Nghiên cứu kỹ thuật hiển thị hình ảnh ba chiềuu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

VŨ THỊ MAI HƯƠNG GIANG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT HIỂN THỊ
HÌNH ẢNH BA CHIỀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

THÁI NGUYÊN - 2016


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

VŨ THỊ MAI HƯƠNG GIANG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT HIỂN THỊ
HÌNH ẢNH BA CHIỀU

Chuyên ngành
Mã số

: Khoa học máy tính
: 60480101

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS ĐỖ NĂNG TOÀN

THÁI NGUYÊN - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi,
kết quả của luận văn hoàn toàn là kết quả của tự bản thân tôi tìm hiểu, nghiên
cứu dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn PGS.TS Đỗ Năng Toàn.
Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính pháp lý quá trình nghiên cứu khoa
học của luận văn này.

Thái Nguyên, 16 tháng 5 năm 2016
Học viên

Vũ Thị Mai Hương Giang


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS. TS Đỗ Năng Toàn
người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận
văn.
Con xin gửi lời cảm ơn Ba, Mẹ, anh chị em trong gia đình đã luôn bên con
để ủng hộ, động viên và tạo mọi điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình con học
tập và nghiên cứu làm luận văn.
Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trường Đại học
Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên, các thầy cô Viện
Công nghệ thông tin đã truyền đạt những kiến thức và giúp đỡ em trong suốt quá
trình học của mình.
Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Đại học Y
Dược Thái Nguyên, các đồng nghiệp và bạn bè đã tạo điều kiện thuận lợi cho

học viên tham gia khóa học và quá trình hoàn thành luận văn.
Thái Nguyên,16 tháng 5 năm 2016
Học viên

Vũ Thị Mai Hương Giang


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ 3
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. 4
DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... 6
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... 8
PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................. 1
CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HOẠ 3D VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ 3D . 3
1.1. Khái quát về kỹ thuật đồ hoạ 3D............................................................ 3
1.1.1. Đồ họa 3D là gì? ............................................................................. 3
1.1.2. Lịch sử phát triển ............................................................................ 3
1.1.3. Các kỹ thuật đồ họa ........................................................................ 5
1.1.4. Phần cứng đồ họa (Graphics HardWare) ......................................... 9
1.1.5. Các ứng dụng cơ bản của đồ họa 3D ............................................. 15
1.2. Bài toán hiển thị đối tượng 3D............................................................. 17
1.2.1. Phát biểu bài toán ứng dụng .......................................................... 17
1.2.2. Nguyên lý về 3D (three-Dimension) ............................................. 18
1.2.3. Đặc điểm của kỹ thuật đồ hoạ 3D ................................................. 18
1.2.4. Các phương pháp hiển thị 3D ....................................................... 19
CHƯƠNG 2 ................................................................................................... 21
MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3 CHIỀU .................... 21
2.1. Biểu diến dữ liệu 3D............................................................................ 21
2.1.1. Kỹ thuật biểu diễn bề mặt (Surface rendering - SR) ...................... 21
2.1.2. Kỹ thuật biểu diễn thể tích (volume rendering - VR) ................... 27

2.2. Hiển thị 3D .......................................................................................... 33
2.2.1. Kỹ thuật hiển thị Stereo ................................................................ 33
2.2.2. Kỹ thuật hiển thị hình ảnh thông qua phép chiếu .......................... 42
CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ......................................... 48
3.1. Bài toán ............................................................................................... 48
3.2. Phân tích, lựa chọn công cụ ................................................................. 48
3.2.1. Phân tích ....................................................................................... 48
3.2.2. Lựa chọn công cụ ......................................................................... 49
3.3. Chương trình thử nghiệm..................................................................... 56
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................... 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 63


DANH MỤC HÌNH

Hình 1. 1 Ảnh đồ hoạ điểm ................................................................................. 5
Hình 1. 2. Kỹ thuật đồ họa điểm ......................................................................... 6
Hình 1. 3. Mô hình đồ họa vector ....................................................................... 6
Hình 1. 4.Các thành phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác ................................... 9
Hình 1. 5. Cấu tạo màn hình CRT .................................................................... 10
Hình 1. 6. Tổ chức của bảng tra màu LUT (Look Up Table) ............................ 13
Hình 1. 7. Phép chiếu Stereo .......................................................................... 18
Hình 1. 8. Các cách mô tả đối tượng 3D .......................................................... 19
Hình 1. 9. Các góc nhìn khác nhau của mô hình 3D......................................... 19
Hình 1. 10. Các phương pháp hiển thị 3D ........................................................ 20
Hình 2. 1. Hình ảnh 3D được biểu diễn theo phương pháp SR ........................ 21
Hình 2. 2. Minh họa thuật toán Marching square ............................................ 22
Hình 2. 3. 16 trường hợp Marching Square ..................................................... 22
Hình 2. 4. Minh họa tạo bề mặt từ các đường viền .......................................... 23
Hình 2. 5. Xây dựng bề mặt theo giá trị của các đỉnh ...................................... 24

Hình 2. 6. Các trường hợp một mặt đi qua khối lập phương trong thuật toán
Marching Cubes............................................................................................... 24
Hình 2. 7. Một trường hợp lỗi của Marching Cubes ........................................ 25
Hình 2. 8. Chia khối lập phương thành các khối tứ diện.................................. 26
Hình 2. 9. Hai trường hợp mặt phẳng đi qua khối tứ diện trong ...................... 26
Hình 2. 10. Minh họa thuật toán Dividing Cubes để vẽ đường trong mặt phẳng
......................................................................................................................... 26
Hình 2. 11. Minh họa thuật toán Dividing Cubes trong không gian ba chiều .. 27
Hình 2. 12. Hình ảnh 3D biểu diễn theo phương pháp VR ............................... 27
Hình 2. 13. Minh họa kỹ thuật object –order .................................................... 28
Hình 2. 14. Minh họa kỹ thuật image –order.................................................... 28
Hình 2. 15. Mô hình Blinn / Kajiya .................................................................. 30
Hình 2. 16. Sơ đồ tổng quan của rendering MIP.............................................. 32
Hình 2. 17. Tạo một cảnh 3D lập thể ............................................................... 34
Hình 2. 18. Kính Anaglyph 3D ......................................................................... 37
Hình 2. 19. Thiết bị Head - gắn kết .................................................................. 38
Hình 2. 20. Kính màu Anaglyph 3D.................................................................. 39
Hình 2. 21. Quá trình thu nhận ảnh của con người .......................................... 40
Hình 2. 22. Quan sát đối tượng bằng một mắt (mắt phải)................................. 41
Hình 2. 23. Dùng hai camera để tạo ra hai hình ảnh của đối tượng ................. 41
Hình 2. 24. Ví dụ minh họa các phép chiếu phối cảnh ...................................... 42
Hình 2. 25. Điểm triệt tiêu ................................................................................ 42
Hình 2. 26. Phép chiếu phối cảnh một tâm chiếu.............................................. 43
Hình 2. 27. Phép chiếu phối cảnh 2 tâm chiếu.................................................. 44
Hình 2. 28. Phép chiếu phối cảnh 3 tâm chiếu.................................................. 46


Hình 2. 29. Kính xem ảnh stereo cho người một mắt ........................................ 47
Hình 2. 30. Hiển thị stereo với người hai mắt................................................... 47
Hình 3. 1. Hình ảnh Stereo được hiển thị ......................................................... 59

Hình 3. 2. Hình ảnh Stereo khi xoay trái .......................................................... 59
Hình 3. 3. Hình ảnh Stereo khi xoay phải ......................................................... 60


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

STT

Ký hiệu

Tiếng Anh

Tiếng Việt

1

2D

Two - dimensional

Không gian hai chiều

2

3D

Three - dimensional

Không gian ba chiều

3

CPU

Central Processing Unit

Bộ xử lí trung tâm

4

GPU

Graphic Processing Unit

Bộ xử lí đồ họa

5

SR

Surface rendering

Biểu diễn bề mặt

6

VR

Volum rendering

Biểu diễn thể tích

7

CRT

Cathode ray tube

Màn hình CRT

8

MC

Marching Cube s

Thuật toán Marching Cubes

MT

Marching Tetrahedra

9

10

11

12

MIP

MinIP
LCD

Phương pháp tạo bố cục cho

projection

ảnh

Minimum intensity

Phương pháp tạo bố cục cho

projection

ảnh

Liquid Crystal Display

Màn hình

DICOM COmmunications in
Medicine Standars

14

COP

Tetrahedra

Maximum intensity

Digital Imaging and
13

Thuật toán Marching

Centre Of Projection

Tiêu chuẩn ảnh số và truyền
thông trong y tế

Tâm chiếu


PHẦN MỞ ĐẦU

Hiện nay, ngành công nghệ thông tin đang ngày càng xâm nhập vào mọi
lĩnh vực của đời sống xã hội khi những ứng dụng tiến bộ của Tin học đang từng
ngày làm cho mọi thứ trở nên hiện đại hơn và dễ sử dụng hơn. Cùng với đà phát
triển đó, chúng ta cũng phải kể đến sự phát triển của công nghệ ba chiều, là một
trong những công nghệ đang được sử dụng một cách phổ biến hiện nay, tức là
những hình ảnh được dựng nên một cách sống động như thật với sự trợ giúp của
các phần mềm đồ họa vi tính. Do nhu cầu của con người ngày càng tăng, việc
mô phỏng thế giới thực là điều phải được thực hiện. Từ những ứng dụng thiết kế
ba chiều phục vụ cho việc chế tạo máy móc thiết bị, xây dựng nhà ở công trình
kiến trúc, đến các ứng dụng mô phỏng thử nghiệm tính năng trong công nghiệp
chế tạo xe hơi, máy bay,…Điều này cho thấy công nghệ ba chiều không thể

thiếu được đối với cuộc sống.
Tuy nhiên, tất cả các kỹ thuật đó chỉ làm cho con người có cảm giác
dường như cảnh đang xem là thực, con người vẫn không thể cảm nhận được
chiều thứ ba của đối tượng. Hiển thị ba chiều hay còn gọi là hiển thị Stereo là
một kỹ thuật biểu diễn một đối tượng trong thế giới ba chiều lên mặt phẳng hai
chiều mà làm cho con người vẫn cảm nhận được chiều thứ ba của nó. Thông
thường, để quan sát được các hình ảnh Stereo cần phải có các thiết bị phần cứng
hỗ trợ như: Card màn hình hỗ trợ stereo, kính quan sát stereo, thiết bị Emitter
truyền tín hiệu từ card màn hình đến kính quan sát.
Trong lĩnh vực biểu diễn, hiển thị hình ảnh 3D có hai phần chính là tạo
mô hình bề mặt (Modeling) và tạo sự chuyển động cho mô hình (Animation).
Hiển thị hình ảnh ba chiều được coi là các bước khởi đầu cho hệ thống mô
phỏng thực tại ảo, góp phần tạo nên hệ thống mô phỏng hoàn chỉnh. Ví dụ như
nó có thể tạo ra hình ảnh ba chiều của phong cảnh rộng lớn, hình ảnh ba chiều
của các đối tượng sống hoặc thậm chí hình ảnh ba chiều của vật thể chuyển
động. Các mô hình cho ảnh ba chiều tổng hợp có thể hoàn toàn ảo, được tạo ra
1


trong một mô hình 3D trong máy tính,…Đây là một trong những lĩnh vực thu
hút được sự quan tâm nhiều nhất của giới nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ
thông tin trong mấy chục năm qua. Hiển thị hình ảnh ba chiều là đích hướng tới
của các kỹ thuật công nghệ thông tin hiện đại nhằm giúp con người có thể tương
tác một cách thân thiện với máy tính, lĩnh vực này cũng đang là một xu hướng
tất yếu trong thời đại mới, bởi nó đã đáp ứng được những nhu cầu hết sức đa
dạng của con người trong xã hội ngày nay. Từ những lý do trên cùng với gợi ý
của Thầy hướng dẫn học viên đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật hiển thị
hình ảnh 3 chiều”.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Mô hình đối tượng 3D trong máy tính.

- Phạm vi nghiên cứu: Đối tượng riêng lẻ hay đơn đối tượng.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu, tổng hợp tài liệu, phân tích,
đánh giá các phương pháp.
- Phương pháp thực nghiệm: xây dựng chương trình cụ thể để thử nghiệm,
phân tích, đánh giá kết quả đạt được.
Luận văn gồm ba phần chính:
Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HOẠ 3D VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ 3D
Chương này khái quát về đồ họa 3D, Nguyên lý về 3D và bài toán hiển thị
đối tượng 3D.
Chương 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3 CHIỀU
Chương này giới thiệu về một số vấn đề trong hiển thị hình ảnh ba chiều,
bao gồm việc biểu diễn dữ liệu 3D và hiển thị 3D.
Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM

2


CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HOẠ 3D VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ 3D

Nội dung chính của chương sẽ trình bày khái quát về đồ họa ba chiều
theo định hướng của đề tài và sơ lược bài toán hiển thị đối tượng 3D.
1.1. Khái quát về kỹ thuật đồ hoạ 3D
1.1.1. Đồ họa 3D là gì?
Như nhiều người đã biết, 3 - D thực ra là tên viết tắt của từ 3 - Dimension
(3 chiều). Kỹ thuật 3 - D mà người ta vẫn sử dụng một cách phổ biến hiện nay
thường đi liền với khái niệm “đồ họa 3D” - tức là những hình ảnh được dựng
nên một cách sống động như thật với sự trợ giúp của các phần mềm đồ họa vi
tính. Mục đích chính của đồ họa 3D là tạo ra và mô tả các đối tượng, các mô
hình trong thế giới thật bằng máy tính sao cho càng giống với thật càng tốt. Việc

nghiên cứu các phương pháp các kỹ thuật khác nhau của đồ họa 3D cũng chỉ
hướng đến một mục tiêu duy nhất đó là làm sao cho các nhân vật, các đối tượng,
các mô hình được tạo ra trong máy tính giống như thật.
1.1.2. Lịch sử phát triển
- Thập niên 1960
Lịch sử của đồ họa máy tính vào thập niên 1960 còn được đánh dấu bởi dự
án Sketch Pad được phát triển tại học viện công nghệ Massachusetts (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 lần 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 trong thời
gian thực [1]. Hệ thống Sketch Pad này được dùng để thiết kế hệ thống mạch
điện và bao gồm những thành phần sau:
 CRT màn hình
 Bút sáng và một bàn phím bao gồm các phím chức năng
 Máy tính chứa chương trình xử lý các thông tin

3


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 nên.
- Thập niên 1970
Kỹ thuật đồ họa đươc liên tục hoàn thiện vào thập niên 1970 với sự xuất
hiện của các chuẩn đồ họa làm tăng cường khả năng giao tiếp và tái sử dụng của
phần mềm cũng như các thư viện đồ họa.
- Thập niên 1980
Sự phát triển vượt bậc của công nghệ vi điện tử và phần cứng máy tính
vào thập niên 1980 làm xuất hiện hàng loạt các vi mạch hỗ trợ cho việc truy xuất
đồ họa đi cùng với sự giảm giá đáng kể của máy tính cá nhân làm đồ họa ngày

càng đi sâu vào cuộc sống thực tế.
- Thập niên 1990
Thập niên 90 phát triển 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 các phương pháp chuẩn cho các mô hình
thời gian thực và lập trình hướng đối tượng. Giao diện người máy HumanComputer Interface (HCI)
OpenGL API (Application Program Interface - giao diện chương trình ứng
dụng). Completely computer-sinh ra ngành điện ảnh phim truyện (Toy Story) rất
thành công.
Các tiềm tàng phần cứng mới: Texture mapping (dán các ảnh của cảnh
thật lên bề mặt của đối tượng), blending (trộn màu)….
- Thập niên 2000 đến nay
Ảnh hiện thực, các cạc đồ hoạ cho máy tính (Graphics cards for PCs),
game boxes and game players
Công nghiệp phim ảnh nhờ vào đồ hoạ máy tính (Computer graphics
becoming routine in movie industry): Maya (thế giới vật chất tri giác được)….
4


1.1.3. Các kỹ thuật đồ họa
1.1.3.1. 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: Có thể thay đổi thuộc tính của từng điểm ảnh rời rạc.
+ Xoá đi từng pixel của mô hình và hình ảnh các đối tượng.
+ Các mô hình hình ảnh được hiển thị như một lưới điểm (grid) các pixel rời rạc
+ Từng pixel đều có vị trí xác định, được hiển thị với một giá trị rời rạc
(số nguyên) các thông số hiển thị (màu sắc hoặc độ sáng)
+ Tập hợp tất cả các pixel của grid cho chúng ta mô hình, hình ảnh đối
tượng mà chúng ta muốn hiển thị.

Hình 1. 1

Ảnh đồ hoạ điểm

Phương pháp để tạo ra các pixel:
- Phương pháp dùng phần mềm để vẽ trực tiếp từng pixel một.
- Dựa trên các lý thuyết mô phỏng (lý thuyết Fractal, v.v) để xây dựng
nên hình ảnh mô phỏng của sự vật.
- Phương pháp rời rạc hoá (số hoá) hình ảnh thực của đối tượng.
- Có thể sửa đổi (image editing) hoặc xử lý (image processing) mảng các
pixel thu được theo những phương pháp khác nhau để thu được hình ảnh đặc
trưng của đối tượng [1].

5


Hình 1. 2.

Kỹ thuật đồ họa điểm

1.1.3.2. Kỹ thuật đồ họa Vector
Mô hình đồ họa

Các tham số tô trát

Tô trát
Thiết bị ra
Hình 1. 3. Mô

hình đồ họa vector

- Mô hình hình học (geometrical model) của đối tượng.
- Xác định các thuộc tính của mô hình hình học này
- Quá trình tô trát (rendering) để hiển thị từng điểm của mô hình, hình
ảnh thực của đối tượng.
So sánh giữa Raster và Vector Graphics.
Đồ họa điểm (Raster Graphics)

Đồ họa Vector (Vector Graphics)

- Hình ảnh và mô hình của các vật thể - Không thay đổi thuộc tính của từng
được biểu diễn bởi tập hợp các điểm điểm trực tiếp
của lưới (grid)
- Thay đổi thuộc tính của các pixel sẽ - Xử lý với từng thành phần hình học
dẫn đến thay đổi từng phần và từng cơ sở của nó và thực hiện quá trình tô

6


vùng của hình ảnh.

trát và hiển thị lại.

- Copy được các pixel từ một hình ảnh - Quan sát hình ảnh và mô hình của
này sang hình ảnh khác

hình ảnh và sự vật ở nhiều góc độ
khác nhau bằng cách thay đổi điểm
nhìn và góc nhìn.

1.1.3.3. Phân loại của đồ họa máy tính (Phân loại theo hệ tọa độ)
- Kỹ thuật đồ họa: + Kỹ thuật đồ họa 2 chiều
+ Kỹ thuật đồ họa 3 chiều
- Kỹ thuật đồ họa 2 chiều: là kỹ thuật đồ họa máy tính sử dụng hệ tọa độ hai
chiều (hệ tọa độ thẳng), sử dụng rất nhiều trong kỹ thuật xử lý bản đồ, đồ thị.
- Kỹ thuật đồ họa 3 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 2
chiều.
- Các lĩnh vực của đồ họa máy tính:
+ 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 nối 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 chí được xác định từ trước và bằng các
thuật toán chọn lọc để có thể phân tích hay tổng 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

7


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 Studio, 3D Animation, 3D Studio Max.
1.1.3.4. Các chuẩn giao diện của hệ đồ hoạ
Mục tiêu căn bản của các chuẩn cho phần mềm đồ hoạ là đảm bảo tính
tương thích. Khi các công cụ được thiết kế với hàm đồ hoạ 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.
GKS (Graphics Kernel System): chuẩn xác định các hàm đồ hoạ chuẩn,
được thiết kế như một tập hợp các công cụ đồ hoạ hai chiều và ba chiều.
CGI (Computer Graphics Interface System): hệ chuẩn cho các phương
pháp giao tiếp với các thiết bị ngoại vi.
CGM (Computer Graphics Metafile): xác định các chuẩn cho việc lưu
trữ và chuyển đổi hình ảnh.
VRML (Virtual Reality Modeling Language): ngôn ngữ thực tại ảo, một
hướng phát triển trong công nghệ hiển thị được đề xuất bởi hãng Silicon
Graphics, sau đó đã được chuẩn hóa như một chuẩn công nghiệp.
PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics Standard): xác định
các phương pháp chuẩn cho các mô hình thời gian thực và lập trình hướng đối
tượng.
OPENGL thư viện đồ họa của hãng Silicon Graphics, được xây dựng theo
đúng chuẩn của một hệ đồ họa năm 1993.
DIRECTX thư viện đồ hoạ của hãng Microsoft, Direct X/Direct3D 1997.
8


1.1.4. Phần cứng đồ họa (Graphics HardWare)
1.1.4.1. Các thành phần phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác
CPU: Thực hiện các chương trình ứng dụng.

Bộ xử lý hiển thị (Display Processor): thực hiện công việc hiển thị dữ liệu đồ hoạ.
Bộ nhớ hệ thống (System Memory): chứa các chương trình và dữ liệu đang
thực hiện.
Gói phần mềm đồ hoạ (Graphics Package): cung cấp các hàm đồ hoạ cho
chương trình ứng dụng
Phần mềm ứng dụng (Application Program): phần mềm đồ hoạ ứng dụng.
Bộ đệm (Frame buffer): có nhiệm vụ chứa các hình ảnh hiển thị.
Bộ điều khiển màn hình (Video Controller): điều khiển màn hình, chuyển
dữ liệu dạng số ở frame buffer thành các điểm sáng trên màn hình.

Hình 1. 4.Các

thành phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác

1.1.4.2. 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 perinch)
Số lượng màu có thể vẽ trên một điểm:
9


Dot size

Point per inch

8 - 20/ 100inch

200, 600

5/1000inch

1500

Máy vẽ

6,15/1000 inch

1000, 2000

1.1.4.3. Màn hình (monitor - display)
Màn hình là một thiết bị hoàn chỉnh dùng để hiển thị hình ảnh theo yêu cầu
bao gồm tất cả những mạch phụ trợ cần thiết bên trong. Cấu tạo chính gồm có
bộ phận kiểm soát (Monitor) và màn hiển thị hình (Display).
Ở các màn hình thông dụng CRT (Cathode Ray Tube display) sử dụng bộ
phận hiển thị dùng đèn ống phóng tia âm cực CRT(còn gọi là ống tia âm cực) là
bộ phận chính của màn hình, CRT có cấu tạo chính là một ống thuỷ tinh kín
chứa khí trơ ở áp suất thấp. Một đầu ống có gắn súng điện tử (Electron gun) là
cực âm (Cathode). Khi súng điện tử được đốt nóng, ở điện áp cao (khoảng
15000-:-20000V), nó sẽ phát ra chùm điện tử.
Chùm điện tử sẽ chạy suốt chiều dài ống, chịu sự điều khiển của các mạch
điện bên ngoài và bị hút về cực dương (Anode) ở đầu kia của ống, cuối cùng đập
mạnh lên màn hình huỳnh quang phủ photpho tạo ra một chấm sáng màn hiển
thị hình. Đối với các màn hình màu thì các chấm phát sáng này được cấu tạo bởi
một bộ ba điểm màu RGB.

Âm cực

Hệ điều chỉnh tiêu
điểm

Súng điện tử

màn hiển thị
hình

phủ phot pho (bộ ba
điểm màu RGB)

Hình 1. 5. Cấu tạo màn hình CRT

10


Ngay sát màn hiển thị hình, về phía súng điện tử là một mặt nạ che
(shadow). Đó là một tấm kim loại được khoan thủng nhiều lỗ để giúp các tia
điện tử bắn vào đúng vị trí. Như vậy, ba chùm tia điện tử chỉ bắn vào một điểm
trên màn hiện hình. Có ba súng điện tử ứng với ba màu cơ bản là Đỏ, Lục và
Xanh Lam (Red. Green, Blue). Thường có hai kiểu bố trí súng điện tử: tam giác
và hàng ngang.
Đối diện với súng, ở cuối đường đi của chùm tia điện tử là màn hiển thị
hình. Đó là một màn thủy tinh hình chữ nhật, mặt trong có quét một lớp bột
Photpho còn gọi là bột huỳnh quang. Ở màn hình đơn sắc, lớp photpho có một
loại nên khi chùm tia điện tử đập vào chỉ phát sáng một màu. Đối với màn hình
màu, mặt trong màn hiển thị hình gồm nhiều bộ ba điểm màu, ba chấm photpho
khác loại nên sẽ phát sáng theo ba màu khác nhau: Đỏ, Lục và Xanh lam. Khi
thay đổi cường độ sáng của ba màu cơ bản này sẽ làm màu tổ hợp của bộ ba
điểm màu này thay đổi theo.
Ta cũng cần chú ý rằng, màn hình hiển thị là một tấm thuỷ tinh có quét lớp
huỳnh quang (Photpho) bên trong nên có phản xạ các nguồn sáng bên ngoài

giống như gương soi, sẽ gây mỏi mắt nếu ta nhìn lâu.
Phần tử nhỏ nhất của một hình được hiển thị là pixel hay còn gọi là điểm
ảnh. Ở độ nét tốt nhất, điểm ảnh trên màn hình màu là một bộ ba điểm màu
photpho, mỗi điểm màu trong bộ ba này sẽ phát ra một màu khác nhau khi có tia
điện tử đập vào. Ở độ nét thấp, một điểm ảnh có thể gồm vài ba điểm ảnh. Độ
hội tụ (convergence) được dùng đánh giá độ nét màn hình, độ hội tụ kém có thể
nhận biết được khi các hình ảnh trên màn hình có đường viền nhiều màu sắc bao
quanh.
Mặt nạ che đã giúp các chùm tia điện tử hội tụ đúng chỗ. Ngoài ra còn có
hệ điều chỉnh tiêu điểm (system focusing) để điều chỉnh độ hội tụ.Trong quá
trình máy tính hoạt động, chùm điện tử không đứng yên một chỗ mà được lấy từ
trái sang phải (quét ngang) hoặc từ trên xuống dưới (quét dọc) với tốc độ quét
11


cực nhanh làm cho chúng ta nhìn thấy dường như toàn màn hình đang sáng lên
cùng một lúc, các điểm ảnh hiện lên màu khác nhau tạo ra hình ảnh trên màn
hình.
Phổ biến đối với các thiết bị màn hình là lái tia bằng từ trường. Thành phần
cơ bản của bộ lái tia từ trường là các nam châm điện nằm đối diện nhau ở cổ
CRT gọi là cuộn lái tia (Deflection Yoke). Khi cho các xung dòng điện răng cưa
chạy vào các cuộn dây này, trong ống sẽ hình thành các từ trường tác dụng lên
chùm điện tử, làm cho chúng bị lệch hướng chuyển động. Tùy loại màn hình
CRT mà việc quét ngang theo các tần số dòng khác nhau, tức là số dòng quét
được trong mỗi giây sẽ khác nhau. Các dòng quét lần lượt được rải từ trên xuống
dưới màn hình để tạo nên một mành, do tác dụng của các từ trường quét dọc. Số
mành tạo nên trong mỗi giây đồng hồ gọi là tần số mành (Vertical frequency)
hay tần số quét đứng, có đơn vị là Héc (Hertz) được ký hiệu là HZ. Tần số quét
mành là một yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng màn hình. Nếu tần số
mành dưới 70 Hz có thể gây ra hiện tượng rung giật hình (flicker) đặc biệt là

trong môi trường chiếu sáng của đèn huỳnh quang, làm nhức mắt và đau đầu cho
người dùng.
Độ phân giải là một chỉ tiêu rất quan trọng vì nó cho biết độ sắc nét mà một
màn hiển thị hình có thể biểu hiện được các chi tiết của hình ảnh. Thông thường
độ phân giải được biểu hiện bằng số lượng các điểm ảnh, ví dụ: “độ phân giải
"800x600” có nghĩa là màn hình có thể hiển thị được 800 điểm ảnh trên chiều
ngang và 600 điểm ảnh theo chiều dọc.
Đối với màn hình CRT hoạt động ở độ phân giải cao nhất thì điểm ảnh là
một cụm ba điểm photpho màu cơ bản. Súng điện tử sẽ bắn tia điện tử vào đúng
một điểm photpho thích hợp của nó, làm phát sáng cụm ba này với độ sáng nào
đấy, tạo nên một điểm ảnh có màu chính xác. Một đại lượng đo khác rất quan
trọng đối với sắc nét của màn hình là bước chấm (dot pitch). Bước chấm là
khoảng cách giữa các điểm ảnh tính theo milimét. Thông thường các bước chấm
12


của các màn hình CRT là 0,19mm; 0,28mm; 1,31mm. Bước chấm càng nhỏ thì
các điểm ảnh càng sít nhau và độ nét của hình càng cao. Như vậy ba yếu tố quan
trọng quyết định độ sắc nét của hình ảnh là: kích thước màn hình, độ phân giải
và bước chấm.
1.1.4.4. Bảng tra màu LUT (Look Up Table)
x'

o
K
33

B

1001 1010 0001

100110100001

100110100001

G

33

y'
điểm ảnh hiển
thị tại x' , y'

Red Green Blue
Vùng nhớ đệm

Bảng tra màu

Màn hiển thị hình

Hình 1. 6. Tổ chức của bảng tra màu LUT (Look Up Table)

Bộ điều khiển video của hệ hiển thị raster thường kèm theo bảng tra màu
(LUT). Bảng tra màu có nhiều cổng vào tương ứng với nhiều điểm ảnh. Mỗi giá
trị của điểm ảnh không dùng để điểu khiển trực tiếp các tia điện tử mà chỉ số
sang bảng tra màu. Giá trị đầu của bảng dùng để điều khiển cường độ hoặc màu
của màn hình. Chẳng hạn, ở điểm ảnh có giá trị 33 sẽ có nội dung tương ứng
trong LUT với cổng số 33 và dùng để điều khiển các tia điện tử của màn hình.
Hoạt động của bảng tìm kiếm này làm cho mỗi điểm ảnh hiển thị trong chu kỳ,
do đó bảng phải được nhận nhanh chóng .

Trong hình 1.6 LUT ở giữa vùng nhớ đệm. Vùng nhớ đệm có 8 bit cho một
điểm ảnh (8bits**********), do LUT có 28 = 256 đầu vào.
Hình 1.6 biểu diển tổ chức của bảng tra màu. Điểm ảnh có giá trị 33 (giá trị
nhị phân là 100110100001) được biểu diễn trên màn hình với tia hiện màu Đỏ
bằng 9/15 giá trị lớn nhất, màu Lục bằng 10/15 giá trị lớn nhất, màu Xanh da
trời 1/15 giá trị lớn nhất. Bảng tra màu này có 12 bit.

13


Bảng tra màu chỉ có ý nghĩa đối với chế độ đồ họa 256 màu vì thanh ghi tối
đa của bảng tra màu là 256. Ảnh lớn hơn 256 thì màu thì giá trị màu của điểm
ảnh được ánh xạ trực tiếp không thông qua bảng tra.
Về màu sắc và độ tương phản, khi nhìn một vật, ta thấy nó sáng hơn vật
khác là do nó phản xạ ánh sáng mạnh hơn vật khác hay cường độ ánh sáng phản
xạ trên bề mặt của nó là lớn hơn.
Ở mức mã hóa một màu là 8 bits, mức độ sáng của một thành phần màu
trong máy tính có giá trị trong khoảng từ 0 đến 255 (28 = 256). Mỗi màu trong
máy tính là tổ hợp của 3 thành phần Red, Green, Blue, Mỗi thành phần có giá trị
trong khoảng từ 0 đến 255.
Ví dụ : Màu Red tuyệt đối thì có tổ hợp (255,0,0), màu Green tuyệt đối là
(0,255,0), màu Blue tuyệt đối là (0,0,255) và màu trắng là (255,255,255). Như
vậy độ sáng thực tế được mô phỏng trong máy tính như sau: mỗi một màu có tổ
hợp (IR,IG,IB) trong đơn vị tương đối được mô phỏng bằng một tổ hợp (R,G,B):
Trong đó, R = round (255*IR)
G = round (255*IG)
B = round (255*IB)
Với mỗi điểm hiển thị, ta tính được cường độ ánh sáng tương đối của
3 thành phần màu là Red (đỏ), Green (Lục) và Blue (Xanh Lam hoặc xanh
Da Trời): I R, I G, IB .

Còn nguồn sáng thì có cường độ ứng với các thành phần màu đơn sắc là
(IPR,IPG,IPB) trong đó cường độ ánh sáng cực đại được quy chuẩn về đơn vị
tương đối là 1.
Màu Red chuẩn thì tổ hợp nguồn có cường độ tương đối là:
(IPR,IPG,IPB) = (1,0,0)
Màu Blue chuẩn

: (IPR,IPG,IPB) = (0,0,1)

Màu Green chuẩn

: (IPR,IPG,IPB) = (0,1,0)
14


và với màu Trắng thì

: (IPR,IPG,IPB) = (1,1,1)

1.1.5. Các ứng dụng cơ bản của đồ họa 3D
Kỹ thuật hình ảnh 3 chiều hiện đại đã được áp dụng trong một số lĩnh vực
đạt hiệu quả cao như xây dựng, kiến trúc, ngành công nghiệp giải trí, ứng dụng y
tế... Trong thập kỷ qua, các kỹ thuật dựa trên máy tính đã dẫn đầu trong ngành
công nghiệp hiển thị 3D. Mặc dù hình ảnh 3D bằng cách sử dụng những cái gọi
là kỹ thuật lập thể có thể đôi khi còn nhiều hơn so với thực tế hologram (màu
sắc trung thực, chuyển động), nó cũng mang lại những vấn đề cụ thể.
Ứng dụng của Công nghệ 3D trong thiết kế kiến trúc và Bất động sản
3D là một thành tựu tiên tiến nhất của công nghệ phần mềm và máy tính,
mang lại những hiệu ứng to lớn trong trình diễn các dự án kiến trúc và bất động
sản. Từ những phối cảnh đơn giản đến những bộ phim phức tạp, hiệu ứng 3D đã

diễn tả thành công những ý tưởng kiến trúc một cách sinh động và cụ thể nhất,
mang lại những cảm nhận ấn tượng về công trình khi gắn với cuộc sống thực tế.
Nhờ vào sự phát triển của phần mềm và tốc độ xử lý của máy tính, trong những
năm gần đây, bất cứ dự án nào cũng có thể sử dụng công nghệ tiên tiến này với
mức giá phù hợp.
Ứng dụng đồ họa 3 chiều trong y tế
Ứng dụng công nghệ hình ảnh 3 chiều vào lĩnh lực Y tế đã thu hút được
sự quan tâm và chú ý của nhiều người trong lĩnh vực y học. Nhiều bác sĩ đã vận
dụng công nghệ mới này để phục vụ điều trị bệnh nhân giúp tăng độ chính xác
trong chẩn đoán và đã đạt được hiệu quả cao.
Ứng dụng đồ họa 3 chiều trong xây dựng kiến trúc
Trong lĩnh vực này, người thiết kế có thể vẽ lên không gian ba chiều, để
từ đó sẽ ứng dụng được vật liệu thật vào không gian, phối trí và phân tích ánh
sáng, thông gió hợp lý nhất cho công trình thiết kế xây dựng làm cho sự kết hợp
giữa các yếu tố, bố trí các vật dụng trở nên hài hòa.
Ứng dụng đồ họa 3 chiều trong ngành công nghiệp giải trí
15


Công nghệ 3D trong phim ảnh đang là xu hướng phát triển của điện ảnh
thế giới. Ứng dụng tạo hình 3D mang đến cho người xem những trải nghiệm
thực sự, những hình ảnh sống động và hấp dẫn. Nó cũng được sử dụng để tạo
các hiệu ứng trong phim, khán giả sẽ được trải nghiệm những hành động, hình
ảnh cử chỉ sống động như thật.
Ứng dụng đồ họa 3 chiều trong lĩnh vực quốc phòng và an ninh:
Ứng dụng này được áp dụng trong giảng dạy đối với các môn khoa học
như Giáo dục quốc phòng, quân sự. Từ đó người học có thể quan sát được chi
tiết các hoạt động của các bộ phận cơ khí, quy trình hoạt động của chúng, mô
phỏng 3D sẽ mô tả được chi tiết cụ thể quá trình chuyển vận của các sự vật, hiện
tượng giúp cho người học dễ nhận biết và tiếp thu.

Lĩnh vực bản đồ (Cartography): Các bản đồ về địa hình, du lịch, giao thông
ngày nay ứng dụng rất tốt công nghệ 3D như: Google Map; Google Earth; Chỉ
dẫn giao thông Sygic với mức tương tác rất cao, cho phép người dùng bổ sung
các địa điểm trên bản đồ, các trạm xăng trên các chặng đường và tình hình ùn
tắc giao thông về hệ thống…
Giáo dục và đào tạo: Giáo dục đào tạo đã và đang tăng cường ứng dụng
công nghệ thông tin trong quản lý giáo dục và giảng dạy, các thầy cô giáo dần
làm quen với giáo án điện tử, E_learning,…; học sinh được học bài giảng trực
tuyến, đào tạo từ xa…; trong các tiết học thực hành với chi phí về đồ dùng thí
nghiệm đắt đỏ thì việc ứng dụng các phần mềm thí nghiệm ảo để mô phỏng các
thí nghiệm vật lí, hóa học và các chi tiết máy trong môn Công nghệ là vô cùng
hiệu quả, học sinh có thể thay đổi các tham số của chương trình để có các ca thí
nghiệm khác nhau. Như vậy tiết kiệm được chi phí, vẫn đảm bảo tốt mục tiêu
giáo dục.

16


1.2. Bài toán hiển thị đối tượng 3D
1.2.1. Phát biểu bài toán ứng dụng
Qua tìm hiểu về lý thuyết một số kỹ thuật đồ họa 3D, vận dụng kiến
thức đó để có thể sử dụng các kỹ thuật đồ họa 3D của một bộ thư viện đồ
họa 3D mã nguồn mở, qua đó viết một ứng dụng để mô phỏng đối tượng
3D trong hiển thị ảo, và một trong những khâu quan trọng của thực tại ảo
là mô hình hóa, đó là việc tạo ra mô hình 3D của đối tượng trên máy tính.
Thực tại ảo - có tài liệu gọi là thực tế ảo là một hệ thống mô phỏng
trong đó đồ họa máy tính được sử dụng để tạo ra một thế giới “như thật”,
người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn
của họ và bị thu hút bởi sự mô phỏng này.
Bài toán đặt ra là có thể mô phỏng, biểu diễn một đối tượng, hay một

vật thể chuyển động trong thế giới 3 chiều, trong đó việc mô phỏng ba
chiều trong công nghệ thực tại ảo đóng vai trò quyết định trong tính tập
trung hứng thú và tính như thực của ứng dụng. Việc mô hình hóa và tạo
hoạt ảnh cho các đối tượng là một nhánh quan trọng trong công nghệ này.
Xây dựng lên những mô hình như thực đòi hỏi có sự phân tích tỉ mỉ, chính
xác đồng thời sự mô phỏng này phải được biểu diễn trong đồ họa máy
tính ba chiều một cách trực quan sinh động. Để làm được điều đó thì ta
phải sử dụng một số kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3 chiều để ứng dụng mô
phỏng mô hình 3D. Một trong những kỹ thuật đó là kỹ thuật hiển thị
Stereo, hiển thị 3 chiều hay còn gọi là hiển thị Stereo là một kỹ thuật biểu
diễn một đối tượng trong thế giới ba chiều lên mặt phẳng hai chiều mà
làm cho con người vẫn cảm nhận được chiều thứ ba của nó. Thông thường
để quan sát được các hình ảnh Stereo cần phải có các thiết bị phần cứng
hỗ trợ như: Card màn hình hỗ trợ stereo, kính quan sát stereo, thiết bị
Emitter truyền tín hiệu từ card màn hình đến kính quan sát.
- Đăc điểm của phép chiếu Stereo:
17