường độ ánh sáng Hình 2.17 Sơ đồ tổng quan của rendering MIP

Hình 3.1 Sơ đồ tương tác của VTK với phần cứng

Hình 3.2 Cấu trúc chương trình ứng dụng VTK

Hình 3.3 Mô hình đồ họa của VTK

Hình 3.4 Mô hình trực quan hóa của VTK

Hình 3.5 Các loại tập dữ liệu của VTK

Hình 3.6 Cách kết nối VTK và ITK

Hình 3.7 Pipeline của chương trình cài đặt

Hình 3.8 Chu trình biểu diễn dữ liệu thành hình ảnh

Hình 3.9 Giao diện màn hình chính

Hình 3.10 Hình ảnh 3D được hiển thị

Hình 3.11 Các góc độ khác nhau của hình ảnh 3D được hiển thị

Hình 3.12 Hiển thị thêm mô mềm

PHẦN MỞ ĐẦU

Đồ họa máy tính được ra đời bởi sự kết hợp của 2 lĩnh vực thông tin và truyền hình Đầu tiên kỹ thuật đồ họa được phát triển bởi các nhóm kỹ sư sử dụng máy tính lớn Trong giai đoạn đầu của sự phát triển người ta phải tốn nhiều tiền cho việc trang bị các thiết bị phần cứng Ngày nay, nhờ vào sự tiến bộ của

vi xử lý, giá thành của máy tính càng lúc càng phù hợp với túi tiền của người sử dụng trong khi các kỹ thuật ứng dụng đồ họa của nó ngày càng cao hơn nên có nhiều người quan tâm nghiên cứu đến lĩnh vực này

Đồ họa máy tính là một lĩnh vực của công nghệ thông tin mà ở đó, việc

nghiên cứu, xây dựng và tập hợp các công cụ (mô hình lý thuyết, phần mềm ) khác nhau nhằm kiến tạo, xây dựng, lưu trữ và xử lý các mô hình (models) và hình ảnh (images) của sự vật-hiện tượng trong cuộc sống, trong sản xuất và

trong nghiên cứu Các mô hình và hình ảnh này có thể là các kết quả thu được từ

những lĩnh vực khác nhau của rất nhiều ngành khoa học (chẳng hạn như vật lý,

toán học, thiên văn học, sinh học, phỏng sinh học, y học, v.v ) và nhiều thể loại

phong phú như cấu trúc phân tử, cấu trúc sinh học, mô hình vũ trụ v.v

Ngày nay, việc sử dụng đồ họa máy tính đã thâm nhập vào rất nhiều lĩnh vực như trong biểu diễn thông tin, in ấn xuất bản, trong thiết kế kỹ thuật, thiết kế

kiến trúc, mô phỏng thế giới thực (thực tại ảo-Virtual reality), thiết kế giao diện

máy-người sử dụng v.v và ngày càng chứng tỏ sự quan trọng không thể thiếu được khi các máy móc thiết bị công nghệ phục vụ cho các lĩnh vực nói trên đang dần chuyển sang sử sụng công nghệ kỹ thuật số và hiện nay thậm chí còn trở

thành nghệ thuật số (Digital art)

Ở nhóm ứng dụng đồ họa 2 chiều cung cấp các khả năng thể hiện các biểu

đồ, đồ thị (hình ảnh 2 chiều); còn ở nhóm ứng dụng đồ họa ba chiều và ảnh

động cung cấp các khả năng thể hiện các hình ảnh, mô hình trong không gian ba chiều, kỹ thuật mô phỏng thế giới thực, tạo ra các bức ảnh sống động cho phim

ảnh, truyền hình từ các kỹ thuật mô tả chuyển động của các mô hình đó v.v

Đồ họa máy tính nói chung và tái tạo hình ảnh ba chiều của các vật thể thực từ hình chiếu là một trong những lĩnh vực thu hút được sự quan tâm nhiều nhất của giới nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ thông tin trong mấy chục năm qua Hình ảnh tái tạo từ máy tính đã được sử dụng rất có hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau như giáo dục, giải trí, kiến trúc, đặc biệt là chuẩn đoán hình ảnh trong y tế, .Các kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3D từ hình chiếu là một đề tài mới mẻ và có ứng dụng lớn trong trong lĩnh vực tái tạo, chuẩn đoán và phục đối tượng

Trong luận văn này, tác giả tìm hiểu một số kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3D

từ hình chiếu như kỹ thuật biểu diễn bề mặt (surface rendering – SR), kỹ thuật biểu diễn thể tích (volume rendering – VR) và ứng dụng thử nghiệm chương trình hiển thị hình ảnh 3D từ hình chiếu Nội dung luận văn bao gồm 3 chương:

Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ HÌNH ẢNH

Chương này khái quát về đồ họa 3D, Nguyên lý về 3D và Đặc điểm của kỹ thuật đồ hoạ 3D

Chương 2: KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU

Chương này giới thiệu về một số kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3D từ hình chiếu như kỹ thuật biểu diễn bề mặt (surface rendering – SR), kỹ thuật biểu diễn thể tích (volume rendering – VR)

Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM

Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ HÌNH ẢNH

1.1 Khái quát về đồ họa 3D

1.1.1 Lịch sử phát triển

- Graphics những năm 1950-1960

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

1960 - SAGE (Semi-Automatic Ground Environment System) xuất hiện bút sáng thao tác với màn hình

Màn hình là thiết bị thông dụng nhất trong hệ đồ hoạ, các thao tác của hầu hết các màn hình đều dựa trên thiết kế ống tia âm cực CRT (Cathode ray tube) Khi đó giá để làm tươi màn hình là rất cao, máy tính xử lý chậm, đắt và không chắc chắn (không đáng tin cậy) [4]

- Graphics: 1960-1970

1963 Ivan Sutherland (hội nghị Fall Joint Computer - lần đầu tiên có khả năng tạo mới, hiển thị và thay đổi được thực hiện trong thời gian thực trên màn CRT)

Hệ thống này được dùng để thiết kế mạch điện: CRT, LightPen (bút sáng), computer (chứa chương trình xử lý thông tin) Người sử dụng có thể vẽ mạch điện trực tiếp lên màn hình thông qua bút sáng

- Graphics:1970-1980

Raster Graphics (đồ hoạ điểm) Bắt đầu chuẩn đồ hoạ ví dụ như:

GKS(Graphics Kernel System): European effort (kết quả của châu âu), Becomes ISO 2D standard

- Graphics: 1980-1990

Mục đích đặc biệt về phần cứng, thiết bị hình học đồ hoạ Silicon Xuất hiện các chuẩn công nghiệp: PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics

Standard) xác định các phương pháp chuẩn cho các mô hình thời gian thực và lập trình hướng đối tượng

Giao diện người máy Human-Computer Interface (HCI)

- Computer Graphics: 1990-2000

OpenGL API (Application Program Interface – giao diện chương trình ứng dụng) Completely computer-sinh ra ngành điện ảnh phim truyện (Toy Story) rất thành công

Các tiềm tàng phần cứng mới: Texture mapping (dán các ảnh của cảnh thật lên bề mặt của đối tượng), blending (trộn màu)…

- Computer Graphics: 2000- nay

Ảnh hiện thực, các cạc đồ hoạ cho máy tính (Graphics cards for PCs), game boxes and game players

Công nghiệp phim ảnh nhờ vào đồ hoạ máy tính (Computer graphics becoming routine in movie industry): Maya (thế giới vật chất tri giác được)…

1.1.2 Các kỹ thuật đồ họa

1.1.2.1 Kỹ thuật đồ hoạ điểm (Sample based-Graphics)

- Các mô hình, hình ảnh của các đối tượng được hiển thị thông qua từng pixel (từng mẫu rời rạc)

- Đặc điểm: Có thể thay đổi thuộc tính

+ Xoá đi từng pixel của mô hình và hình ảnh các đối tượng

+ Các mô hình hình ảnh được hiển thị như một lưới điểm (grid) các pixel rời rạc + 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 mô hình, hình ảnh đối tượng mà chúng ta muốn hiển thị

Hình 1.1 Ảnh đồ hoạ điểm

Hình 1.2 Kỹ thuật đồ họa điểm

Phương pháp để tạo ra các pixel:

- Phương pháp dùng phần mềm để vẽ trực tiếp từng pixel một

- Dựa trên các lý thuyết mô phỏng (lý thuyết Fractal, v.v) để xây dựng nên hình ảnh mô phỏng của sự vật

- Phương pháp rời rạc hoá (số hoá) hình ảnh thực của đối tượng

- Có thể 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 [4]

1.1.2.2 Kỹ thuật đồ họa Vector

Hình 1.3 Mô hình đồ họa vector

Tô trát

Thiết bị ra

- Mô hình hình học (geometrical model) cho mô hình hoặc hình ảnh của đối tượng

- Xác định các thuộc tính của mô hình hình học này

- Quá trình tô trát (rendering) để hiển thị từng điểm của mô hình, hình ảnh thực của đối tượng

Có thể định nghĩa đồ hoạ vector: Đồ hoạ vector = geometrical model + rendering

1.1.2.3 Các chuẩn giao diện của hệ đồ hoạ

Mục tiêu căn bản của phần mềm đồ hoạ được chuẩn là tính tương thích Khi các công cụ được thiết kế với hàm đồ hoạ 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

GKS (Graphics Kernel System): chuẩn xác định các hàm đồ hoạ chuẩn, được thiết kế như một tập hợp các công cụ đồ hoạ hai chiều và ba chiều

CGI (Computer Graphics Interface System): hệ chuẩn cho các phương pháp giao tiếp với các thiết bị ngoại vi

CGM (Computer Graphics Metafile): xác định các chuẩn cho việc lưu trữ và chuyển đổi hình ảnh

VRML (Virtual Reality Modeling Language): ngôn ngữ thực tại ảo, một hướng phát triển trong công nghệ hiển thị được đề xuất bởi hãng Silicon Graphics, sau đó đã được chuẩn hóa như một chuẩn công nghiệp

PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics Standard): xác định các phương pháp chuẩn cho các mô hình thời gian thực và lập trình hướng đối tượng

OPENGL thư viện đồ họa của hãng Silicon Graphics, được xây dựng theo đúng chuẩn của một hệ đồ họa năm 1993

DIRECTX thư viện đồ hoạ của hãng Microsoft, Direct X/Direct3D 1997

1.1.3 Phần cứng đồ họa (Graphics HardWare)

1.1.3.1 Các thành phần phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác

CPU: Thực hiện các chương trình ứng dụng

Bộ xử lý hiển thị (Display Processor): thực hiện công việc hiển thị dữ liệu đồ hoạ

Bộ nhớ hệ thống (System Memory): chứa các chương trình và dữ liệu đang thực hiện

Gói phần mềm đồ hoạ (Graphics Package): cung cấp các hàm đồ hoạ cho chương trình ứng dụng

Phần mềm ứng dụng (Application Program): phần mềm đồ hoạ ứng dụng

Bộ đệm (Frame buffer): có nhiệm vụ chứa các hình ảnh hiển thị

Bộ điều khiển màn hình (Video Controller): điều khiển màn hình, chuyển

dữ liệu dạng số ở frame buffer thành các điểm sáng trên màn hình

Hình 1.4 Các thành phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác

Số lượng màu có thể vẽ trên một điểm:

bộ phận kiểm soát (Monitor) và màn hiển thị hình (Display)

Ở các màn hình thông dụng CRT (Cathode Ray Tube display) sử dụng bộ phận hiển thị dùng đèn ống phóng tia âm cực CRT(còn gọi là ống tia âm cực) là

bộ phận chính của màn hình, CRT có cấu tạo chính là một ống thuỷ tinh kín

chứa khí trơ ở áp suất thấp Một đầu ống có gắn súng điện tử (Electron gun) là cực âm (Cathode) Khi súng điện tử được đốt nóng, ở điện áp cao (khoảng

15000-:-20000V), nó sẽ phát ra chùm điện tử

Chùm điện tử sẽ chạy suốt

chiều dài ống, chịu sự điều

khiển của các mạch điện bên

ngoài và bị hút về cực dương

(Anode) ở đầu kia của ống, cuối

cùng đập mạnh lên màn hình

huỳnh quang phủ photpho tạo

ra một chấm sáng màn hiển thị hình Đối với các màn hình màu thì các chấm phát sáng này được cấu tạo bởi một bộ ba điểm màu RGB

Ngay sát màn hiển thị hình, về phía súng điện tử là một mặt nạ che

(shadow) Đó là một tấm kim loại được khoan thủng nhiều lỗ để giúp các tia

điện tử bắn vào đúng vị trí Như vậy, ba chùm tia điện tử chỉ bắn vào một điểm

phủ phot pho (bộ

ba điểm màu RGB)

Súng điện tử

Hệ điều chỉnh tiêu điểm

thị hình

Hình 1.5 Cấu tạo màn hình CRT

trên màn hiện hình Có ba súng điện tử ứng với ba màu cơ bản là Đỏ, Lục và

Xanh Lam (Red Green, Blue) Thường có hai kiểu bố trí súng điện tử: tam giác

và hàng ngang

Đối diện với súng, ở cuối đường đi của chùm tia điện tử là màn hiển thị hình Đó là một màn thủy tinh hình chữ nhật, mặt trong có quét một lớp bột Photpho còn gọi là bột huỳnh quang Ở màn hình đơn sắc, lớp photpho có một loại nên khi chùm tia điện tử đập vào chỉ phát sáng một màu Đối với màn hình màu, mặt trong màn hiển thị hình gồm nhiều bộ ba điểm màu, ba chấm photpho khác loại nên sẽ phát sáng theo ba màu khác nhau: Đỏ, Lục và Xanh lam Khi thay đổi cường độ sáng của ba màu cơ bản này sẽ làm màu tổ hợp của bộ ba điểm màu này thay đổi theo

Ta cũng cần chú ý rằng, màn hình hiển thị là một tấm thuỷ tinh có quét lớp

huỳnh quang (Photpho) bên trong nên có phản xạ các nguồn sáng bên ngoài

giống như gương soi, sẽ gây mỏi mắt nếu ta nhìn lâu

Phần tử nhỏ nhất của một hình được hiển thị là pixel hay còn gọi là điểm ảnh Ở độ nét tốt nhất, điểm ảnh trên màn hình màu là một bộ ba điểm màu photpho, mỗi điểm màu trong bộ ba này sẽ phát ra một màu khác nhau khi có tia điện tử đập vào Ở độ nét thấp,

một điểm ảnh có thể gồm vài ba

điểm ảnh Độ hội tụ (convergence)

được dùng đánh giá độ nét màn

hình, độ hội tụ kém có thể nhận

biết được khi các hình ảnh trên

màn hình có đường viền nhiều

màu sắc bao quanh

Mặt nạ che đã giúp các chùm tia điện tử hội tụ đúng chỗ Ngoài ra còn có

hệ điều chỉnh tiêu điểm (system focusing) để điều chỉnh độ hội tụ.Trong quá

trình máy tính hoạt động, chùm điện tử không đứng yên một chỗ mà được lấy từ

Hình 1.6: Súng điện tử bố trí

theo kiểu tam giác

màn hiển thị hình

trái sang phải (quét ngang) hoặc từ trên xuống dưới (quét dọc) với tốc độ quét

cực nhanh làm cho chúng ta nhìn thấy dường như toàn màn hình đang sáng lên cùng một lúc, các điểm ảnh hiện lên màu khác nhau tạo ra hình ảnh trên màn hình

Phổ biến đối với các thiết bị màn hình là lái tia bằng từ trường Thành phần

cơ bản của bộ lái tia từ trường là các nam châm điện nằm đối diện nhau ở cổ

CRT gọi là cuộn lái tia (Deflection Yoke) Khi cho các xung dòng điện răng cưa

chạy vào các cuộn dây này, trong ống sẽ hình thành các từ trường tác dụng lên chùm điện tử, làm cho chúng bị lệch hướng chuyển động Tùy loại màn hình CRT mà việc quét ngang theo các tần số dòng khác nhau, tức là số dòng quét được trong mỗi giây sẽ khác nhau Các dòng quét lần lượt được rải từ trên xuống dưới màn hình để tạo nên một mành, do tác dụng của các từ trường quét dọc Số

mành tạo nên trong mỗi giây đồng hồ gọi là tần số mành (Vertical frequency)

mành là một yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng màn hình Nếu tần số

mành dưới 70 Hz có thể gây ra hiện tượng rung giật hình (flicker) đặc biệt là

trong môi trường chiếu sáng của đèn huỳnh quang, làm nhức mắt và đau đầu cho người dùng

Độ phân giải là một chỉ tiêu rất quan trọng vì nó cho biết độ sắc nét mà một màn hiển thị hình có thể biểu

hiện được các chi tiết của hình

ảnh Thông thường độ phân

giải được biểu hiện bằng số

lượng các điểm ảnh, ví dụ: “độ

phân giải "800x600” có nghĩa

là màn hình có thể hiển thị được 800 điểm ảnh trên chiều ngang và 600 điểm ảnh theo chiều dọc

Hình 1.7 Dòng quét trong thiết bị Raster

các điểm ảnh

các điểm ảnh theo chiều ngang

Đối với màn hình CRT hoạt động ở độ phân giải cao nhất thì điểm ảnh là một cụm ba điểm photpho màu cơ bản Súng điện tử sẽ bắn tia điện tử vào đúng một điểm photpho thích hợp của nó, làm phát sáng cụm ba này với độ sáng nào đấy, tạo nên một điểm ảnh có màu chính xác Một đại lượng đo khác rất quan

trọng đối với sắc nét của màn hình là bước chấm (dot pitch) Bước chấm là

khoảng cách giữa các điểm ảnh tính theo milimét Thông thường các bước chấm của các màn hình CRT là 0,19mm; 0,28mm; 1,31mm Bước chấm càng nhỏ thì các điểm ảnh càng sít nhau và độ nét của hình càng cao Như vậy ba yếu tố quan trọng quyết định độ sắc nét của hình ảnh là: kích thước màn hình, độ phân giải

và bước chấm

1.1.3.4 Bảng tra màu LUT (Look Up Table)

Bộ điều khiển video của hệ hiển thị raster thường kèm theo bảng tra màu (LUT) Bảng tra màu có nhiều cổng vào tương ứng với nhiều điểm ảnh Mỗi giá trị của điểm ảnh không dùng để điểu khiển trực tiếp các tia điện tử mà chỉ số sang bảng tra màu Giá trị đầu của bảng dùng để điều khiển cường độ hoặc màu của màn hình Chẳng hạn, ở điểm ảnh có giá trị 33 sẽ có nội dung tương ứng trong LUT với cổng số 33 và dùng để điều khiển các tia điện tử của màn hình Hoạt động của bảng tìm kiếm này làm cho mỗi điểm ảnh hiển thị trong chu kỳ,

do đó bảng phải được nhận nhanh chóng

Trong hình 1.8 LUT ở giữa vùng nhớ đệm Vùng nhớ đệm có 8 bit cho một

Hình 1.8 biểu diển tổ chức của bảng tra màu Điểm ảnh có giá trị 33 (giá trị

nhị phân là 100110100001) được biểu diễn trên màn hình với tia hiện màu Đỏ

bằng 9/15 giá trị lớn nhất, màu Lục bằng 10/15 giá trị lớn nhất, màu Xanh da trời 1/15 giá trị lớn nhất Bảng tra màu này có 12 bit

Bảng tra màu chỉ có ý nghĩa đối với chế độ đồ họa 256 màu vì thanh ghi tối

đa của bảng tra màu là 256 Ảnh lớn hơn 256 thì màu thì giá trị màu của điểm ảnh được ánh xạ trực tiếp không thông qua bảng tra

Về màu sắc và độ tương phản, khi nhìn một vật, ta thấy nó sáng hơn vật khác là do nó phản xạ ánh sáng mạnh hơn vật khác hay cường độ ánh sáng phản

xạ trên bề mặt của nó là lớn hơn

Ở mức mã hóa một màu là 8 bits, mức độ sáng của một thành phần màu

= 256) Mỗi màu trong

máy tính là tổ hợp của 3 thành phần Red, Green, Blue, Mỗi thành phần có giá trị trong khoảng từ 0 đến 255

Ví dụ : Màu Red tuyệt đối thì có tổ hợp (255,0,0), màu Green tuyệt đối là (0,255,0), màu Blue tuyệt đối là (0,0,255) và màu trắng là (255,255,255) Như vậy độ sáng thực tế được mô phỏng trong máy tính như sau: mỗi một màu có tổ

Với mỗi điểm hiển thị, ta tính được cường độ ánh sáng tương đối của

3 thành phần màu là Red (đỏ), Green (Lục) và Blue (Xanh Lam hoặc xanh

Da Trời): IR, IG, IB

Còn nguồn sáng thì có cường độ ứng với các thành phần màu đơn sắc là

tương đối là 1

Màu Red chuẩn thì tổ hợp nguồn có cường độ tương đối là:

1.1.3.5 Sự kết nối giữa hệ thống máy tính với các thiết bị hiển thị

Để có thể cùng làm việc tập thể, theo nhóm, các máy tính (máy trạm)

được liên kết nối mạng với nhau

thành một hệ thống mạng máy tính

cục bộ (LAN_Local Area Network)

qua việc điều hành và cung cấp dịch

vụ từ máy SERVER (máy phục

vụ_thông dụng còn gọi là máy chủ)

Trong nhiều năm, CAD sử dụng các

thiết bị đầu cuối kết nối với máy tính trung

tâm, trong đó tài nguyên của máy tính trung tâm thường được chia sẽ giữa các thiết bị đầu cuối Trong nhiều trường hợp, tốc độ giao tiếp các thiết bị đầu cuối

và máy tính trung tâm bị giới hạn bởi đặc tính của hệ thống, làm hạn chế khả năng tính toán của các máy tính cục bộ, ảnh hưởng tới điều khiển tương tác đồ hoạ với người sử dụng Ngày nay, phần lớn máy tính được sử dụng phân tán, trong đó mỗi một người sử dụng đầu cuối có một máy tính riêng Nó thường là

máy tính cá nhân (PC_Personal Computer), và các trạm làm việc (workstation)

có công nghệ hiển thị cao, trong đó bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU) là chính

và kho lưu trữ trợ giúp kết hợp với đơn vị hiển thị (DPU) để giải quyết với các

tính toán phức tạp trong đồ hoạ Tổ chức của một máy trạm được mô tả trong hình 1.9

Hình 1.9 : Tổ chức của một máy trạm

Các máy trạm tăng lên, các máy tính cá nhân được kết nối với nhau cho phép chuyển đổi dữ liệu, chương trình và chia sẻ các thiết bị ngoại vi qua mạng, như trong hình 1.10

Một trạm làm việc đơn không phải lúc nào cũng phù hợp với tất các công việc của CAD Người sử dụng có thể muốn làm việc trên máy tính lớn cho các việc phân tích tính toán các bài toán lớn và biểu diễn kết quả tại máy trạm Như vậy, mạng có thể có các máy tính lớn cung cấp tài nguyên lưu trữ và khả năng tính toán cho các máy qua trạm khác Để đáp ứng cho công việc này, mô hình

máy trạm - máy chủ (client-server) được phát triển trong đó tiến trình máy chủ (server process) cung cấp một vài dịch vụ cho các tiến trình máy trạm riêng (client process) Chẳng hạn trong đồ hoạ máy tính, một tiến trình máy chủ có thể

biểu diễn ảnh và xử lý các tương tác thay cho máy trạm Máy trạm và máy chủ

có thể là hai tiến trình thực hiện trên cùng một trạm làm việc hoặc thực hiện trên các máy tính khác nhau trong cùng một mạng Tiến trình máy chủ nhận được

các thông báo hoặc yêu cầu (request) từ các tiến trình máy trạm qua mạng, sau

đó gửi lại các thông báo mô tả sự kiện hoặc kết quả (events 0, chẳng hạn, là kết

quả từ tương tác người sử dụng tới máy trạm)

Hình 1.10 Nối kết mạng cục bộ

(LAN)

Một khối lượng thông tin rất lớn được gửi đi qua mạng và khó khăn ở đây

là làm sao đồng bộ hoá giữa biểu diễn và tương tác người sử dụng theo thời gian

thực (real-time) Đây cũng là yêu cầu cho một phương thức làm việc chuẩn

trong các ứng dụng của một hệ thống thông tin có nhiều trạm làm việc

Trong tương lai các trạm làm việc sẽ được phát triển để tăng khả năng xử lý

và hiển thị Như vậy các hàm đồ thị có thể thực hiện với thời gian thực ngay cả với những mô hình phức tạp Một hướng phát triển khác là tăng độ phân giải của màn hình để giải quyết những hạn chế của các thiết bị hiển thị hiện tại với kỹ thuật hiển thị bản vẽ truyền thống Một khuynh hướng nữa là phát triển khả năng hiển thị các hình ảnh 3 chiều theo thời gian thực để có thể mô tả một thế giới

thực nhưng lại “ảo”, có thể gọi tắt là “Thực tại-Ảo”

Hiện tại những thiết bị đó được phát triển hoặc sử dụng các ảnh với màu khác nhau, hoặc mặt phẳng phân cực được nhìn qua loại kính đặc biệt, hoặc sử dụng gương rung để tạo ra hình ảnh 3 chiều bằng cách thay đổi tiêu điểm v.v

thật là một lĩnh vực kỳ thú cần được tiếp tục quan tâm khám phá

1.2 Hiển thị hình ảnh 3D

1.2.1 Nguyên lý về 3D (three-Dimension)

Đồ họa 3 chiều (3D computer graphics) bao gồm việc bổ xung kích thước

về chiều sâu của đối tượng, cho phép ta biểu diễn chúng trong thế giới thực một cách chính xác và sinh động hơn [4]

Tuy nhiên các thiết bị truy xuất hiện tại đều là 2 chiều, Do vậy việc biểu diễn được thực thi thông qua phép tô chát (render) để gây ảo giác (illusion) về

độ sâu

Đồ hoạ 3D là việc chuyển thế giới tự nhiên dưới dạng các mô hình biểu diễn trên các thiết bị hiển thị thông qua kỹ thuật tô chát (rendering)

1.2.2 Đặc điểm của kỹ thuật đồ hoạ 3D

Có các đối tượng phức tạp hơn các đối tượng trong không gian 2D

- Bao bởi các mặt phẳng hay các bề mặt

- Có các thành phần trong và ngoài

Các phép biến đổi hình học phức tạp

Các phép biến đổi hệ toạ độ phức tạp hơn

Thường xuyên phải bổ xung thêm phép chiếu từ không gian 3D vào không gian 2D Luôn phải xác định các bề mặt hiển thị

- Kỹ thuật đánh dấu độ sâu (depth cueing)

- Nét khuất (visible line/surface identification)

- Tô chát bề mặt (surface rendering)

- Cắt lát (exploded/cutaway scenes, cross-sections)

Các thiết bị hiển thị 3D:

- Kính stereo - Stereoscopic displays*

- Màn hình 3D – Holograms

1.2.4 Tái tạo cấu trúc ba chiều từ các hình chiếu

Trong bộ môn vẽ kỹ thuật chúng ta biết rằng có thể tái tạo cấu trúc ba chiều của các vật thể nếu chúng ta biết một số hình chiếu của vật thể đó Các chi tiết cơ khí hoặc xây dựng nói chung đều có thể được tái tạo nếu chúng ta

có ba hình chiếu: trước, sau và ngang và một số mặt cắt phụ

Tuy nhiên với một số cấu trúc như mô thì như vậy là chưa đủ vì ngoài hình dạng chúng ta cần biết các thông tin trong cấu trúc của mô để phục vụ cho chuẩn đoán Ngoài ra các mô thường nằm bên trong cơ thể Khi đó chúng ta cần thực hiện các biện pháp lấy mẫu

Quá trình lấy mẫu thông thường là dùng các thiết bị để thu thông tin bên trong v ật thể dưới dạng các lát cắt 2D Các tập ảnh 2D gồm một số dạng: các

ảnh cắt lớp song song (parallel, serial, translation), các ảnh cắt lớp xuyên tâm (oscillation, rotation), các ảnh cắt lớp tự do (freehand) Ảnh cắt lớp song song thường do các hệ thống máy CT, MRI, siêu âm…tạo ra, đây cũng là dạng thường gặp nhất Ảnh cắt lớp xuyên tâm thường do máy siêu âm tạo ra Ảnh cắt lớp theo kiểu tự do thường gặp ở các hệ thống siêu âm Các ảnh 2D trong tái tạo ảnh nổi là một dạng khác, đây là các hình chiếu thu được từ các cảm biến hoặc các camera đặt xung quanh vật thể

Nguyên tắc chung của quá trình tái tạo ảnh ba chiều từ các tập ảnh cắt lớp

là tìm cách sắp xếp lại các dữ liệu từ các lát cắt sao cho phù hợp với vị trí không gian thực tế của chúng, sau đó dùng đồ họa máy tính để biểu diễn thành các hình ảnh Ví dụ với các lát cắt song song ta sẽ sắp xếp các lát cắt này song song với nhau như xếp các đĩa CD trên giá Với các lát cắt tự do thì việc sắp xếp khá phức tạp, chúng ta cần các cảm biến vị trí không gian tại các đầu dò

để xác định chính xác vị trí của lát cắt

Trong phương pháp tái tạo nổi ta lại tìm cách xác định vị trí không gian của các điểm ba chiều từ các hình chiếu của nó trên các ảnh 2D Số hình chiếu phải từ 2 trở lên

Chương 2

KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU

2.1 Biểu diễn bề mặt (surface rendering – SR)

Mắt người có thể hình dung ra vật thể nếu chúng ta biểu diễn được một

số mặt của vật thể đó Có nhiều kĩ thuật SR tuy nhiên phổ biến nhất trong ảnh y

tế là phương pháp isosurface

Trong kỹ thuật này chúng ta tạo những bề mặt đi qua các điểm có cùng

giá trị vô hướng, những giá trị này trong tiếng Anh isosurface value Điều này

rất có ý nghĩa đối với ảnh y tế vì các ảnh y tế thường là các ảnh đa mức xám Trên các ảnh cắt lớp các mô cùng loại được thể hiện với cùng một độ xám (gray level) Dùng kĩ thuật này chúng ta có thể tái tạo lại bề mặt của các mô

Ví dụ chúng ta có thể tái tạo hình ảnh của xương sọ hay hình ảnh các mạch

máu não từ các ảnh cắt lớp đầu Các isosurface thường được tô cùng một

màu để dễ theo dõi

Có nhiều thuật toán khác nhau để tạo bề mặt từ các điểm dữ liệu rời rạc

Trong đó chia ra làm hai loại là tạo bề mặt từ các đ ường viền và tạo bề mặt từ

dữ liệu khối[23]

Hình 2.1 Hình ảnh 3D được biểu diễn theo phương pháp SR

- Tạo bề mặt từ các đường viền (contour based data):

Để tạo bề mặt từ các đường viền cần hai bước: trích biên và tái tạo bề mặt + Trích biên: Dùng các thuật toán trích biên để tạo các đường biên trên

mỗi lát cắt Việc trích biên có thể thực hiện tự động hoặc thực hiện thủ công

Nếu thực hiện tự động ng ười ta dùng một số thuật toán trích biên như LOG của Marr và Canny, thuật toán Snake model của Terzopoulos , thuật toán balloon

model của Cohen, thuật toán Level Set của Leventon,…Với các dữ liệu có cấu

trúc như các ảnh cắt lớp ta có thể dùng thuật toán Marching Square

+ Marching Square: Sử dụng cho dữ liệu dạng lưới 2 chiều Ý tưởng

của phương pháp này là tạo ra một đường cong mô tả cho một giá trị vô hướng trong lưới dữ liệu, giá trị này gọi là isovalue

Hình 2.2 Minh họa thuật toán Marching square

Đường cong mô tả giá trị 5 trong lưới dữ liệu

Đường nối giữa hai cạnh của một ô của lưới (cell) trong phương pháp này là đường thẳng Giao điểm của đường nối này với các cạnh được tính bằng nội suy tuyến tính từ các giá trị ở các đỉnh nằm trên cạnh đó Ta giả sử các đỉnh của ô sẽ nằm trong đường nối nếu giá trị tại đó lớn hơn giá trị isovalue và nằm ngoài nếu nhỏ hơn Có 24 = 16 cách tạo ra các đường này

Hình 2.3 16 trường hợp Marching Square