Bài giảng cơ sở đồ họa máy tính phần 1

Cuốn tài liệu giảng dạy này muốn cung cấp cho bạn đọc các cơ sở lý thuyết về đồ họa máy tính từ đơn giản nhất như các khái niệm đồ họa máy tính, các thành phần cơ bản, các ứng dụng phổ b

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

BỘ MÔN TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN

BÀI GIẢNG

CƠ SỞ ĐỒ HỌA MÁY TÍNH

Thông tin môn học

Số tiết lý thuyết : 24

Số tiết thực hành : 0

Số tiết thảo luận : 12

Ngành đào tạo : Công nghệ truyền thông,

Thiết kế đồ họa

Thái Nguyên, 2015

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HỌA MÁY TÍNH 6

1.1 Tổng quan 6

1.1.1 Giới thiệu 6

1.1.2 Lịch sử phát triển của đồ họa máy tính 7

1.1.3 Phân loại của đồ họa máy tính 8

1.2 Các hệ tọa độ 10

1.2.1 Hệ tọa độ thế giới thực 10

1.2.2 Hệ tọa độ thiết bị 11

1.2.3 Hệ tọa độ thiết bị chuẩn 12

1.2.4 Hệ tọa độ ba chiều 12

1.3 Các thành phần của một hệ đồ họa 13

1.3.1 Phần cứng 13

1.3.2 Phần mềm 18

1.4 Một số ứng dụng của đồ họa máy tính 18

1.4.1 Hỗ trợ thiết kế 18

1.4.2 Biểu diễn thông tin 19

1.4.3 Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật 20

1.4.4 Giáo dục và đào tạo 20

1.4.5 Giao tiếp giữa máy tính và người dùng 20

CHƯƠNG 2: MÀU SẮC TRONG ĐỒ HỌA 22

2.1 Ánh sáng và màu sắc 22

2.1.1 Quan niệm về ánh sáng và màu sắc 22

2.1.2 Yếu tố vật lý 22

2.2 Các mô hình màu 27

2.2.1 Mô hình màu RGB 28

2.2.2 Mô hình màu CMY 32

2.2.3 Mô hình màu HSV 37

2.2.4 Mô hình màu HLS 39

2.2.5 Mô hình màu YIQ 40

2.3 Các thuật toán tô màu 42

2.3.1 Tô màu đơn giản 42

2.3.2 Tô màu theo dòng quét 45

2.3.3 Tô màu theo đường biên 46

CHƯƠNG 3: ĐỒ HỌA HAI CHIỀU 48

3.1 Đồ họa Raster 48

3.1.1 Giới thiệu về đồ họa Raster 48

3.1.2 Cấu trúc dữ liệu Raster 51

3.1.3 Các định dạng ảnh Raster 51

3.2 Đồ họa vector 53

3.2.1 Giới thiệu đồ họa vector 53

3.2.2 Cấu trúc dữ liệu vector 54

3.2.3 Các định dạng ảnh vector 54

3.2.4 Các ứng dụng của đồ họa vector 55

3.2.5 Sự chuyển đổi giữa Raster và Vector 55

3.3 Nguyên lý xây dựng hệ thống giao tiếp bằng đồ họa 56

3.3.1 Sắp xếp các điều khiển và hiển thị 56

3.3.2 Môi trường vật lý của tương tác 57

3.3.3 Các vấn đề về sức khỏe 58

3.3.4 Sử dụng màu sắc 59

3.4 Một số phong cách giao diện đồ họa 60

3.4.1 Giao diện dòng lệnh 60

3.4.2 Menu 61

3.4.3 Ngôn ngữ tự nhiên 62

3.4.4 Đối thoại truy vấn và đối thoại kiểu hỏi /trả lời 62

3.4.5 Form –fill và bảng tính 63

3.4.6 WIMP 63

3.4.7 Point và click 64

CHƯƠNG 4: ĐỒ HỌA BA CHIỀU 65

4.1 Giới thiệu về đồ họa 3 chiều 65

4.2 Tổng quan các hiệu ứng 3D 67

4.3 Ứng dụng của đồ họa 3D 72

4.4 Quy trình hiển thị đối tượng 3 chiều 74

4.5 Các phép chiếu 75

4.5.1 Phép chiếu song song 78

4.5.2 Phép chiếu phối cảnh 80

Đồ họa máy tính là một trong những lĩnh vực lí thú nhất và phát triển nhanh nhất của tin học Ngay từ khi xuất hiện, đồ họa máy tính đã có sức lôi cuốn mãnh liệt, cuốn hút rất nhiều người ở nhiều lĩnh vực khác nhau như khoa học, nghệ thuật, kinh doanh, quản lý, Tính hấp dẫn và đa dạng của đồ họa máy tính có thể được minh họa rất trực quan thông qua việc khảo sát các ứng dụng của nó

Cuốn tài liệu giảng dạy này muốn cung cấp cho bạn đọc các cơ sở lý thuyết về đồ họa máy tính từ đơn giản nhất như các khái niệm đồ họa máy tính, các thành phần cơ bản, các ứng dụng phổ biến… Tiếp đến làm quen với thế giới màu sắc thông qua các

hệ màu: RGB, CMYK, HSV… Chúng ta lần lượt làm quen với lý thuyết đồ họa 2 chiều, một số công cụ phổ biến hỗ trợ xử lý đồ họa 2 chiều, các nguyên lý xây dựng hệ thống giao tiếp bằng đồ họa… Phức tạp hơn nữa là cơ sở lý thuyết đồ họa 3D

Tài liệu gồm có bốn chương, trong đó chương một giúp bạn có cái nhìn tổng quan

về kỹ thuật đồ họa từ trước đến giờ cùng định hướng tương lai cho lĩnh vực này Các chương tiếp theo, mỗi chương sẽ là một vấn đề từ đơn giản đến phức tạp Bố cục rõ ràng, hình ảnh phong phú, đa dạng, phù hợp với nội dung kiến thức môn học

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HỌA MÁY TÍNH 1.1 Tổng quan

1.1.1 Giới thiệu

Đồ họa máy tính bao gồm tất cả những gì liên quan đến việc sử dụng máy tính

để phát sinh ra hình ảnh Các vấn đề liên quan đến công việc này bao gồm: tạo lưu trữ, thao tác trên các mô hình và hình 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, người lập trình ứng dụng

đồ họa và các chương trình ứng dụng tạo ảnh bằng máy tính

Đồ họa máy tính cung cấp một trong những phương cách tự nhiên nhất cho việc truyền đạt thông tin với 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 rất quan trọng từ năm 1980, khi các nhà nghiên cứu khoa học và các kĩ sư đã nhận ra rằng họ không 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

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

Ngày nay, hầu hết các chương trình soạn thảo, bảng tính sử dụng đồ họa trong giao diện với người dùng Sự phát triển của đồ họa máy tính ngày càng rộng rãi với các chế độ đồ họa hai chiều (2D) và ba chiều (3D) và cao hơn, nó phục vụ trong các lĩnh vực xã hội học khác nhau như khoa học, giáo dục, y học, kỹ thuật, thương mại và

giải trí Tính hấp dẫn và đa dạng của đồ họa máy tính có thể được minh họa rất trực quan thông qua việc khảo sát các ứng dụng của nó

1.1.2 Lịch sử phát triển của đồ họa máy tính

 Graphics những năm 1950-1960

- Năm 1959 thiết bị đồ họa đầu tiên là màn hình xuất hiện tại Đức

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

- Năm 1960 thuật ngữ “Đồ họa máy tính (Computer Graphics)” được đề xuất bởi

nhà khoa học người Mỹ tên là William Fetter khi ông đang nghiên cứu xây dựng mô hình buồng lái máy bay cho hãng Boeing của Mỹ Ông đã dựa trên hình ảnh ba chiều của mô hình người phi công trong buồng lái của máy bay để xây dựng nên một mô hình tối ưu cho buồng lái máy bay Phương pháp này cho phép các nhà thiết kế quan sát một cách trực quan vị trí của người lái trong khoang Ông đặt tên cho phương pháp này là đồ họa máy tính (Computer Graphics)

Màn hình là thiết bị thông dụng nhất trong hệ đồ họa, các thao tác của hầu hết các màn hình đều dựa trên thiết kế ống 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)

 Graphics năm 1960 – 1970

Năm 1963 dự án SketchPad được phát triển tại Học viện công nghệ Masachusetts (MIT) bởi Ivan Sutherland Các thành tựu thu được đã được báo cáo tại hội nghị Fall Joint Computer và đây cũng chính là sự kiện đầu tiên người ta có thể tạo mới, hiển thị

và thay đổi được dữ liệu hình ảnh trực tiếp trên màn hình máy tính thời gian thực thực Với hệ thống này, người sử dụng có thể vẽ trực tiếp các sơ đồ mạch điện lên màn hình thông qua bút sáng, chương trình sẽ phân tích và tính toán các thông số cần thiết của mạch điện do người dùng vẽ

 Graphics: năm 1970 – 1980

Raster Graphics (đồ họa điểm) Xuất hiện các chuẩn đồ họa như GKS (Graphics Kernel System): European effort ( kết quả của châu âu), Becomes ISO 2D standard

làm tăng cường khả năng giao tiếp và tái sử dụng của phần mềm cũng như các thư viện đồ họa

 Graphics : 1980 – 1990

Mục đích đặc biệt về phần cứng, thiết bị hình học đồ họa Silicon Xuất hiện các chuẩn công nghiệp: PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics Standard) xác định 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 rất thành công

- Các tiềm tàng phần cứng mới: Texture mapping (dán các ảnh của cảnh vật lên bè mặt của đối tượng), blendung (trộn màu)…

 Computer Graphics : 2000 – nay

- Ảnh hiện thực, các card đồ họa cho máy tính , game boxes và game players

- Công nghiệp điện ảnh cũng phát triển nhờ vào đồ họa máy tính : Maya

1.1.3 Phân loại của đồ họa máy tính

 Phân loại theo các lĩnh vực của đồ họa máy tính:

Hình 1.1 Phân loại đồ họa máy tính theo lĩnh vực

- Kỹ thuật xử lý ảnh(Computer Imaging): sau quá trình xử lý ảnh cho ta ảnh số của

đối tượng Trong quá trình xử lý ảnh sử dụng rất nhiều các kỹ thuật phức tạp: kỹ thuật khôi phục ảnh, kỹ thuật làm nổi ảnh, kỹ thuật xác định biên ảnh

- Kỹ thuật nhận dạng (Pattern Recognition): Từ những ảnh mẫu có sẵn ta phân

loại theo cấu trúc, hoặc theo các tiêu trí được xác định từ trước và bằng các thuật toán chọn lọc để có thể phân tích hay tổng hợp các ảnh đã cho thành một tập hợp các ảnh gốc, các ảnh gốc này được lưu trong một thư viện và căn cứ vào thư viện này ta xây dựng được các thuật giải phân tích và tổ hợp ảnh

- Kỹ thuật tổng hợp ảnh(Image Synthesis): là lĩnh vực xây dựng mô hình và hình

ảnh của các vật thể dựa trên các đối tượng và mối quan hệ giữa chúng

- Các hệ CAD/CAM (Computer Aided Design/ Computer Aided Manufacture System): kỹ thuật đồ họa tập hợp các công cụ, các kỹ thuật trợ giúp cho thiết kế

các chi tiết và các hệ thống khác nhau: hệ thống cơ, hệ thống điện, hệ thống điện

tử …

- Đồ họa minh họa (Presentation Graphics): gồm các công cụ giúp hiển thị các số

liệu thí nghiệm một cách trực quan, dựa trên các mẫu đồ thị hoặc các thuật toán

có sẵn

- Đồ họa hoạt hình và nghệ thuật: bao gồm các công cụ giúp cho các họa sĩ, các

nhà thiết kế phim hoạt hình chuyên nghiệp làm các kỹ xảo hoạt hình, vẽ tranh …

Ví dụ: phần mềm 3D Studio, 3D Animation, 3D Studio Max

 Phân loại theo hệ tọa độ

Hình 1.2 Phân loại đồ họa máy tính theo hệ tọa độ

- Kỹ thuật đồ họa hai chiều: là kỹ thuật đồ họa máy tính sử dụng hệ tọa độ hai

chiều (hệ tọa độ phẳng) để hiển thị hình ảnh đồ họa, sử dụng rất nhiều trong kỹ thuật xử lý bản đồ, đồ thị

- Kỹ thuật đồ họa ba chiều: là kỹ thuật đồ họa máy tính sử dụng hệ tọa độ ba

chiều, đòi hỏi rất nhiều tính toán và phức tạp hơn nhiều so với kỹ thuật đồ họa hai chiều

1.2 Các hệ tọa độ

Một hệ đồ họa bao gồm 3 miền như sau:

- Miền điều khiển: bao bọc toàn bộ hệ thống

- Miền thực: nằm trong miền điều khiển Khi một giá trị nằm trong miền thực, nó

sẽ được chuyển thành số thực dấu phẩy động, và khi có một số rời khỏi miền này thì nó sẽ được chuyển thành số nguyên

- Miền hiển thị: nằm trong miền điều khiển nhưng phân biệt với miền thực Chỉ có

giá trị số nguyên mới nằm trong miền hiển thị

Trong lĩnh vực kỹ thuật đồ họa, chúng ta phải hiểu được rằng thực chất của đồ họa là làm thế nào để có thể mô tả và biến đổi được các đối tượng trong thế giới thực trên máy tính Các đối tượng trong thế giới thực được mô tả bằng tọa độ trong miền thực Trong khi đó, các hệ tọa độ thiết bị lại sử dụng hệ toạ độ nguyên để hiển thị các hình ảnh Đây chính là vấn đề cơ bản cần giải quyết Ngoài ra, còn có một khó khăn khác nữa là với các thiết bị khác nhau thì có các đặc trưng về thông số kỹ thuật khác nhau Do đó, cần có một phương pháp chuyển đổi tương ứng giữa các hệ tọa độ và đối tượng để có thể mô tả gần đúng với hình ảnh thực bên ngoài

Hai mô hình cơ bản của ứng dụng đồ họa là dựa trên mẫu số hóa và dựa trên đặc trưng hình học Trong ứng dụng đồ họa dựa trên mẫu số hóa thì các đối tượng đồ họa được tạo ra bởi lưới các pixel rời rạc Các pixel này có thể được tạo ra bằng các chương trình vẽ, máy quét… Các pixel này mô tả tọa độ xác định vị trí và giá trị mẫu Thuận lợi của ứng dụng này là dễ dàng thay đổi hình ảnh bằng cách thay đổi màu sắc hay vị trí của các pixel hoặc di chuyển vùng ảnh từ nơi này sang nơi khác Tuy nhiên, điều bất lợi là không thể xem xét đối tượng từ các góc nhìn khác nhau

Ứng dụng đồ họa dựa trên đặc trưng hình học bao gồm các đối tượng đồ họa cơ

sở như đoạn thẳng, đa giác, … Chúng được lưu trữ bằng các mô hình và các thuộc tính Chẳng hạn, đoạn thẳng được mô hình bằng hai điểm đầu và cuối, có thuộc tính như màu sắc, độ dày Người sử dụng không thao tác trực tiếp lên các pixel mà thao tác trên các thành phần hình học của đối tượng

1.2.1 Hệ tọa độ thế giới thực

Hệ tọa độ thực thường được dùng để mô tả các đối tượng trong thế giới thực là

hệ tọa độ Descartes Trong hệ tọa độ này, mỗi điểm P được biểu diễn bởi một cặp tọa

độ (xp , yp) với xp , yp R (xem hình 1.1)

Ví dụ: Độ phân giải của màn hình trong chế độ đồ họa là 640x480 Khi đó, x (0, 640) và y (0,480)

Hình 1.4 Hệ tọa độ thiết bị

1.2.3 Hệ tọa độ thiết bị chuẩn

Do cách định nghĩa các hệ tọa độ thiết bị khác nhau nên hình ảnh hiển thị chính xác trên thiết bị này thì chưa chắc hiển thị chính xác trên thiết bị khác Người ta xây dựng một hệ tọa độ thiết bị chuẩn đại diện chung cho tất cả các thiết bị để có thể mô tả các hình ảnh mà không phụ thuộc vào bất kỳ thiết bị nào

Trong hệ tọa độ chuẩn, các tọa độ x,y sẽ được gán các giá trị trong đoạn từ [0,1] Như vậy, vùng không gian của hệ tọa độ chuẩn chính là hình vuông đơn vị có góc trái dưới (0,0) và góc phải trên là (1,1)

Quy trình hiển thị các đối tượng thực như sau:

Hình 1.5 Quy trình hiển thị các đối tượng

1.2.4 Hệ tọa độ ba chiều

Là ba trục vuông góc với nhau từng đôi 1

 Hệ tọa độ theo qui ước bàn tay phải: để bàn tay phải sao cho ngón cái hướng theo

trục z, khi nắm tay lại các ngón tay chuyển động theo hướng từ trục x đến trục y

Hình 1.6 Hệ tọa độ bàn tay phải

 Hệ tọa độ theo qui ước bàn tay trái: để bàn trái sao cho ngón cái hướng theo trục

z, khi nắm tay lại các ngón tay chuyển động theo hướng từ trục x đến trục y

Hình 1.7 Hệ tọa độ bàn tay trái

1.3 Các thành phần của một hệ 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 trình ứng dụng đồ họa Chúng ta sẽ lần lượt khảo sát các thành phần này

các cách là: lặp đi lặp lại nhiều lần việc vẽ lại ảnh thật nhanh bằng cách hướng các tia điện tử trở lại ví trí cũ Gọi là làm tươi (refresh CRT)

Số lượng tối đa các điểm có thể hiển thị trên một CRT được gọi là độ phân giải (Resolution) Hay độ phân giải là số lượng các điểm trên một cm mà có thể được vẽ theo chiều ngang và chiều dọc (được xem như tổng số điểm theo mỗi hướng)

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

Màn hình dạng điểm (Raster Display): thường gặp nhất trong số các dạng màn hình sử dụng CRT trên công nghệ truyền hình Mỗi điểm trên màn hình được gọi là pixel Các thông tin về 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 lưu trữ tập các giá trị cường độ sáng của toàn bộ các điểm trên màn hình và luôn tồn tại một cách song ánh giữa mỗi điểm trên màn hình và mỗi phần tử trong vùng này

Để tạo ra hình ảnh đen trắng, đơn giản chỉ cần lưu thông tin của mỗi Pixel là một bít (0,1) Trong trường hợp ảnh nhiều màu thì cần nhiều bít hơn, nếu thông tin mỗi pixel được lưu bằng b bít thì ta có thể có 2b giá trị mầu phân biệt cho pixel đó

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 được định nghĩa một bộ ba giá trị (RGB) 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, số phần tử trong bảng LUT chính là số màu có thể được hiển thị cùng một lúc trên màn hình

Ví dụ mô hình đồ hoạ điểm ngôi nhà và ngôi sao

Việc làm tươi trên màn hình dạng này được thực hiện ở tốc độ 60 – 80 frame/giây Đôi khi tốc độ làm tươi còn được biểu diễn bằng đơn vị Hertz (Hz – số chu kỳ/giây), trong đó một chu kỳ tương ứng với một frame Vậy tốc độ làm tươi 60 frame/giây đơn giản là 60 Hz 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 về bên trái màn hình sau khi làm tươi mỗi dòng quét được gọi là tia hồi ngang Và tới cuối mỗi frame, tia điện tử (tia hổi dọc – vertical retrace) quay trở lại góc bên trái của màn hình để chuẩn bị bắt đầu frame kế tiếp

 Màn hình tinh thể lỏng (Liquid Crystal Display – LCD)

Dựa vào công nghệ truyền ánh sáng qua điện cực mà đặt giữa là cuộn dây xoắn Khi chưa có từ trường (chưa có dòng điện) ở cuộn dây thì ánh sáng truyền thẳng, khi

có từ trường thì ánh sáng truyền đổi chiều

Hình 1.11 Công nghệ truyền ánh sáng trong màn hình tinh thể lỏng

CRT Displays (màn hình CRT)

- Đáp ứng nhanh (có độ phân giải cao)

- Màu sắc đa dạng (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

- Lớn và nặng (typ 70x70 cm, 15 kg)

- Tiêu tốn nguồn điện cao (typ 140W)

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

- Tiêu tốn nguồn thấp (typ 1/4 of CRT)

- Màn hình phẳng tuyệt đối nên không

méo tại các góc

- Màu sắc đều, ảnh sinh động

- Không bị hiệu ứng điện từ trường

- Có thể màn hình vừa lớn vừa rộng

(>20 inch)

- Giá thành cao (presently 3x CRT)

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

- độ tương phản thấp (typ 1:100)

- độ chói (độ ngời) thấp hơn (typ

200 cd/m2)

b Thiết bị nhập

 Bàn phím: Xuất hiện trong hầu hết các máy tính, nó là thiết bị để nhập dữ liệu dạng văn bản và số Đây là loại thiết bị quen thuộc nhất với người sử dụng tuy có hạn chế là tương tác không cao

 Chuột: Cùng với sự xuất hiện của các ứng dụng đồ họa tương tác cao, chuột là thiết bị nhập ngày càng quen thuộc với người sử dụng Người ta dùng chuột để trỏ và chọn các chức năng phù hợp với yêu cầu của mình Bằng cách này, giao tiếp giữa người dùng và máy tính ngày càng thân thiện và dễ dàng hơn Ngoài ra chúng ta cũng có một số thiết bị nhập khác cùng họ với chuột như track ball,…

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 cho những 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 Photoshop, AutoCAD, 3DSMax,…

1.4 Một số ứng dụng của đồ họa máy tính

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 và phát triển liên tục, sau đây là một số ứng dụng tiêu biểu:

1.4.1 Hỗ trợ thiết kế

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 đổi của 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 bề mặt sẽ được kết hợp để tạo ra kết quả cuối cùng rất gần với thế giới thực

Hình 1.12 Phác thảo phần khung và kết quả của thiết kế xý ảnh

1.4.2 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 họa mối quan hệ giữa nhiều đối tượng với nhau Các ứng dụng này thường được dùng để tóm lược các dữ liệu về tài chính, thống kê, kinh tế, khoa học, toán học, … giúp cho việc nghiên cứu, quản lí, … một cách có hiệu quả

Hình 1.13 Thông tin tóm lược được biểu diễn qua các biểu đồ

1.4.3 Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật

Trong lĩnh vực nghệ thuật, các chương trình máy tính như Paint Shop Pro, Adobe Photoshop, 3D Studio, … hỗ trợ rất đắc lực cho các họa sĩ, các nhà tạo mẫu trong việc thiết kế các hình ảnh sống động, và rất thực Với các chương trình này, người họa sĩ được máy tính tạo cho cảm giác y như đang làm việc ngoài đời thực bằng cách cung cấp các công cụ như khung vẽ, giá vẽ, bảng pha màu, các hiệu ứng ba chiều,

… làm cho họ cảm thấy rất thoải mái và tiện lợi

Ngoài ra đồ họa máy tính còn giúp tạo ra các chương trình trò chơi, giải trí; hỗ trợ cho các kĩ xảo điện 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), …

1.4.4 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 phi công, điều khiển giao thông, …

1.4.5 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 cuộc cách mạng mang lại sự thuận tiện và thoải mái cho người dùng ứng dụng Các ứng dụng dựa trên hệ điều hành MS Windows là một minh họa rất trực quan của giao diện đồ họa Các chức năng của các ứng 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 thông qua biểu tượng máy in, … Để chọn các chức năng, người dùng sử dụng chuột trỏ đến

và nhấn vào các biểu tượng tương ứng Điểm thuận lợi chính khi dùng biểu tượng là kích thước không gian mà nó chiếm ít hơn nhiều so với dùng văn bản để mô tả cho cùng một chức năng, ngoài ra việc nắm bắt các chức 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 nhiều cửa sổ với nhiều dạng tài liệu khác nhau cùng một lúc

Đồ họa máy tính được ứng dụng trong việc xử lý các hình ảnh y tế hoặc ứng dụng trong việc mô phỏng, chuẩn đoán bằng hình ảnh trong y tế

Hình 1.14 Ứng dụng của đồ họa trong y tế

CHƯƠNG 2: MÀU SẮC TRONG ĐỒ HỌA 2.1 Ánh sáng và màu sắc

2.1.1 Quan niệm về ánh sáng và màu sắc

- Ánh sáng đem đến sự sống cho con người

- Ánh sáng đem đến màu sắc cho con người

Màu sắc là cảm giác mà nó xảy ra khi có năng lượng của ánh sáng, xuất hiện trên võng mạc và nhận biết được nhờ não

Nguyên tắc của ánh sáng dựa trên hai góc độ:

 Vật lý – physics

 Sinh lý – Physiology

Trước hết, hãy xem xét vì sao chúng ta nhìn thấy (hay “cảm thấy”) màu sắc: Ánh sáng chiếu vào vật, vật sẽ hấp thụ một số màu trong ánh sáng đó và thải ra các màu còn lại, phần còn lại này nếu đi vào mắt thì chúng ta sẽ nhìn thấy được vật

Ví dụ: giả sử ta đang nhìn vào một trái banh màu đỏ được đặt ngoài trời dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên Tại sao chúng ta có thể nhìn thấy được trái banh đó và cảm nhận được màu “đỏ” của trái banh đó? Lý do như sau: Ánh sáng mặt trời (bao gồm đầy đủ tất cả các màu như trong bảy sắc cầu vòng) chiếu vào trái banh Trái banh sẽ hấp thụ tất cả các màu trong ánh sáng mặt trời ngoại trừ màu đỏ Màu đỏ này đi vào mắt chúng ta, và chúng ta thấy được trái banh đỏ

 Ánh sáng giúp chúng ta nhìn thấy vật thể như thế nào?

Ánh sáng xuất phát từ một nguồn sáng nào đó và chiếu đến bề mặt vật thể Bề mặt vật thể sẽ phản xạ lại ánh sáng này, ánh sáng phản xạ nếu đi vào mắt sẽ khiến chúng ta thấy được vật

Ta có sơ đồ sau: Nguồn sáng -> Bề mặt -> Mắt

Ánh sáng trong đồ họa 3D đóng vai trò khá quan trọng Và đặc biệt nó là thành phần không thể thiếu để tạo ra bóng

2.1.2 Yếu tố vật lý

Ánh sáng là từ phổ thông dùng để chỉ các bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường (khoảng 400 nm đến 700 nm)

Ánh sáng do mặt trời tạo ra còn gọi là ánh nắng (hay là ánh sáng trắng bao gồm nhiều ánh sáng đơn sắc biến thiên liên tục từ đỏ đến tím); ánh sáng Mặt Trăng mà chúng ta thấy được gọi là ánh trăng (thực tế là ánh sáng do mặt trời chiếu tới mặt trăng phản xạ đi tới mắt người); do đèn tạo ra còn được gọi là ánh đèn; do các loài vật phát

ra gọi là ánh sáng sinh học

Ánh sáng phụ thuộc vào mức năng lượng được truyền hay bước sóng của ánh sáng Ánh sáng trắng hay dải sóng mà mắt người có thể cảm nhận được, sau khi phân tích qua lăng kính thành các phổ màu: tím, chàm, lam, lục, vàng, da cam, đỏ … Ánh sáng là sóng điện từ có bước sóng λ đi từ 400nm – 700nm

Hình 2.1 Tần số, màu sắc và bước sóng của ánh sáng nhìn thấy

Tổng năng lượng đặc trưng cho từng loại bước sóng được biểu diễn bằng hàm phân bổ năng lượng phổ P(λ)

Nguyên lý pha màu với các sắc màu cơ bản là đỏ, lục, lam (Red, Green, Blue) Theo nguyên lý ba màu này, một màu bất kỳ đều có thể được tạo ra từ ba màu cơ bản

Định nghĩa màu sắc: Trong lĩnh vực công nghệ thông tin: Không có định

nghĩa màu một cách hình thức Màu có thể được hiểu là phân bổ bước sóng  (red: 400nm, violet: 700nm) hay tần số f của sóng điện từ Hay màu là thuộc tính quan sát