Bài giảng đồ hoạ máy tính đại học thủy lợi

Mục tiêu môn học Mục đích: Giới thiệu các khái niệm và thuật toáncủa đồ họa máy tính 2D / 3D và các ứng dụng củacông nghệ đồ họa máy tính..  Giúp sinh viên áp dụng các kỹ thuật đồ họa

Trang 1

Bài giảng

ĐỒ HỌA MÁY TÍNH

Hà nội 2-2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BỘ MÔN KHOA HỌC MÁY TÍNH

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BỘ MÔN KHOA HỌC MÁY TÍNH

Bài giảng

ĐỒ HỌA MÁY TÍNH (Computer Graphics)

Hà Nội 02-2021

Trang 4

Mục tiêu môn học

 Mục đích: Giới thiệu các khái niệm và thuật toáncủa đồ họa máy tính 2D / 3D và các ứng dụng củacông nghệ đồ họa máy tính

 Mục tiêu:

 Giúp cho sinh viên tiếp cận với các công nghệ đồ họa hiện có và cách những công nghệ này có thể được sử dụng để giải quyết các vấn đề trong thế giới thực.

 Giúp sinh viên áp dụng các kỹ thuật đồ họa tiên tiến để thiết kế và triển khai những ứng dụng đồ họa 3D trong thế giới thực.

Trang 5

Điều kiện tiên quyết

Trang 6

Nội dung

 Lý thuyết (30 tiết)

 Tổng quan đồ họa máy tính

 Màu và phối màu

 Thuật toán cơ sở vẽ đồ họa

 Các kỹ thuật trong đồ họa 2D

 Phép biến đổi đồ họa 2D

Trang 7

Hình thức đánh giá

 Điểm quá trình (50%)

 Chuyên cần (20%)

 Kiểm tra lần 1(tiết 17): 20%

 Kiểm tra lần 2(tiết 28): 20%

 Báo cáo BTL(tiết 14,15 – thực hành): 40%

 Điểm thi hết môn: 50%

 Hình thức kiểm tra/thi

 Tự luận không dùng tài liệu

 Thời gian: 40’-60’

Trang 8

Tài liệu tham khảo

 Cơ sở đồ họa máy tính (dịch từ fudamentals ofcomputer graphics, Peter Shirley)

 Kỹ thuật Đồ họa – Lê Tuấn Hùng – Huỳnh QuyếtThắng – NXBKHKT 2000

 Đồ họa máy tính, Lương Chi Mai, Huỳnh Thị ThanhBình

 OpenGL Programming Guide, Dave Shreiner,Mason Woo, Jackie Neider, Tom Davis

 Tập slide

Trang 10

Nội dung

 Quan sát đồ họa 3D

 Mô hình hóa bề mặt

Trang 11

TỔNG QUAN ĐỒ HỌA MÁY TÍNH

Tham khảo slides PGS.TS Đặng Văn Đức – Viện CNTT, Viện HLKH&CN VN

 Đồ họa máy tính là gì

 Một số ứng dụng cơ bản

 Tổng quan về một hệ đồ họa điểm

Trang 12

Đồ họa máy tính là gì

 Tất cả những gì liên quan đến việc sử dụng máy tính

để phát sinh ra hình ảnh

 Bao gồm các thao tác: Tạo, lưu trữ, thao tác trên các

mô hình (các mô tả hình học của đối tượng) và cácảnh

 Có thể hiểu: Tái tạo hình ảnh thế giới thực bằng máytính

Trang 13

Một số ứng dụng cơ bản

 Hỗ trợ thiết kế

Trang 14

Một số ứng dụng cơ bản(tt-1)

 Biểu diễn thông tin

Trang 15

Một số ứng dụng cơ bản(tt-2)

 Giải trí nghệ thuật

Trang 16

Một số ứng dụng cơ bản (tt-3)

 Giáo dục đào tạo

Trang 17

 Giao diện người dùng

Trang 18

 Trò chơi

Trang 19

Trang 20

 Khoa học

Trang 21

Tổng quan về một hệ đồ họa điểm

 Các thành phần của hệ đồ họa tương tác

 Các thiết bị hiển thị

 Các thiết bị in

 Hệ thống đồ họa trên PC

 Thiết kế hệ thống đồ họa

Trang 22

Các thành phần của hệ đồ họa

Trang 24

 Các tấm làm lệch tia Vertical and horizontal

 Tia điện tử bắn vào phosphor

Trang 25

Công nghệ màn hình CRT

Trang 26

Công nghệ hiển thị vector

 Vẽ đường thẳng trực tiếp trên lớp phosphor

Trang 27

Kiến trúc màn hình vector

Trang 28

Công nghệ hiển thị raster

Trang 29

Kiến trúc màn hình raster

Trang 30

Các định nghĩa cơ sở

 Bitmap là tập hợp các pixels

 Frame buffer lưu trữ bitmap

Trang 31

Làm tươi raster (Refresh)

Trang 32

Quét xen kẽ

Trang 33

Phổ màu

 Phổ màu

Trang 34

Công nghệ màn hình CRT màu

 Ba súng bắn tia điện tử

 Mắt nạ “shadow mask” để khu biệt các tia điện tử

Trang 35

Ưu nhược điểm của Hiển thị raster

 Yêu cầu kích thước bộ nhớ màn hình

 Biểu diễn rời rạc Các đối tượng liên tục phải được chuyển đổi thành dòng quét

 Ảnh bị “răng cưa”

 Cỡ thường bị giới hạn

Trang 36

Công nghệ màn hìnhLCD

Trang 37

Các thiết bị hiển thị

Trang 38

Ưu nhược điểm của LCD

 Hiện tượng nhòe hình khi hiển thị các pha hành động.

 Góc nhìn hẹp và hạn chế tái hiện các gam màu tối,

 Giá thành cao

Trang 40

Ưu nhược điểm của công nghệ Plasma

 Ánh sánh yếu hơn CRTs, sử dụng nhiều năng lượng

Trang 41

Công nghệ Organic LED

 OLED (Organic Light Emitting Diode): đi-ốt phátquang hữu cơ

 Là loại công nghệ màn hình có cấu tạo mới gồm cácDiode phát sáng hữu cơ, loại vật liệu này có khảnăng phát sáng khi có dòng điện chạy qua

Trang 42

 OLED (Organic Light Emitting Diode): đi-ốt phátquang hữu cơ

 Là loại công nghệ màn hình có cấu tạo mới gồm cácDiode phát sáng hữu cơ, loại vật liệu này có khảnăng phát sáng khi có dòng điện chạy qua

 Một màn hình OLED có cấu tạo bao gồm 4 phần:Tấm nền, Anode, lớp dẫn hữu cơ, Cathode

Trang 43

 Tấm nền: Nó thường được làm từ nhựa hoặc từ thủy tinh, nhiệm vụ chính là chống đỡ cho các phần khác trong cấu tạo của công nghệ màn hình OLED.

 Anode: (cực dương) sẽ tạo nên các lỗ trống mang dòng điện dương mỗi khi có dòng điện chạy qua.

 Lớp dẫn hữu cơ: Gồm lớp dẫn và lớp phát sáng có nhiệm vụ truyền tải các lỗ trống từ cực dương và truyền tải các electron từ cực âm (cathode).

 Cathode: cực âm sẽ tạo ra các electron mỗi khi có các dòng điện chạy ngang qua thiết bị

Trang 44

Ưu nhược điểm của OLED

 Chi phí cao, tuổi thọ thấp hơn LCD,

 Không phù hợp môi trường ẩm thấp

Trang 45

Một số công nghệ màn hình tiên tiến

Trang 47

Máy in kim

 Máy in ma trận

Trang 48

Máy in laser

Trang 49

Máy in nhiệt

Trang 50

Hệ thống đồ họa trên PC

 Kiến trúc hệ thống đồ họa raster

Trang 51

Trang 52

Video Mode

Trang 53

Trang 54

Video trên IBM-PC chuẩn

Trang 55

 XMS (Extended memory): HIMEM.SYS

 EMS (Expanded Memory Specification)

Trang 56

Video Ram (FrameBuffer)

 Frame buffer được đặc

trưng bởi size, x, y, và pixel

depth.

buffer là số pixels trên màn

hình, ví dụ 1024x1024

pixels.

 Bit Planes hay Bit Depth là

tổng số bit tương ứng với

mỗi pixel (color resolution

của video RAM) Ví dụ 24

bit/pixel

Trang 57

Các đặc tả màu

 direct color :

 each pixel directly specifies a color value

 e.g., 24bit : 8bits(R) + 8 bits(G) + 8 bits(B)

 palette-based color: indirect specificatio

 use palette (CLUT-Color Lookup Table)

 e.g., 8 bits pixel can represent 256 colors

Trang 58

Video Ram 16 màu

Trang 59

Bảng màu (Palette)

 Vỉ điều khiển màn hình sử dụng lookup table cho phép xác định gián tiếp giá trị hiển thị trong Video RAM

 Cho phép sử dụng mềm dẻo các màu mà không cần nhiều Video RAM

 Cho phép thay đổi màu hiển thị mà không cần ánh

xạ lại các dữ liệu trong Video RAM

 Cho phép tạo các animation đơn giản

Trang 60

Các đơn vị nhớ trongVideo Ram

Trang 61

VESA BIOS mở rộng

 Chức năng 00h – lấy thông tin vỉ SVGA

 Chức năng 01h – lấy thông tin chế độ SVGA

 Chức năng 02h - đặt chế độ SVGA

 Chức năng 03h – lấy chế độ SVGA

 Chức năng 04h - Save/Restore SVGA Video State

 Chức năng 05h - điều khiển cửa sổ bộ nhớ ảnh

 Chức năng 06h - Get/Set Logical Scan Line Length

 Chức năng 07h - Get/Set địa chỉ khởi đầu bộ nhớ ảnh của CRT

Trang 62

X âm nhập trực tiếp videoRam

Trang 63

X âm nhập Pattete

Trang 64

return al; chứa chế độ đồ họa hiện hành

Trang 65

1.3.3 Thiết kế hệ thống đồ họa Lập trình

đồ họa

 Khởi động chế độ đồ họa bằng BIOS

 mov ah, 0 ; đặt chế độ màn hình không phải SVGA

 mov al, mode

 int 10h ;

 Khởi động chế độ đồ họa màn hình SVGA

 mov ah,4fh ; đặt chế độ màn hình SVGA

 mov al, 02h ; chức năng 02h

 mov bx, mode

 int 10h ;

Trang 66

Thiết kế hệ thống đồ họa

Trang 68

Nội dung

Trang 69

MÀU VÀ PHỐI MÀU

Có sử dụng slides của PGS.TS Đặng Văn Đức – Viện CNTT, Viện HLKH&CN VN

 Khái niệm màu

 Các mô hình màu

 Fading

 Hiệu chỉnh gamma

 Dithering và haftoning

Trang 70

Cảm nhận màu

Trang 71

Màu là gì?

Trang 72

Mô hình màu

Trang 73

Mô hình màu RGB

Trang 74

Mô hình màu RGB

Trang 75

Mô hình màu CMYK

Trang 76

Mô hình màu CMYK

Trang 77

Chuyển đổi giữa CIE và RGB

Trang 78

Chuyển đổi giữa RGB và CMY

Trang 79

Mô hình màu HSV

Trang 80

Mô hình màu HSV

Trang 81

Mô hình màu HSV

Trang 82

Mô hình màu YIQ

Trang 83

Mô hình màu YIQ

Trang 84

Mô hình màu YIQ

Trang 85

Fading

Trang 86

Dithering và Haftoning

Trang 87

Dithering

Trang 88

Dithering

Trang 89

Dithering

Trang 90

Haftoning

Trang 91

Haftoning

Trang 92

Haftoning

Trang 93

Bài tập

 Viết chương trình thực hiện fading.

 Viết chương trình cho phép người sử dụng chọn các tham số màu HSV từ thực đơn, chuyển đổi màu chọn sang RGB để hiển thị.

 Có thể hiển thị bao nhiêu mức xám bằng halftoning với lưới nxn pixel, mỗi pixel hiển thị m mức khác nhau.

 Tìm ma trận dither 4x4, viết chương trình hiển thị ảnh bằng ma trận vừa tìm ra.

 Giả sử thiết bị có khả năng hiển thị 8 màu cơ bản Hãy viết chương trình sử dụng bộ lọc Floyd-Steinberg để hiển thị ảnh màu thực

Trang 95

Nội dung

Trang 96

CÁC THUẬT TOÁN CƠ SỞ VẼ ĐỒ HỌA

Tham khảo slides của PGS.TS Đặng Văn Đức – Viện CNTT, Viện HLKH&CN VN

Trang 97

Các đối tượng đồ họa cơ sở

Trang 99

 Một đoạn thẳng là một đường thẳng bị giới hạn bởi

hai điểm đầu, cuối.

1 2

1 1

2

1

y y

y

y x

Trang 100

Đường gấp khúc

 Đường gấp khúc là tập các đoạn thẳng nối với nhau

một cách tuần tự

 Một đa giác là một đường gấp khúc có điểm đầu và

điểm cuối trùng nhau

Trang 101

Thuộc tính đường vẽ

 Các thuộc tính của đoạn thẳng bao gồm :

 Màu sắc

 Độ rộng của nét vẽ.

 Kiểu nét vẽ của đoạn thẳng

Trang 102

Vùng tô

 Một vùng tô bao gồm đường biên và vùng bên

trong Đường biên là một đường khép kín Cácthuộc tính của vùng tô bao gồm:

 Thuộc tính của đường biên : chính là các thuộc tính

như thuộc tính của đoạn thẳng.

 Thuộc tính của vùng bên trong : bao gồm màu tô và

mẫu tô.

Trang 103

Thuật toán vẽ đoạn thẳng

hay thuật toán tăng dần (Basic Incremental Algorithm)

Trang 104

Bài toán

 Input: Điểm đầu(x1,y1), điểm cuối(x2,y2), màu tô C

 Output: Đoạn thẳng nối 2 điểm (x1,y1) (x2,y2) vớimàu C

 Phương trình đoạn thẳng đi qua 2 điểm

Trang 105

Bài toán

Trang 106

Thuật toán DDA

Trang 107

Thuật toán DDA (tiếp)

void DDALine(int x0, y0, x1, y1, color)

Trang 108

Thuật toán DDA

Trang 109

Thuật toán Bresenham vẽ line

Trang 110

Thuật toán Bresenham vẽ line (tt)

Trang 111

Thuật toán Bresenham vẽ line(tt)

 Xét đoạn thẳng có hệ số góc 0≤m≤1

 Điểm vừa chọn là (x,y) -> điểm tiếp theo sẽ vẽ là(x+1,y) hay (x+1, y+1) Việc lựa chọn sẽ phụ thuộcvào khoảng cách d:

d=d1-d2

Trang 112

 Nếu d>0  d1>d2 chọn NE xi+1,yi

 Nếu d<0  d1<d2 chọn E xi+1,yi+1

 d1=yi+1-y=yi+1-a(xi+1)-b

 d2=y-yi=a(xi+1)+b-yi

 d=d1-d2=-2a(xi+1)+2yi-2b+1

 Nếu chọn E => dnewE= d(xi+1,yi+1 )

 =-2a(xi+1)+2yi-2b+1 +2-2a= d+2-2a=d+ ∆E

 Nếu chọn NE => dnewNE= d(xi+1,yi)

 =-2a(xi+1)+2yi-2b+1 -2a= d-2a=d+ ∆NE

Trang 113

 Tìm dstart

 Giả sử điểm khởi đầu là xi,yi

 dstart= -2a(xi+1)+2yi-2b+1

Trang 114

1. Chọn vị trí vẽ đầu tiên là x1,y1

2. Tính tham số thứ nhất d=-2dy+dx

 Nếu d >0 vị trí vẽ tiếp theo là xi+1,yi

 Ngược lại vị trí vẽ tiếp theo là xi+1,yi+1

3. Tiếp tục tăng x để tính d tiếp theo từ d trước đó

 Nếu trước đó di >0 thì di+1=di-2dy

 Ngược lại thì di+1=di-2dy+2dx

 Nếu di+1 vị trí vẽ tiếp theo là xi+2,yi

 Ngược lại vị trí vẽ tiếp theo là xi+2,yi+2

4. Lặp lại bước 3 cho đến khi x= x2

Trang 115

Thuật toán trung điểm vẽ line

Trang 116

Thuật toán trung điểm vẽ line(tt)

Trang 117

Trang 118

Trang 119

Thuộc tính đường vẽ

Trang 121

Thuật toán vẽ đường tròn, elip

Trang 122

Một số tính chất của đường tròn

Trang 123

Thuật toán Bresenham vẽ Circle(tt)

Trang 124

Thuật toán trung điểm vẽ Circle(tt)

Trang 125

Trang 126

Trang 127

Thuật toán trung điểm vẽ Circle

void CirclePoints(int x, y, color)

if (d<0 ) //Chọn E {

d=d+2*x+3; x=x+1 } else // Chọn SE {

d=d+2*(x-y)+5; x=x+1; y=y-1 }

CirclePoints(x, y, color);

} }

Trang 128

Thuật toán trung điểm vẽ Elip

Trang 129

Thuật toán trung điểm vẽ Elip(tt)

Trang 130

Thuật toán trung điểm vẽ Elip

Trang 131

Trang 132

Trang 133

void draw_ellipse(int a, b, color)

if (d1<0) {Chọn E}

{

d1=d1+b2(2*x+3); x=x+1;

} else {Chọn SE}

{

if (d2<0 ) { Chon SE } {

d2=d 2 +b 2 (2*x+2)+a 2 (-2*y+3); x=x+1;y=y-1;

} else }

d2=d 2 +a 2 (-2*y+3); y=y-1; }

EllipsePoints (x, y, color);

} }

Trang 134

Bài tập

 Xây dựng thuật toán vẽ cung tròn, cung elíp

 Cài đặt các thuật toán vẽ hình tròn có tâm và bánkính bất kỳ

 Cài đặt các thuật toán vẽ hình elip có tâm và bánkính bất kỳ

Trang 136

Nội dung

2

Trang 137

CÁC KỸ THUẬT TRONG ĐỒ HỌA 2D

Trang 138

Thuật toán cắt xén

Trang 139

Thuật toán cắt xén đoạn thẳng

 Thuật toán Sutherland-Cohen: loại bỏ các đoạn

không cần cắt xén bằng xét tọa độ đầu mút các đoạn thẳng -> đơn giản và hiệu quả.

Trang 140

Thuật toán Sutherland-Cohen

Trang 141

Thuật toán Sutherland-Cohen

Trang 142

Thuật toán cắt xén vùng

Trang 143

Thuật toán cắt xén vùng

Trang 144

Cắt xén vùng bằng đa giác

Trang 145

Trang 146

Trang 147

Thuật toán liên quan đến cắt xén

 Xác định giao điểm hai đoạn thẳng

Trang 148

 Xác định giao điểm hai đoạn thẳng

Trang 149

 Xác định điểm trong đa giác

Trang 150

 Xác định điểm trong đa giác

Trang 151

Bài tập

 Mã hóa thành chuỗi 4 bít hai đầu đoạn thẳng ABtheo giải thuật Cohen Sutheland, với A (1, -2) vàB(1, 4), tọa độ cửa sổ cắt xén có góc trái dưới (-1,0)

và góc phải trên (2, 3) Xác định tọa độ mới của đoạnthẳng sau khi cắt xén

 Xây dựng thuật toán cắt xén đa giác bằng chữ nhật

 Xây dựng thuật toán tìm giao hai đa giác lồi

 Xây dựng thuật toán tìm giao hai đa giác bất kỳ (cóthể là đa giác phức)

 Cài đặt các thuật toán trên

Trang 152

Thuật toán tô mầu

Trang 153

Các thuật toán tô màu

 Tô màu tràn (Flood fill)

 Tô màu theo đường quét(Scan conversion)

Trang 154

Thuật toán tô màu tràn

Trang 155

Thuật toán tô màu theo đường quét

Trang 156

ScanConvert( Polygon P, Color C)

Trang 157

Trang 158

So sánh các thuật toán tô màu

Trang 159

Bài tập

 Cài đặt tô màu tràn đa giác

 Cài đặt tô màu đa giác theo đường quét

 Viết chương trình tô màu elíp , hình tròn

Trang 160

Phông chữ

Trang 161

Các khái niệm

 Phông chữ được Guttenberg thiết kế Được sử dụng

từ nhiều thế kỷ Ngày nay rất phong phú

 Phông là tập đầy đủ các ký tự có kiểu dáng (style)

 Weight: light, normal, bold

 Shape: round, oval, straight

 Posture: Oblique, Italic

Trang 162

Các loại phông

 Công nghiệp máy tính sử dụng 3 loại phông

 Phông bitmap (raster)

 Phông véctơ

 Phông TrueType

Trang 163

Raster Font

Trang 164

Raster Fonts

Trang 165

Vector Fonts

Trang 166

True Type Fonts

Trang 167

Tệp TTF

Trang 168

Tệp TTF

Trang 169

Tệp TTF

Trang 170

Phương pháp co dãn Glyph

Trang 171

True Type Fonts

Trang 172

True Type Fonts

Trang 173

TTF: Từ thiết kế đến hiển thị

Trang 174

TTF: Từ thiết kế đến hiển thị

Trang 175

Bài tập

 Viết chương trình hiển thị ký tự 12x16 bằng fontbitmap, hiển thị tên của mình (sinh viên)

Trang 177

Nội dung

Trang 178

PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỒ HỌA 2D

 Các phép toán cơ sở với ma trận

 Các phép biến đổi 2D cơ sở

 Biến đổi 2D gộp

Trang 179

1 Các phép toán cơ sở với ma trận

Trang 180

Các phép toán cơ sở với ma trận

Trang 181

Ứng dụng của phép biến đổi

Trang 182

Ví dụ về phép biến đổi 2D

Trang 183

Ví dụ về phép biến đổi 2D

Trang 184

Các loại biến đổi

Trang 185

2 Các phép biến đổi cơ sở

Trang 186

Các phép biến đổi cơ sở

Trang 187

Tọa độ thuần nhất

Trang 188

Trang 189

Ví dụ về tọa độ thuần nhất

Trang 190

Trang 191

Ma trận biến đổi 2 chiều

Trang 192

Ma trận biến đổi 2 chiều

Trang 193

3 Phép biến đổi gộp

Trang 194

Co dãn đối tượng theo điểm cố định

Trang 195

Co dãn đối tượng theo điểm cố định

Trang 196

Xoay đối tượng quanh điểm cố định

Trang 197

Xoay đối tượng quanh điểm cố định

Trang 198

Co dãn theo hướng tùy ý

Trang 199

Co dãn theo hướng tùy ý

Trang 200

Một số phép biến đổi khác

Trang 201

Bài tập

Trang 202

Thực hành

 Cấu hình thư viện OpenGL

 Cài đặt các thuật toán biến đổi 2D sử dụngthư việnOpenGL

Trang 204

Nội dung

Trang 205

PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỒ HỌA 3D

 Nhắc lại đại số với véctơ

 Các phép biến đổi 3D cơ sở

 Phép xoay quanh trục bất kỳ

Định dạng
Số trang	300
Dung lượng	11,83 MB