bài giảng đồ hoạ và hiện thực ảo - chương 1kỹ thuật đồ họa và hiện thực ảo

Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email:
Tel: 0913030731
1
(c) SE/FIT/HUT 2002
Lesson 1:
Kỹ thuật đồ họavàHiệnthực ảo
Computer Graphics And Virtual Reality
 Kỹ Thuật đồ họacơ sở
 Kỹ Thuật đồ họatiêntiến
 Hiệnthực ảo-VRML
Le Tan Hung

(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
1888 - Edison
and Dickson

record motion picture photos
on a wax cylinder
(c) SE/FIT/HUT 2003
4
A Brief History of Computer
Graphics
1926 – J.L. Baird
invents the
television.
30 line vertical,
black and red scan
.
(c) SE/FIT/HUT 2003
5
A Brief History of Computer
Graphics
1963
 IBM creates the 360 models
 One of the First General
Purpose Mainframes
 SRI develops the mouse.
(c) SE/FIT/HUT 2003
6
A Brief History of Computer
Graphics
1966
 Ralph Baer creates the 1
st
comsumer CG product:
Odyssey Pinball

Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email:
Tel: 0913030731
2
(c) SE/FIT/HUT 2003
7
A Brief History of Computer
Graphics
1967
 GE introduces first full colour real time flight
simulator for NASA
(c) SE/FIT/HUT 2003
8
A Brief History of Computer
Graphics
1968
 John Whitney: Permutations
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
 Intel develop the 8080 processor.
1975
 Mandelbrot plots fractals
 Bill Gates starts Microsoft
(c) SE/FIT/HUT 2003
11
A Brief History of Computer
Graphics
1976

 Steve Jobs and Steve Wozniak start
Apple.
1977
 Academy of Motion Pictures Art
and Sciences introduces Visual
Effects category for Oscars.
(c) SE/FIT/HUT 2003
12
A Brief History of Computer
Graphics
1977
 Star Wars wins oscar for
special effects.
1978
•Superman wins oscar for
special effects.
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email:
Tel: 0913030731
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
 Disney’s TRON is the first
live action film with over
20 mins of computer
animations.
 Seagate Technology
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
 The Genesis Effect (ILM)
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
 1984 PIXAR Opens
(c) SE/FIT/HUT 2003
18
A Brief History of Computer
Graphics
1985
 The Last Starfighter is the
first live action feature film
with realistic computer
animation of highly detailed
models.
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email:
Tel: 0913030731
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
 Windows 3.0 ships
1993
 Myst
1994
 Playstation and N64 released
(c) SE/FIT/HUT 2003
21
A Brief History of Computer
Graphics
1995
 Quake Released by
Id Software
 Toy Story becomes
the first fully 3D
computer animation
feature film.
(c) SE/FIT/HUT 2003
22
A Brief History of Computer
Graphics
1996

 Independence Day
wins oscar for visual
effects.
(c) SE/FIT/HUT 2003
23
A Brief History of Computer
Graphics
1997
 Titanic wins oscar
for visual effects
.
 PIXAR wins oscar
for best short film:
Geri’s Game.
(c) SE/FIT/HUT 2003
24
A Brief History of Computer
Graphics
1998
 Armageddon
 Mouse Hunt
 Bugs Life
1999
 The Matrix
 Star Wars: The Phantom Menace
 Disney’s Tarzan
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email:
Tel: 0913030731
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.
 Definition (ISO)
 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 hoạđiểm
(Sample based-Graphics)
 Các mô hình, hình ảnh củacácđốitượng đượchiểnthị
thông qua từng pixel (từng mẫurờirạc)
 Đặc điểm:
 Phương pháp để tạo ra các pixel
(c) SE/FIT/HUT 2003
Bitmap
Bitmap
lines,areas,

SRGP
library
Pascal / C
program
X Window
System
Graphics hardware
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
 Vector = geometrical
model + rendering
(c) SE/FIT/HUT 2003
30
Ví dụ về hình ảnh đồ hoạ Vector
Khoa CNTT - HBK H ni
Email:
Tel: 0913030731

6
(c) SE/FIT/HUT 2003
31
Muscle ModelWireframe 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 nh v mụ hỡnh ca cỏc vt th c biu din bi tp hp cỏc
im ca grid
Thay i thuc tớnh ca cỏc pixel => thay i tng phn v tng vựng
ca hỡnh nh.
Copy c cỏc pixel t mt hỡnh nh ny sang hỡnh nh khỏc.
Vector
Khụng thay ithuctớnhcatng imtrctip
X lý vitng thnh phn hỡnh hcc s canúvthchin quỏ
trỡnhtụtrỏtvhinth li.
Quan sỏt hỡnh nh v mụ hỡnh cahỡnhnh v s vt nhiugúc
khỏc nhau bng cỏch thay i im nhỡn v gúc nhỡn.
(c) SE/FIT/HUT 2003
33
Phõn loi cỏc lnh vcca
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 loitheoh to
Kỹ thuật đồ hoạ
Kỹ thuật đồ hoạ 2 chiều
Kỹ thuật đồ hoạ ba chiều
(c) SE/FIT/HUT 2003
35
Phõn loitheochcnng
K thutx lý nh (COMPUTER IMAGING)
K thutnhndng (Computer Vision techniques
attempt to provide meaning to computer) images.
K thuttng hp nh (Computer Graphics)
Geometry modelling
(c) SE/FIT/HUT 2003
36
Cỏc ng dng tiờu biucak
thut ha
Xõy dng giao dinngi dựng (User Interface)

Tocỏcbiu trong thng mi, khoa hc, k thut
Tng hoỏ vn phũng v ch bn int
Thitk vis tr giỳp ca mỏy tớnh (CAD_CAM)
Lnh vcgii trớ, ngh thutvmụphng
iu khin cỏc quỏ trỡnh snxut (Process Control)
Lnh vcbn (Cartography)
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email:
Tel: 0913030731
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
Hệđồhọatương 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 chuẩncủahệđồhoạ
(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
- global rendering
Thành phần trong chứcnăng của
kỹ thuật đồ hoạ
(c) SE/FIT/HUT 2003
42
C
C
á
á
c
c
th
th
à
à
nh
nh
ph
ph
ầ
ầ
n
n
c
c

ủ
ủ
a
a
h
h
ệ
ệ
đ
đ
ồ
ồ
ho
ho
ạ
ạ
tương
tương
t
t
á
á
c
c
Application
Data
Structure
Application
Program
Graphics

System
Computer
Graphics Devices
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email:
Tel: 0913030731
8
(c) SE/FIT/HUT 2003
43
Model of RGP
Application
model
Application
program
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
System
Graphics hardware
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 phầnthư viện đồ hoạ
 Các thựcthể cơ sở
 Điểm (pixel)
 Đường thẳng (line)

 Đường tròn (circle)
 Đagiác(polygon) v v.
 Các thuộctính
 Màu sắc (color)
 Kiểu đường vẽ (line style)
 Kiểuvănbản (text style)
 Mẫutô(pattern).
(c) SE/FIT/HUT 2003
46
Bộ xử lý tương tác vớingườisử
dụng
 Hệ thống đồ hoạ thông thường phảichứamộttậphợp các thủ tục
(chương trình con) để xử lý với các thiếtbị vào ra (I/O System).
 hệ thống đồ hoạ sinh ra các thiếtbị ngoại vi lôgic để tương tác
giữangườisử dụng và thiếtbị ngoạivi này.
 Mộtchutrìnhđiểnhìnhcủa các chương trình ứng dụng quảnlý
các thiếtbị ngoạivi đượcgọilàvònglặpsự kiệntừ thiếtbị
(event-driven loop )
(c) SE/FIT/HUT 2003
47
Hệ thống đồ hoạ
(Graphics System)
 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
 Phầnmềm đồ hoạ hệ thống:
 Là tậphợp các lệnh đồ hoạ củahệ thống (graphics output commands),
 Thựchiện công việchiểnthị cái gì (what object) và chúng sẽđượchiểnthị như
thế nào (how).

 Phầnmềm đồ hoạ hệ thống là phầnmềmxâydựng trên cơ sở mộtthể loạiphần
cứng nhất định và phụ thuộcvàophầncứng.
 Phầncứng đồ hoạ:
 Là tậphợp các thiếtbịđiệntử (CPU, bộ nhớ màn hình) giúp cho việcthựchiện
các phầnmềm đồ hoạ.
(c) SE/FIT/HUT 2003
48
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
Giao diện hệthống đồhọa
Interface of Graphics System
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email:
Tel: 0913030731

9
(c) SE/FIT/HUT 2003
49
Các chuẩn giao diện củahệđồhoạ
 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 chuẩncủahệđồhoạ
 OPENGL SGI’s OpenGL 1993
 DIRECTX Direct 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
Application program
Windows system
Windows system
Direct sound
Direct draw
Direct 3D
Direct input
Windows API
Windows API
Direct X
……
DirectX
(c) SE/FIT/HUT 2003
53

Các thiếtbị vào ra dữ liệu
 Máy in
 Dot size: đường kính củamột điểminbénhấtmàmáy
in có thể in được
 Addressability: khả năng địachỉ hoá các điểmincóthể
có trên một đơnvịđộdài (dot per inch)
 Số lượngmàucóthể vẽ trên một điểm
 Dot size Point per inch
 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
Phầncứng đồ hoạ (Graphics
Hardware)
Phầncứng đồ hoạ (Graphics
Hardware)
 Các thành phầnphầncứng củahệđồhoạ tương
tác
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email:
Tel: 0913030731
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 thiếtbị hiểnthị dạng vector
 MOVE 10,15
 LINE 400,300
 LINE 600,800
 Refesh Buffer
DrawLine(A, B):
Turn beam off,
move to A.
Turn beam on,
move to B.
A
B
(c) SE/FIT/HUT 2003
58
Graphics Devices
Display
processor
CRT
Alphanumeric keyboard
Stylus
Data tablet
Interface to
host computer
…
…

MOVE
10
15
LINE
100
25
CHAR
LU
CY
LINE
…
…
JMP
Refresh buffer memory
(Display commands)
(interaction data)
(c) SE/FIT/HUT 2003
59
Display
processor
CRT
Interface to host computer
(Display commands) (interaction data)
Keyboard
Data input
00000000000000000000000001000000
00000000000000000000000001000000
00000000000000000000000111110000
00000000011000000001111111111111
00000000111100000000000111110000

00000011111111000000000001000000
00001111111111110000000001000000
00111111111111111100000000000000
00011111111111111000000000000000
00011111111111111000000000000000
00011111111111111000000000000000
00000000000000000000000000000000
Bitmap refresh buffer
(the 1’s are accentuated
for contrast)
Typical raster graphics display
showing a house and a star
(c) SE/FIT/HUT 2003
60
Các thiếtbị hiểnthị dạng điểm
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email:
Tel: 0913030731
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
 Graphics accelerators
 parallel processing
 Geometric modeling
 physically-based
modeling
 level of detail
 Motion control /

synthesis
 kinematics / dynamics
 motion capture/
modification
 Rendering
 photo-realism
 real-time
 image-based rendering
 non-photorealistic
rendering
 Scientific visualization
 Geometric algorithms
 User interface