Bài giảng môn đồ họa và hiện thực ảo bài 1 kỹ thuật đồ họa và hiện thực ảo (computer graphics and virtual reality)

Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email:
Tel: 0913030731

A Brief History of Computer
Graphics
Lesson 1:
Kỹ thuật đồ họa và Hiện thực ảo
Computer Graphics And Virtual Reality

z

Kỹ Thuật đồ họa cơ sở

z

Kỹ Thuật đồ họa tiên tiến
Hiện thực ảo - VRML

z

1885 - CRT (Cathode Ray Tube)

1887 - Edison patents motion
picture camera
1888 - Edison and Dickson
record motion picture photos
on a wax cylinder

Le Tan Hung

2

1

A Brief History of Computer
Graphics

Computer Graphics:
1960-1970

1926 – J.L. Baird
invents the
television.

z

1960 William Fetter (Thuật ngữ kỹ thuật
đồ hoạ máy tính (Computer Graphics)

z

1960 - SAGE (Semi-Automatic
Ground Environment System) Bút
sáng
1960-1963 Dự án Sketchpad tại MIT
1963 Ivan shutherland (hội nghị Fall
Joint Computer - lần đầu tiên khả năng
tạo mới, hiển thị và thay đổi được thực
hiện trong thời gian thực trên màn

CRT)
Wireframe graphics
Display Processors
Storage tube

z
z

30 line vertical,
black and red scan.
z
z
z

3

Ivan Sutherland’s PhD
thesis at MIT
–
–

Vấn đề tương tác người
máy
Loop
z
z
z

–

Display something
User moves light pen
Computer generates new
display

Sutherland tạo ra rất nhiều
thuật toán cho CG

4

A Brief History of Computer
Graphics

A Brief History of Computer
Graphics

1963
z

z

z

1966 Ralph Baer creates
the 1st comsumer CG
product:

z

1967

IBM creates the 360 models
–

5

z

One of the First General Purpose
Mainframes

–

SRI develops the mouse.

–

Odyssey Pinball
GE introduces first full colour
real time flight simulator for
NASA

6

1


Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email:
Tel: 0913030731

A Brief History of Computer
Graphics

Lịch sử phát triển
1970-1980
z

CG:1970-1980

z

Raster Graphics
Beginning of graphics
standards

z

1973

z

GKS: European effort

z

Core: North American effort

–

–

Becomes ISO 2D standard
3D but fails to become ISO
standard

7

Michael Crichton’s “Westworld”
uses 2D graphics

z

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.

z

IFIPS

–

z

8

A Brief History of Computer
Graphics

A Brief History of Computer
Graphics
z

1974
z Intel develop the 8080 processor.

z

1975
z Mandelbrot plots fractals
z Bill Gates starts Microsoft
1976
z Steve Jobs and Steve Wozniak start Apple.

z
z

1977 Star Wars wins oscar for special
effects.
1978 Superman wins oscar for special
effects
1979 Alien wins oscar for visual effects.

1980 The Empire Strikes Back wins oscar
for visual effects.

1977
z Academy of Motion Pictures Art and Sciences
introduces Visual Effects category for Oscars.

9

10

A Brief History of Computer
Graphics

80-90
z

CG: 1980-1990
–

z

z

–

11

VLSI implementation of graphics pipeline

Industry-based standards
z

–

chip)

Silicon Graphics geometry engine
–

–

1981 IBM introduces the first IBM PC (16 bit 8088

Special purpose hardware

PHIGS
RenderMan

• Raiders of the
Lost Ark wins
an oscar for
visual effects.

Networked graphics: X Window System
Human-Computer Interface (HCI)

12

2

Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email:
Tel: 0913030731

A Brief History of Computer
Graphics

A Brief History of Computer
Graphics

1982

1983

z

The Genesis Effect (ILM)
for Startrek II is the first all
computer animated visual
effects shot for film.

13

z

1984 PIXAR Opens

z

CGraphics: 2000-03
Photorealism
Graphics cards for PCs
dominate market

14

A Brief History of Computer
Graphics

Lịch sử phát triển
90-00

1985
z

z

The Last Starfighter is the first live
action feature film with realistic
computer animation of highly detailed
models.

z
z
z

1989
z

The Abyss is the first movie to include
convincing 3D character animation.

CGraphics: 1990-2000
OpenGL API
Tạo ra bộ phim hoạt hình hoàn
chỉnh đầu tiên (Toy Story)
Khả năng mới của phần
cứng
–
–
–

15

Texture mapping
Blending
Accumulation, stencil buffer

z
z

–

z
z

Nvidia, ATI, 3DLabs

Game boxes and game players
push the market
CGraphics trở thành công cụ
cho công nghiệp sản xuất
phim: Maya, Lightwave

16

A Brief History of Computer
Graphics

A Brief History of Computer
Graphics

1995

1996

z

Quake Released by
Id Software

z

Toy Story becomes
the first fully 3D
computer animation
feature film.

z

Independence Day wins
oscar for visual effects.

1997
z
z

17

z

First Coke Polar Bears
Commercial

Titanic wins oscar for visual
effects.
PIXAR wins oscar for best
short film: Geri’s Game.

18

3


Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email:
Tel: 0913030731

A Brief History of Computer
Graphics

A Brief History of Computer
Graphics

1998
z
z
z

2000

Armageddon
Mouse Hunt
Bugs Life

2002 Microsoft’s XBOX

Sony Playstation II
Walking with Dinosaurs
Disney’s Shrek

z
z
z

1999
z
z

z

The Matrix
Star Wars: The Phantom
Menace
Disney’s Tarzan

19

20

Kỹ thuật đồ hoạ điểm
(Sample based-Graphics)

Kỹ thuật đồ họa vi tính.
z

Definition (ISO)
– Method and Technologies for converting data to and from a
graphics devices via a computer

z

Computer Graphics (Kỹ thuật đồ hoạ máy tính) là một lĩnh
vực của Công nghệ thông tin mà ở đó nghiên cứu, xây
dựng và tập hợp các công cụ (mô hình lý thuyết và phần
mềm) khác nhau để:
z

z

z

Các mô hình, hình ảnh của các đối tượng được hiển thị
thông qua từng pixel (từng mẫu rời rạc)

z

Đặc điểm:
–
–

kiến tạo, lưu trữ, xử lý Các mô hình (model) và hình ảnh
(image) của đối tượng

–

Computer graphics deals with all aspects of creating
images with a computer

–
–

Interactive Computer Graphics: - user controls contents, structure, and
appearance of objects and their displayed images via rapid visual feedback.

21

Có thể thay đổi thuộc tính
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

22

Bitmap

Kỹ thuật đồ hoạ vector

Pascal / C
program

z

SRGP
library
positions

lines,areas,...

graphics algorithms
colour

Graphical
Model

Rendering
Parameters
z
z

X Window
System

Graphics hardware
z

Rendering
Image

Mô hình hình học (geometrical
model) cho mô hình hoặc hình ảnh
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
Vector = geometrical model +
rendering

image formats, compression, transfer
23

24

Output
Device

4


Khoa CNTT - HBK H ni
Email:
Tel: 0913030731

Vớ d v hỡnh nh ho Vector

Wireframe Model

Skeletal Model

Muscle Model

â Walt Disney and TSL

25

Raster


z

CAD/CAM System

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.

Kiến tạo đồ
hoạ



Khụng thay i thuc tớnh ca tng im trc tip



X lý vi tng thnh phn hỡnh hc c s ca nú v thc hin quỏ
trỡnh tụ trỏt v hin th li.

Kỹ thuật đồ
hoạ

nghệ thuật

Xử lý ảnh
Xử lý đồ

hoạ

Quan sỏt hỡnh nh v mụ hỡnh ca hỡnh nh v s vt nhiu gúc
khỏc nhau bng cỏch thay i im nhỡn v gúc nhỡn.

27

Đồ hoạ minh hoạ

Đồ hoạ hoạt hình và

Vector



Kỹ thuật nhận dạng

Kỹ thuật phân tích và
tạo ảnh
28

Phõn loi theo chc nng

Phõn loi theo h to
Kỹ thuật đồ hoạ 2 chiều
Kỹ thuật đồ hoạ

z

K thut x lý nh (COMPUTER IMAGING)

z

K thut nhn dng (Computer Vision techniques

Kỹ thuật đồ hoạ ba chiều




29

Render and Touch up

Phõn loi cỏc lnh vc ca
Computer Graphics

Raster and Vector Graphics
z

Hair

Skin

26

attempt to provide meaning to computer) images.

K thut ho hai chiu: l k thut ho mỏy tớnh s dng h
to hai chiu (h to phng), s dng rt nhiu trong k

thut x lý bn , th.
K thut ho ba chiu: l k thut ho mỏy tớnh s dng h
to ba chiu, ũi hi rt nhiu tớnh toỏn v phc tp hn nhiu
so vi k thut ho hai chiu.

z

K thut tng hp nh (Computer Graphics)

z

Geometry modelling

30

5


Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email:
Tel: 0913030731

Các ứng dụng tiêu biểu của kỹ thuật đồ
họa
z
z
z
z
z
z

z

Xây dựng giao diện người dùng (User Interface)
Tạo các biểu đồ trong thương mại, khoa học, kỹ thuật,
minh họa
Tự động hoá văn phòng và chế bản điện tử
Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD_CAM)
Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật và mô phỏng
Điều khiển các quá trình sản xuất (Process Control)
Lĩnh vực bản đồ (Cartography) GIS

31

32

Square: Final Fantasy

33

34

Computer Aided Design (CAD)

35

Pixar: Monster’s Inc.

CAD-CAM application

36

6


Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email:
Tel: 0913030731

Mô hình Hệ đồ họa

ƒ
ƒ
ƒ

37

38

Hệ thống đồ hoạ
(Graphics System)

Mô hình hệ thống đồ họa
Core,
GKS, GKS-3D
CGI (device interface)
CGM (metafile)
PHIGS (3D and realtime)
X-window
PHIGS+ (PEX)
IGES

OpenGL
DirectX

z
z

Application program
z

Graphics system
Operating system
z

Input and
output devices

Graphics
hardware

Metafiles

39

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.

40

Thành phần trong chức năng của
kỹ thuật đồ hoạ

MODELING

( to describe)
to the computer
what is
a table, a car, •
••

Geometric Engine
concerned with:
- modeling
- modeling transf.
- color models
- material property
- lighting property

RENDERING

(to capture)
the description
create 2D image
from 2D / 3D
models
Rendering Engine
concerned with :
- viewing & projection
- drawing & clipping
primitives
- local illumination &
shading
- texture mapping

3D Graphics Over World Wide Web
Animation

GUI

41

Mô hình hệ thống
Mô hình chức năng
Các chuẩn của hệ đồ hoạ

Drawing
packages

Pascal / C
program

DISPLAYING

(to show)
the image
generate
image on
screen

transformation
of objects

SRGP
library
positions

lines,areas,...

VRML
3D Graphics

WWW

projections
lighting,shading
graphics algorithms
colour

Raster & Display Engine
concerned with:

- hardware
- how to display
(rasterization)

X Window
System
WWW
42

Image
Video

Graphics hardware

image formats, compression, transfer

7