Bài giảng Đồ họa hiện thực ảo - Lesson 1: Kỹ thuật đồ họa và Hiện thực ảo cung cấp cho người học các kiến thức: Các khái niệm tổng quan của kỹ thuật đồ hoạ máy tính; các kỹ thuật đồ họa, phân loại các lĩnh vực của kỹ thuật đồ họa,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Trang 1(c) SE/FIT/HUT 2002
Lesson 1:
Kỹ thuật đồ họa và Hiện thực ảo
Computer Graphics And Virtual Reality
Le Tan Hung
hunglt@it-hut.edu.vn
(c) SE/FIT/HUT 2003 2
Tổng quan về kỹ thuật đồ hoạ
Các khái niệm tổng quan của kỹ thuật đồ hoạ máy tính
Các kỹ thuật đồ hoạ
Phân loại các lĩnh vực của kỹ thuật đồ hoạ
Hệ đồ họa tương tác (interactive)
Phần cứng đồ hoạ (Graphics Hardware)
(c) SE/FIT/HUT 2003 3
A Brief History of Computer
Graphics
1885 - CRT (Cathode Ray Tube)
1887 - Edison patents motion picture camera
record motion picture photos
on a wax cylinder
(c) SE/FIT/HUT 2003 4
A Brief History of Computer Graphics
invents the television.
30 line vertical,
black and red scan
(c) SE/FIT/HUT 2003 5
A Brief History of Computer
Graphics
1963
One of the First General
Purpose Mainframes
(c) SE/FIT/HUT 2003 6
A Brief History of Computer Graphics
1966
Odyssey Pinball
Trang 2(c) SE/FIT/HUT 2003 7
A Brief History of Computer
Graphics
1967
simulator for NASA
(c) SE/FIT/HUT 2003 8
A Brief History of Computer Graphics
1968
In "Permutations," (1968) he delineates a marvellous and exciting new world One senses a choreographer The movements are reminiscent of traditional ballet The shapes follow the dictates of formal geometry more than those of abstract painting Movement is three-dimensional and the ambition for a more polished three-dimensional shaded space is apparent
(c) SE/FIT/HUT 2003 9
A Brief History of Computer
Graphics
1973
Michael Crichton’s
“Westworld” uses 2D graphics
First time computer is used for image
manipulation
Featured scenes that showed
audiences the world viewed by the
eye circuitry of a synthetic human
(played by a very real Yul Brenner) in
a future Western theme park This
effect was achieved with 2D
computer graphics tools mostly
derived from image processing
techniques
(c) SE/FIT/HUT 2003 10
A Brief History of Computer Graphics
1974
1975
Mandelbrot plots fractals
A Brief History of Computer
Graphics
1976
Apple.
1977
and Sciences introduces Visual
Effects category for Oscars.
A Brief History of Computer Graphics
1977
Star Wars wins oscar for
special effects.
1978
• Superman wins oscar for special effects.
Trang 3(c) SE/FIT/HUT 2003 13
A Brief History of Computer
Graphics
1979
Alien wins oscar for visual
effects.
1980
•The Empire Strikes Back wins oscar for visual effects.
(c) SE/FIT/HUT 2003 14
A Brief History of Computer Graphics
1980
live action film with over
20 mins of computer animations.
releases the HDD for PCs
(c) SE/FIT/HUT 2003 15
A Brief History of Computer
Graphics
1981 IBM introduces the first IBM PC (16 bit
8088 chip)
• Raiders of the
Lost Ark wins
an oscar for
visual effects.
(c) SE/FIT/HUT 2003 16
A Brief History of Computer Graphics
1982
for Startrek II is the first all computer animated visual effects shot for film.
(c) SE/FIT/HUT 2003 17
A Brief History of Computer
Graphics
1983
First Coke Polar Bears
Commercial
(c) SE/FIT/HUT 2003 18
A Brief History of Computer Graphics
1985
first live action feature film with realistic computer animation of highly detailed models.
Trang 4(c) SE/FIT/HUT 2003 19
A Brief History of Computer
Graphics
1989
The Abyss is the first
movie to include
convincing 3D character
animation.
(c) SE/FIT/HUT 2003 20
A Brief History of Computer Graphics
1990
1993
Myst 1994
(c) SE/FIT/HUT 2003 21
A Brief History of Computer
Graphics
1995
Id Software
the first fully 3D
computer animation
feature film.
(c) SE/FIT/HUT 2003 22
A Brief History of Computer Graphics
1996
wins oscar for visual effects.
A Brief History of Computer
Graphics
1997
Titanic wins oscar
for visual effects
for best short film:
Geri’s Game.
A Brief History of Computer Graphics
1998
1999
Trang 5(c) SE/FIT/HUT 2003 25
A Brief History of Computer
Graphics
2000
Sony Playstation II
Walking with Dinosaurs
Disney’s Shrek
2002 Microsoft’s XBOX
(c) SE/FIT/HUT 2003 26
Kỹ thuật đồ họa vi tính.
Computer Graphics (Kỹ thuật đồ hoạ máy tính)
Computer graphics deals with all aspects of
creating images with a computer
model –
Interactive Computer Graphics:
(c) SE/FIT/HUT 2003 27
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:
Phương pháp để tạo ra các pixel
(c) SE/FIT/HUT 2003
Bitmap
lines,areas,
SRGP library
Pascal / C program
X Window
Image
image formats, compression, transfer
graphics algorithms colour
positions
(c) SE/FIT/HUT 2003 29
Graphical
Model
Rendering
Output Device
Rendering Parameters
Kỹ thuật đồ hoạ vector
model + rendering
(c) SE/FIT/HUT 2003 30
Ví dụ về hình ảnh đồ hoạ Vector
Trang 6(c) SE/FIT/HUT 2003 31
Muscle Model Wireframe Model Skeletal Model
Skin Hair Render and Touch up
â Walt Disney and TSL
(c) SE/FIT/HUT 2003 32
Raster and Vector Graphics
Raster
Hỡnh ảnh và mụ hỡnh của cỏc vật thể được biểu diễn bởi tập hợp cỏc điểm của grid
Thay đổi thuộc tớnh của cỏc pixel => thay đổi từng phần và từng vựng của hỡnh ảnh
Copy được cỏc pixel từ một hỡnh ảnh này sang hỡnh ảnh khỏc
Vector
Khụng thay đổi thuộc tớnh của từng điểm trực tiếp
Xử lý với từng thành phần hỡnh học cơ sở của nú và thực hiện quỏ trỡnh tụ trỏt và hiển thị lại
Quan sỏt hỡnh ảnh và mụ hỡnh của hỡnh ảnh và sự vật ở nhiều gúc
độ khỏc nhau bằng cỏch thay đổi điểm nhỡn và gúc nhỡn
(c) SE/FIT/HUT 2003 33
Phõn loại cỏc lĩnh vực của
Computer Graphics
Kỹ thuật phân tích và tạo ảnh
Đồ hoạ hoạt hình và nghệ thuật
Kỹ thuật nhận dạng
Xử lý ảnh
Đồ hoạ minh hoạ CAD/CAM System
Kỹ thuật đồ
hoạ
Kiến tạo đồ hoạ
Xử lý đồ hoạ
(c) SE/FIT/HUT 2003 34
Phõn loại theo hệ toạ độ
Kỹ thuật đồ hoạ
Kỹ thuật đồ hoạ 2 chiều
Kỹ thuật đồ hoạ ba chiều
Phõn loại theo chức năng
attempt to provide meaning to computer) images.
Cỏc ứng dụng tiờu biểu của kỹ thuật đồ họa
Xõy dựng giao diện người dựng (User Interface)
Tạo cỏc biểu đồ trong thương mại, khoa học, kỹ thuật
Tự động hoỏ văn phũng và chế bản điện tử
Thiết kế với sự trợ giỳp của mỏy tớnh (CAD_CAM)
Lĩnh vực giải trớ, nghệ thuật và mụ phỏng
Điều khiển cỏc quỏ trỡnh sản xuất (Process Control)
Lĩnh vực bản đồ (Cartography)
Trang 7(c) SE/FIT/HUT 2003 37 (c) SE/FIT/HUT 2003 38
(c) SE/FIT/HUT 2003 39
CAD-CAM application
(c) SE/FIT/HUT 2003 40
Hệ đồ họa tương tác
Mô hình hệ đồ hoạ tương tác
Các thành phần của hệ đồ hoạ tương tác
Bộ xử lý tương tác với người sử dụng
Các chuẩn của hệ đồ hoạ
(c) SE/FIT/HUT 2003 41
concerned with:
- hardware
- how to display
(rasterization)
concerned with:
- modeling
- modeling transf
- color models
- material property
- lighting property
G U I
MODELING RENDERING DISPLAYING
what is
a table, a car, •
• •
( to describe)
to the computer
Geometric Engine
(to capture)
the description create 2D image from 2D / 3D models
Rendering Engine
generate image on screen
(to show)
the image
Raster & Display Engine
concerned with :
- viewing & projection
- drawing & clipping
primitives
- local illumination &
shading
- texture mapping
Th ành phần trong chức năng của
kỹ thuật đồ hoạ
(c) SE/FIT/HUT 2003 42
Application Data Structure
Application Program
Graphics System
Computer Graphics Devices
Trang 8(c) SE/FIT/HUT 2003 43
Model of RGP
Application
model Applicationprogram SRGP
Display Hardware
output pipeline
input pipeline
output primitives output attributes Canvascontrol copyPixel
Input device measures Input device control
(c) SE/FIT/HUT 2003
3D Graphics Over World Wide Web
3D Graphics Over World Wide Web
SRGP library
Pascal / C program
X Window
Image
image formats, compression, transfer
graphics algorithms colour
Drawing packages transformation
of objects
3D Graphics projections lighting,shading
lines,areas,
positions
Video WWW
Animation
WWW VRML
(c) SE/FIT/HUT 2003 45
Thành phần thư viện đồ hoạ
Các thực thể cơ sở
Điểm (pixel)
Đường thẳng (line)
Đường tròn (circle)
Đa giác (polygon) v v.
Các thuộc tính
Màu sắc (color)
Kiểu đường vẽ (line style)
Kiểu văn bản (text style)
Mẫu tô (pattern).
(c) SE/FIT/HUT 2003 46
Bộ xử lý tương tác với người sử dụng
Hệ thống đồ hoạ thông thường phải chứa một tập hợp các thủ tục (chương trình con) để xử lý với các thiết bị vào ra (I/O System)
hệ thống đồ hoạ sinh ra các thiết bị ngoại vi lôgic để tương tác giữa người sử dụng và thiết bị ngoại vi này.
Một chu trình điển hình của các chương trình ứng dụng quản lý các thiết bị ngoại vi được gọi là vòng lặp sự kiện từ thiết bị (event-driven loop )
Hệ thống đồ hoạ
Interface between application software and graphics hardware system
Consists of input subroutines and output subroutines accepting input data or
commands from a user and converting internal representations into external
pictures on screen, respectively
Phần mềm đồ hoạ hệ thống:
Là tập hợp các lệnh đồ hoạ của hệ thống (graphics output commands),
Thực hiện công việc hiển thị cái gì (what object) và chúng sẽ được hiển thị như
thế nào (how)
Phần mềm đồ hoạ hệ thống là phần mềm xây dựng trên cơ sở một thể loại phần
cứng nhất định và phụ thuộc vào phần cứng
Phần cứng đồ hoạ:
Là tập hợp các thiết bị điện tử (CPU, bộ nhớ màn hình) giúp cho việc thực hiện
các phần mềm đồ hoạ
Application program Graphics system
Graphics hardware
Input and output devices
Core, GKS, GKS-3D CGI (device interface) CGM (metafile) PHIGS (3D and realtime) X-window
PHIGS+ (PEX) IGES
OpenGL DirectX
Metafiles
Operating system
Interface of Graphics System
Trang 9(c) SE/FIT/HUT 2003 49
Các chuẩn giao di ện của hệ đồ hoạ
GKS (Graphics Kernel System):
GKS Functional Description, ANSI X3.124 - 1985.
GKS - 3D Functional Description, ISO Doc #8805:1988.
CGI (Computer Graphics Interface System):
CGM (Computer Graphics Metafile):
VRML (Virtual Reality Modeling Language):
PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive
PHIGS Functional Description, ANSI X3.144 - 1985.
PHIGS+ Functional Description, 1988, 1992.
IGES
(c) SE/FIT/HUT 2003 50
Non-official industry standards
Các chuẩn của hệ đồ hoạ
OPENGLSGI’s OpenGL 1993
DIRECTXDirect X/Direct3D 1997
(c) SE/FIT/HUT 2003 51
OpenGL
Software interface to graphics
hardware
Client-server model
250 distinct commands
Object specification + image
generation
Simple primitives: points, lines,
polygons (pixels, images, bitmaps)
3D rendering
Commands interpreted using client-server model
Client (Application) issues commands
Server (OpenGL) interprets and processes commands
Frame buffer configuration done by the window system
(c) SE/FIT/HUT 2003 52
Direct control of graphics hardware
Direct control of input/output devices, and sound
Application program
Windows system
Direct sound Direct draw Direct 3D
Direct input Windows API
……
DirectX
(c) SE/FIT/HUT 2003 53
Các thiết bị vào ra dữ liệu
Máy in
Dot size: đường kính của một điểm in bé nhất mà máy
in có thể in được
Addressability: khả năng địa chỉ hoá các điểm in có thể
có trên một đơn vị độ dài (dot per inch)
Số lượng màu có thể vẽ trên một điểm
InkJet 8 - 20/ 100 inch 200 ÷600
Laser 5/1000 inch 1500
Máy vẽ 6 ÷ 15/1000 inch 1000 ÷ 2000
(c) SE/FIT/HUT 2003 54
Phần cứng đồ hoạ (Graphics Hardware)
Phần cứng đồ hoạ (Graphics Hardware)
Các thành phần phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác
Trang 10(c) SE/FIT/HUT 2003 55
Màn hình CRT
(c) SE/FIT/HUT 2003 56
Màn hình CRT
SONY Trinitron CRT
NEC Hybrid Mask Hitachi EDP Standard Dot-trio
(c) SE/FIT/HUT 2003 57
Các thiết bị hiển thị dạng vector
DrawLine(A, B):
Turn beam off,
move to A.
Turn beam on,
B
(c) SE/FIT/HUT 2003 58
Graphics Devices
Display processor CRT
Alphanumeric keyboard
Stylus
Data tablet
Interface to host computer
… MOVE 10 LINE 100 25 CHAR LU LINE
… JMP
Refresh buffer memory
(Display commands)
(interaction data)
Display processor CRT
Interface to host computer
(Display commands) (interaction data)
Keyboard Data input
00000000000000000000000001000000
00000000000000000000000111110000
00000011111111000000000001000000
00011111111111111000000000000000
00000000000000000000000000000000
Bitmap refresh buffer
(the 1’s are accentuated
for contrast)
Typical raster graphics display
Trang 11(c) SE/FIT/HUT 2003 61
LCD-Liquid Crystal Display
A transmissive technology
Works by letting varying
amounts of a fixed-intensity
white backlight through an
active filter
Organnic crystals that lign
themselves together
When external force is applied
they realign themselves
This is used to change
polarisation and filter light
(c) SE/FIT/HUT 2003 62
CRT Displays
Advantages
Fast repsonse (high resolution possible)
Full color (large modulation depth of E-beam)
Saturated and natural colors
Inexpensive, matured technology
Wide angle, high contrast and brightness
Disadvantages
Large and heavy (typ 70x70
cm, 15 kg)
High power consumption (typ
140W)
Harmful DC and AC electric and magnetic fields
Flickering at 50-80 Hz (no memory effect)
Geometrical errors at edges
(c) SE/FIT/HUT 2003 63
LCD Displays
Advantages
Small footprint (approx 1/6 of CRT)
Light weight (typ 1/5 of CRT)
Low power consumption (typ 1/4 of
CRT)
Completely flat screen - no
geometrical errors
Crisp pictures - digital and uniform
colors
No electromagnetic emission
Fully digital signal processing
possible
Large screens (>20 inch) on desktops
Disadvantages
High price (presently 3x CRT)
Poor viewing angle (typ +/- 50 degrees)
Low contrast and luminance (typ
1:100)
Low luminance (typ 200 cd/m2)
(c) SE/FIT/HUT 2003 64
Future Research Areas Hướng nghiên cứu
parallel processing
physically-based modeling
level of detail
synthesis
kinematics / dynamics
motion capture/
modification
photo-realism
real-time
image-based rendering
non-photorealistic rendering