bài giảng đồ hoạ máy tính

1
LỜI NÓI ĐẦU
Đồ họa máy tình (Computer Graphics) là một trong những
chương trính thông dụng nhất, nó đã góp phần quan trọng làm cho
giao tiếp giữa con người và máy tình trở nên thân thiện hơn. Giao
diện kiểu dòng lệnh đã được thay thế hoàn toàn bằng giao diện đồ
họa, cùng với công nghệ đa phương tiện (multimedia) đã đưa ngành
Công nghệ thông tin sang một phiên bản mới
Đồ họa máy tình đã phát triển rất nhanh, nó được ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ như y học, kiến trúc, giải
trì,…Đồ họa máy tình giúp chúng ta thay đổi cách cảm nhận và sử
dụng máy tình, nó đã trở thành những công cụ trực quan không thể
thiếu trong đời sống hàng ngày. Ví vậy môn Đồ họa máy tình là một
môn học chình trong chuyên ngành Công nghệ thông tin ở các
trường Đại học, Cao đẳng
Bài giảng này sẽ cung cấp đầy đủ thông tin về cơ sở lý thuyết
đồ họa máy tình từ đơn giản nhất như các thuật toán vẽ đường
thẳng, đường tròn,…Tiếp đến là các kỹ thuật, các phép biến đổi,
phép quan sát trong không gian hai chiều, ba chiều. Bài giảng sẽ
giúp sinh viên có thể độc lập xây dựng những phần mềm ứng dụng
đồ họa




2

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HỌA MÁY TÍNH
1.1 Giới thiệu tổng quan

Ngày nay, đồ họa máy tình được ứng dụng rộng rãi trong
ngành còng nghệ thông tin. Khó mà tím được một ứng dụng thương
mại của còng nghệ thông tin không sử dụng một thành phần nào đó
của hệ đồ họa máy tình. Đồ họa máy tình ở vị trì quan trọng trong
lĩnh vực thiết kế và giao tiếp kỹ thuật. Nó là cơ sở để chuyển đổi
các giải pháp tình toán số sang thể hiện hính ảnh tự nhiên cho thiết
kế kỹ thuật hay muốn sáng tỏ một vấn đề phức tạp. Đồ họa máy tình
biểu diễn được hính ảnh đối tượng, quan hệ, dữ liệu, vị trì … Đồ họa
máy tình còn có chức năng mô tả kìch thước của đối tượng, phân
tìch dữ liệu. Trong những thập niên cuối thế kỷ 20, sự phát triển
mạnh của những hệ đồ họa như CAD/CAM đã trở thành chuẩn còng
nghiệp và trường học.
1.1.1. Lịch sử phát triển của đồ họa máy tính
 Graphics những năm 1950-1960
- 1959 Thiết bị đồ hoạ đầu tiên là màn hính xuất hiện tại Đức.
- 1960 - SAGE (Semi-Automatic Ground Environment System)
xuất hiện bút sáng thao tác với màn hính.
- 1960 William Fetter nhà khoa học người Mỹ, ông đang nghiên
cứu xây dựng mô hính buồng lái máy bay cho hãng Boeing của Mỹ.
Ông đã dựa trên hính ảnh 3 chiều của mô hính người phi còng trong
buồng lái của máy bay để xây dựng nên một mô hính tối ưu cho
buồng lái máy bay. Phương pháp này cho phép các nhà thiết kế

3
quan sát một cách trực quan vị trì của người lái trong khoang. Ông
đặt tên cho phương pháp này là đồ hoạ máy tình (Computer
Graphics) . Màn hính là thiết bị thông dụng nhất trong hệ đồ hoạ,
các thao tác của hầu hết các màn hính đều dựa trên thiết kế ống tia
âm cực CRT (Cathode ray tube).
Khi đó giá để làm tươi màn hính là rất cao, máy tình xử lý chậm,

đắt và không chắc chắn
(không đáng tin cậy).
 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 trính xử lý thông tin). Người sử
dụng có thể vẽ mạch điện trực tiếp lên màn hính thong qua bút
sáng.
 Graphics:1970-1980
Raster Graphics (đồ hoạ điểm). Bắt đầu chuẩn đồ hoạ vì dụ như:
GKS(Graphics Kernel System): European effort (kết quả của châu
âu), Becomes ISO 2D standard.
 Graphics: 1980-1990
Mục đìch đặc biệt về phần cứng, thiết bị hính học đồ hoạ Silicon.
Xuất hiện các chuẩn còng nghiệp: PHIGS (Programmers
Hierarchical Interactive Graphics Standard) xác định các phương
pháp chuẩn cho các mô hính thời gian thực và lập trính hướng đối
tượng.

4
Giao diện người máy Human-Computer Interface (HCI)
 Computer Graphics: 1990-2000
- OpenGL API (Application Program Interface – giao diện chương
trính ứng dụng).
- Completely computer-sinh ra ngành điện ảnh phim truyện (Toy
Story) rất thành còng. 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. Còng nghiệp phim ảnh nhờ
vào đồ hoạ máy tình (Computer graphics becoming routine in
movie industry): Maya (thế giới vật chất tri giác được)….
1.2. Các ứng dụng tiêu biểu của kỹ thuật đồ họa
Đồ họa máy tình là một trong những lĩnh vực lý thú nhất và
phát triển nhanh nhát của tin học. Ngay từ khi xuất hiện nó 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 và quản lý…Tình
hấp dẫn của nó có thể được minh họa rất trực quan thông qua các
ứng dụng của nó.
1.2.1. Ứng dụng CAD/CAM
Hệ CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided
Manufacture System) là kỹ thuật đồ họa tập hợp các còng cụ, các kỹ
thuật giúp cho thiết kế các chi tiết và các hệ thống khác nhau như hệ
thống cơ, hệ thống điện, hệ thống điện tử.

5
Hệ CAD/CAM thường được sử dụng để thiết kế các cao ốc, ô
tô, máy bay, tàu thủy, tàu vũ trụ, máy tình, trang trì mẫu vải,…Các
đối tượng được hiển thị dưới dạng các phác thảo của phần khung,
từ đó có thể thấy được toàn bộ hính dạng và các thành phần bên
trong của các đối tượng. 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 nhín, …. Các mô hính chiếu sáng, tô màu và tạo bóng
bề mặt sẽ được kết hợp tạo ra sản phẩm

6

Hình 1.1. Hỗ trợ thiết kế CAD/CAM
1.2.2. Ứng dụng biểu diễn thông tin
Đồ họa thường được sử dụng để giúp hiển thị số liệu một
cách trực quan, có thể phát sinh các biểu đồ, đồ thị, …minh họa mối
liên hệ giữa các đối tượng với nhau hoặc tóm lược các dữ liệu về tài
chình , thống kê, kinh tế, khoa học, toán học.

7

Hình 1.2. Đồ họa biểu diễn thông tin
1.2.3. Ứng dụng hoạt hình và nghệ thuật
Trong lĩnh vực hoạt hính và nghệ thuật đồ họa bao gồm các
còng cụ giúp cho các họa sĩ, các nhà thiết kế phim hoạt hính chuyên
nghiệp làm các kỹ xảo hoạt hính, vẽ tranh…Vì dụ phần mềm 3D
Studio, 3D Studio Max.


8

Hình 1.3. Đồ họa trong hoạt hình và nghệ thuật
1.2.4. Ứng dụng đào tạo
Đồ họa ứng dụng trong đào tạo giúp mô phỏng cấu trúc của
các vật thể, tiến trính của các phản ứng hóa học, hoạt động của các
gói tin trên mạng máy tình, … trong việc hỗ trợ giảng dạy. Các ứng
dụng mô phỏng được dùng để kiểm tra trính độ người lái, huấn
luyện phi còng, điều khiển giao thông, …

9

Hình 1.4. Đồ họa trong giáo dục
1.2.5. Ứng dụng xây dựng giao diện người dùng
Giao diện đồ họa thực sự là cuộc cách mạng mang lại sự
thuận tiện và thoải mái cho người dùng ứng dụng. Giao diện
WYSIWYG và WIMP đang được đa số người dùng ưa thìch nhờ tình
thân thiện dễ dùng. Người dùng làm việc thông qua các biểu tượng
mô tả chức năng đó, không gian biểu tượng chiếm dụng ìt hơn
nhiều so với dùng văn bản, không gặp trở ngại về mặt ngôn ngữ, có
thể làm việc dễ dàng với nhiều cửa sổ với nhiều dạng tài liệu khác
nhau cùng một lúc

10

Hình 1.5. Đồ họa xây dựng giao diện ngƣời dùng
1.2.6. Ứng dụng xây dựng bản đồ
Ứng dụng đồ họa giúp xây dựng bản đồ dễ dàng, thuận tiện,
từ những số liệu có sẵn, trong quá trính xử lý có thể xây dựng những
thuật toán để phân tìch hay tổng hợp, …

11

Hình 1.6. Đồ họa xây dựng bản đồ
1.2.7. Ứng dụng trong y tế

Hình 1.7. Đồ họa trong y tế

12
1.3 Tổng quan về một hệ đồ họa

Mục tiêu của đồ họa máy tình có chức năng tạo ra và thao
tác các hính ảnh đồ họa, nên nó phải có khả năng tạo ra và hiệu
chỉnh các hính ảnh bằng các tương tác và đáp ứng. Các ứng dụng
đồ họa đưa ra các chỉ dẫn thuật ngữ theo yêu cầu đồ họa người
dùng. Thư viện đồ họa thực hiện tương tác, làm cầu nối cho giao
tiếp giữa người dùng và các thiết bị đơn giản hơn.







Hình 1.8 Hệ thống đồ họa
Một trong các yêu cầu chình của một hệ thống đồ họa là các
ứng dụng, áp dụng cho nhiều hệ thiết bị, phải được phát triển không
phụ thuộc vào phần cứng. Để có được điều đó, phải có tiêu
chuẩn
hóa cho môi trường đồ họa ở mức chức năng, bằng việc cung
cấp sự độc lập thiết bị và
ngôn ngữ lập trính.
Sự độc lập với thiết bị cho phép các chương trính ứng dụng
đồ họa chạy trên các dạng phần cứng
khác nhau. Nó được thực
hiện thông qua thiết bị nhập xuất logic cung cấp cho phần mềm
ứng
dụng thông qua thư viện đồ họa và ánh xạ thiết bị cụ thể.
Cho tới nay, có những tiêu chuẩn đồ họa đã được phát
triển trong nhiều năm, bao gồm:
GKS(Graphics Kernel System

Chương trính ứng dụng
Thư viện đồ họa
Thiết bị đồ họa

13
- 1985), được phát triển riêng cho các thiết bị nhập xuất 2 chiều.
GKS-3D bổ sung thêm khả năng lập trính 3 chiều. PHIGS
(Programmer’s Hierarchical Graphics System - 1984) hay PHIGS+
bao gồm khả năng lập trính không gian , tạo thành thao tác dữ liệu
đồ họa phức tạp …
Các tiêu chuẩn đồ họa thực tế là kết quả của việc chấp nhận
trong còng nghiệp các giao diện đặc
trưng, được đề xuất bởi nhiều
còng ty và không nëu ra trong các tiêu chuẩn chình thức. Được
nhắc đến trong số này là hệ X-Windows, cung cấp một loạt các
chức năng nhập và thao tác đồ họa 2 chiều. Sự mở rộng được bắt
đầu vào giữa những năm 80 là hệ X-Windows 3 chiều.
Để đảm bảo sự linh hoạt, các tiêu chuẩn đồ họa thiết lập cho
ứng dụng các thay đổi tối thiểu, cho
phép nó định địa chỉ các thiết
bị nhập xuất khác nhau. Khởi đầu, người lập trính tạo ra một hệ
thống tọa độ mô hính, mô tả đối tượng gọi là hệ thống tọa độ
thực. Tiếp theo, là hệ tọa độ tiêu chuẩn và hệ tọa độ thiết bị.
Chương trính ứng dụng sẽ giao tiếp với hệ tọa độ chuẩn theo cách
thức phù hợp, không quan tâm đến thiết bị xuất được dùng. Do đó,
tạo ra sự độc lập với thiết bị trong việc tạo ra hính ảnh của đối tượng.
1.3.1. Phần cứng đồ họa
Phần cứng đồ họa bao gồm các thành phần:
 CPU: Thực hiện các chương trính ứng dụng.
 Bộ xử lý hiển thị (Display Processor): Thực hiện còng

việc hiển thị dữ liệu đồ hoạ.
 Bộ nhớ hệ thống (System Memory): Chứa các chương
trính và dữ liệu đang thực hiện.

14
 Gói phần mềm đồ hoạ (Graphics Package): Cung cấp
các hàm đồ hoạ cho chương trính ứng dụng
 Phần mềm ứng dụng (Application Program): Phần mềm
đồ hoạ ứng dụng.
 Bộ đệm ( Frame buffer): Chứa các hính ảnh hiển thị.
 Bộ điều khiển màn hính (Video Controller): Điều khiển
màn hính, chuyển dữ liệu dạng số ở frame buffer thành
các điểm sáng trên màn hính.
1.3.2. Phần mềm đồ họa
Phần mềm đồ họa bao gồm các các còng cụ lập trính cung
cấp một tập các hàm đồ họa có thể được dùng trong các ngôn ngữ
lập trính cấp cao như C, Pascal, Các hàm cơ sở của nó bao gồm
việc tạo các đối tượng cơ sở của hính ảnh như đoạn thẳng, đa giác,
đường tròn,… thay đổi màu sắc, chọn khung nhín, áp dụng các
phép biến đổi.
Các ứng dụng đồ họa được thiết kế cho những người dùng
không phải là lập trính viên, cho phép người dùng tạo các đối
tượng, hính ảnh, … mà không cần quan tâm tới việc chúng được
tạo ra như thế nào. Vì dụ như là Photoshop, AutoCAD, …
Mục tiêu căn bản của các phần mềm đồ họa được chuẩn là
tình tương thìch. Khi các còng cụ được thiết kế với các hàm đồ họa
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.
Chuẩn cho việc phát triển các phần mềm đồ họa đã ra đời đó

là GKS (Graphics Kernel System – Hệ đồ họa cơ sở). Hệ thống này

15
ban đầu được thiết kế cho tập các còng cụ đồ họa hai chiều, sau đó
được phát triển và mở rộng cho đồ họa ba chiều.
Các hàm của GKS thực sự chỉ là các mô tả trừu tượng, độc
lập với bất kí ngôn ngữ lập trính nào. Để cài đặt một chuẩn đồ họa
cho ngôn ngữ cụ thể nào, các cú pháp tương ứng sẽ được xác định
và cụ thể hóa.
GKS xác lập được các ý tưởng ban đầu cho các hàm đồ họa
cơ sở, tuy nhiên nó không cung cấp một cách thức chuẩn cho việc
giao tiếp đồ họa với các thiết bị xuất. Nó cũng không xác định các
cách thức cho các mô hính thời gian thực cũng như các cách thức
lưu trữ và chuyển đổi hính ảnh
1.3.3 Hệ tọa độ thực, hệ tọa độ thiết bị và hệ tọa độ chuẩn
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 tình. Bởi ví,
các
đối tượng trong thế giới thực được mô tả bằng tọa độ thực.
Trong khi đó, hệ tọa độ thiết bị lại sử
dụng hệ tọa độ nguyên để
hiển thị các hính ảnh. Đây chình là vấn đề cơ bản cần giải quyết.
Ngoài ra, còn có một khó khăn khác là với các thiết bị khác nhau thí
có các định nghĩa khác nhau. Do đó, cần có một phương pháp
chuyển đổi tương ứng giữa các hệ tọa độ và đối tượng phải được
định nghĩa bởi các thành phần đơn giản như thế nào để có thể mô tả
gần đúng với hính ảnh thực bên ngoài.
a. Hệ tọa độ thực:

Một trong những hệ tọa độ thực thường được dùng để mô tả
các đối tượng trong thế giới thực là hệ tọa độ Descartes. Với hệ tọa