Nghiên cứu một số kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3d từ hình chiếu
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.59 MB, 52 trang )
..
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG
----------------
ĐỖ THÁI HỊA
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT
HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU
Tiếng anh:
(A number of technical studies
show 3D images from the slideshow)
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
Thái Ngun - 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG
----------------
ĐỖ THÁI HỊA
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT
HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU
Tiếng anh:
(A number of technical studies
show 3D images from the slideshow)
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60.48.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS Đỗ Năng Tồn
Thái Ngun - 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
i
MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................................................................ i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT................................................................... ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................................................... iii
PHẦN MỞ ĐẦU ...............................................................................................................................................1
Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TỐN HIỂN THỊ HÌNH ẢNH........ 3
1.1. Khái qt về đồ họa 3D ...............................................................................................................3
1.1.1. Lịch sử phát triển ....................................................................................................................3
1.1.2. Các kỹ thuật đồ họa ...............................................................................................................4
1.1.2.1. Kỹ thuật đồ hoạ điểm (Sample based-Graphics) .......................................4
1.1.2.2. Kỹ thuật đồ họa Vector ..............................................................................................5
1.1.2.3. Các chuẩn giao diện của hệ đồ hoạ .....................................................................6
1.1.3. Phần cứng đồ họa (Graphics HardWare) ................................................................7
1.1.3.1. Các thành phần phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác .................................7
1.1.3.2. Máy in...................................................................................................................................7
1.1.3.3. Màn hình (monitor-display) ....................................................................................8
1.1.3.4. Bảng tra màu LUT (Look Up Table) .............................................................. 11
1.1.3.5. Sự kết nối giữa hệ thống máy tính với các thiết bị hiển thị ............... 13
1.2. Hiển thị hình ảnh 3D .................................................................................................................. 15
1.2.1.Nguyên lý về 3D (three-Dimension) ......................................................................... 15
1.2.2. Đặc điểm của kỹ thuật đồ hoạ 3D .............................................................................. 15
1.2.3. Các phương pháp hiển thị 3D ....................................................................................... 16
1.2.4. Tái tạo cấu trúc ba chiều từ các hình chiếu .......................................................... 16
Chƣơng 2: KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU ............................. 19
2.1. Biểu diễn bề mặt (surface rendering – SR) .................................................................. 19
2.2. Biểu diễn thể tích (volume rendering – VR) ............................................................... 26
Chƣơng 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM............................................................................... 34
3.1. Các cơng cụ ..................................................................................................................................... 34
3.2. Chương tr ình cài đặt................................................................................................................... 39
3.3. Một số cửa sổ - Kết quả thử nghiệm ................................................................................ 39
3.4. Đánh giá ............................................................................................................................................. 41
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN........................................................................................... 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................................... 45
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT
Ký hiệu/
Chữ viết tắt
Viết đầy đủ
Ý nghĩa
1
3D
3 Dimentional
3 chiều
2
2D
2 Dimentional
2 chiều
3
VR
Volume rendering
Biểu diễn thể tích
4
SR
surface rendering
Biểu diễn bề mặt
5
CRT
Cathode ray tube
Màn hình CRT
6
MC
Marching Cube s
Thuật toán Marching Cubes
7
MT
Marching Tetrahedra
Thuật toán Marching Tetrahedra
8
MIP
9
MinIP
10
LCD
Maximum intensity
projection
Minimum intensity
projection
Liquid Crystal Display
Digital Imaging and
11
DICOM
COmmunications in
Medicine Standars
12
VTK
Visualization Toolkit
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Phương pháp tạo bố cục cho ảnh
Phương pháp tạo bố cục cho ảnh
Màn hình
Tiêu chuẩn ảnh số và truyền thơng
trong y tế
Bộ toolkit có mã nguồn mở
iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Ảnh đồ hoạ điểm
Hình 1.2. Kỹ thuật đồ họa điểm
Hình 1.3. Mơ hình đồ họa vector
Hình 1.4. Các thành phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác
Hình 1.5. Cấu tạo màn hình CRT
Hình 1.6. Súng điện tử bố trí theo kiểu tam giác
Hình 1.7. Dịng qt trong thiết bị Raster
Hình 1.8. Tổ chức của bảng tra màu LUT (Look Up Table)
Hình 1.9. Tổ chức của một máy
Hình 1.10. Nối kết mạng cục bộ
Hình 1.11. Các dạng ảnh 2D dùng để tái tạo ảnh 3D thường gặp
Hình 2.1. Hình ảnh 3D được biểu diễn theo phương pháp SR
Hình 2.2. Minh họa thuật tốn Marching Square
Hình 2.3. 16 trường hợp Marching Square
Hình 2.4. Minh họa tạo bề mặt từ các đường viền
Hình 2.5. Xây dựng bề mặt theo giá trị của các đỉnh
Hình 2.6. Các trường hợp một mặt đi qua khối lập phương trong thuật tốn
Marching Cubes
Hình 2.7. Một trường hợp lỗi của Marching Cubes
Hình 2.8. Chia khối lập phương thành các khối tứ diện
Hình 2.9. Hai trường hợp mặt phẳng đi qua khối tứ diện trong thuật tốn
Marching Tetrahedra
Hình 2.10. Minh họa thuật tốn Dividing Cubes để vẽ đương trong mặt phẳng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
iv
Hình 2.11. Minh họa thuật tốn Dividing Cubes trong khơng gian ba chiều
Hình 2.12. Hình ảnh 3D biểu diễn theo phương pháp VR
Hình 2.13. Minh họa kỹ thuật object -order
Hình 2.14. Minh họa kỹ thuật image -order
Hình 2.15. Mơ hình Blinn / Kajiya
Hình 2.16. Minh họa kỹ thuật đơn giản hóa tính tốn cường độ ánh sáng
Hình 2.17. Sơ đồ tổng quan của rendering MIP
Hình 3.1. Sơ đồ tương tác của VTK với phần cứng
Hình 3.2. Cấu trúc chương trình ứng dụng VTK
Hình 3.3. Mơ hình đồ họa của VTK
Hình 3.4. Mơ hình trực quan hóa của VTK
Hình 3.5. Các loại tập dữ liệu của VTK
Hình 3.6. Cách kết nối VTK và ITK
Hình 3.7. Pipeline của chương trình cài đặt
Hình 3.8. Chu trình biểu diễn dữ liệu thành hình ảnh
Hình 3.9. Giao diện màn hình chính
Hình 3.10. Hình ảnh 3D được hiển thị
Hình 3.11. Các góc độ khác nhau của hình ảnh 3D được hiển thị
Hình 3.12. Hiển thị thêm mơ mềm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1
PHẦN MỞ ĐẦU
Đồ họa máy tính được ra đời bởi sự kết hợp của 2 lĩnh vực thông tin và
truyền hình. Đầu tiên kỹ thuật đồ họa được phát triển bởi các nhóm kỹ sư sử
dụng máy tính lớn. Trong giai đoạn đầu của sự phát triển người ta phải tốn nhiều
tiền cho việc trang bị các thiết bị phần cứng. Ngày nay, nhờ vào sự tiến bộ của
vi xử lý, giá thành của máy tính càng lúc càng phù hợp với túi tiền của người sử
dụng trong khi các kỹ thuật ứng dụng đồ họa của nó ngày càng cao hơn nên có
nhiều người quan tâm nghiên cứu đến lĩnh vực này.
Đồ họa máy tính là một lĩnh vực của cơng nghệ thơng tin mà ở đó, việc
nghiên cứu, xây dựng và tập hợp các cơng cụ (mơ hình lý thuyết, phần mềm...)
khác nhau nhằm kiến tạo, xây dựng, lưu trữ và xử lý các mơ hình (models) và
hình ảnh (images) của sự vật-hiện tượng trong cuộc sống, trong sản xuất và
trong nghiên cứu. Các mơ hình và hình ảnh này có thể là các kết quả thu được từ
những lĩnh vực khác nhau của rất nhiều ngành khoa học (chẳng hạn như vật lý,
toán học, thiên văn học, sinh học, phỏng sinh học, y học, v.v..) và nhiều thể loại
phong phú như cấu trúc phân tử, cấu trúc sinh học, mơ hình vũ trụ v.v..
Ngày nay, việc sử dụng đồ họa máy tính đã thâm nhập vào rất nhiều lĩnh
vực như trong biểu diễn thông tin, in ấn xuất bản, trong thiết kế kỹ thuật, thiết kế
kiến trúc, mô phỏng thế giới thực (thực tại ảo-Virtual reality), thiết kế giao diện
máy-người sử dụng v.v.. và ngày càng chứng tỏ sự quan trọng không thể thiếu
được khi các máy móc thiết bị cơng nghệ phục vụ cho các lĩnh vực nói trên đang
dần chuyển sang sử sụng cơng nghệ kỹ thuật số và hiện nay thậm chí cịn trở
thành nghệ thuật số (Digital art).
Ở nhóm ứng dụng đồ họa 2 chiều cung cấp các khả năng thể hiện các biểu
đồ, đồ thị (hình ảnh 2 chiều); cịn ở nhóm ứng dụng đồ họa ba chiều và ảnh
động cung cấp các khả năng thể hiện các hình ảnh, mơ hình trong không gian ba
chiều, kỹ thuật mô phỏng thế giới thực, tạo ra các bức ảnh sống động cho phim
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
ảnh, truyền hình từ các kỹ thuật mơ tả chuyển động của các mơ hình đó v.v..
Đồ họa máy tính nói chung và tái tạo hình ảnh ba chiều của các vật thể
thực từ hình chiếu 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. Hình ảnh tái tạo từ máy tính đã được sử dụng rất có hiệu quả
trong nhiều lĩnh vực khác nhau như giáo dục, giải trí, kiến trúc, đặc biệt là
chuẩn đốn hình ảnh trong y tế, ...Các kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3D từ hình
chiếu là một đề tài mới mẻ và có ứng dụng lớn trong trong lĩnh vực tái tạo,
chuẩn đoán và phục đối tượng.
Trong luận văn này, tác giả tìm hiểu một số kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3D
từ hình chiếu như kỹ thuật biểu diễn bề mặt (surface rendering – SR), kỹ thuật
biểu diễn thể tích (volume rendering – VR) và ứng dụng thử nghiệm chương
trình hiển thị hình ảnh 3D từ hình chiếu. Nội dung luận văn bao gồm 3 chương:
Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TỐN HIỂN THỊ HÌNH ẢNH
Chương này khái qt về đồ họa 3D, Nguyên lý về 3D và Đặc điểm của kỹ
thuật đồ hoạ 3D.
Chương 2: KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU
Chương này giới thiệu về một số kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3D từ hình
chiếu như kỹ thuật biểu diễn bề mặt (surface rendering – SR), kỹ thuật biểu diễn
thể tích (volume rendering – VR).
Chương 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3
Chƣơng 1
KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ HÌNH ẢNH
1.1. Khái quát về đồ họa 3D
1.1.1. Lịch sử phát triển
- Graphics những năm 1950-1960
1959 Thiết bị đồ hoạ đầu tiên là màn hình xuất hiện tại Đức.
1960 - SAGE (Semi-Automatic Ground Environment System) xuất hiện bút
sáng thao tác với màn hình.
Màn hình là thiết bị thơng dụng nhất trong hệ đồ hoạ, các thao tác của hầu
hết các màn hình đều dựa trên thiết kế ống tia âm cực CRT (Cathode ray tube).
Khi đó giá để làm tươi màn hình là rất cao, máy tính xử lý chậm, đắt và không
chắc chắn (không đáng tin cậy) [4].
- 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 trình xử lý thơng tin). Người sử dụng có thể vẽ mạch
điện trực tiếp lên màn hình thơng qua bút sáng.
- Graphics:1970-1980
Raster Graphics (đồ hoạ điểm). Bắt đầu chuẩn đồ hoạ ví dụ như:
GKS(Graphics Kernel System): European effort (kết quả của châu âu), Becomes
ISO 2D standard.
- Graphics: 1980-1990
Mục đích đặc biệt về phần cứng, thiết bị hình học đồ hoạ Silicon. Xuất hiện
các chuẩn cơng nghiệp: PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
Standard) xác định các phương pháp chuẩn cho các mô hình thời gian thực và
lập trình hướng đối tượng.
Giao diện người máy Human-Computer Interface (HCI)
- Computer Graphics: 1990-2000
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)….
- Computer Graphics: 2000- 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)….
1.1.2. Các kỹ thuật đồ họa
1.1.2.1. Kỹ thuật đồ hoạ điểm (Sample based-Graphics)
- Các mơ hình, hình ảnh của các đối tượng được hiển thị thơng qua từng
pixel (từng mẫu rời rạc)
- Đặc điểm: Có thể thay đổi thuộc tính
+ Xố đi từng pixel của mơ hình và hình ảnh các đối tượng.
+ Các mơ 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 mơ hình, hình ảnh đối
tượng mà chúng ta muốn hiển thị.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
Hình 1.1. Ảnh đồ hoạ điểm
Hình 1.2. Kỹ thuật đồ họa 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 mơ phỏng của sự vật.
- Phương pháp rời rạc hố (số hố) 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 [4].
1.1.2.2. Kỹ thuật đồ họa Vector
Các tham số tơ trát
Mơ hình đồ họa
Tơ trát
Thiết bị ra
Hình 1.3. Mơ hình đồ họa vector
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
- Mơ hình hình học (geometrical model) cho mơ hình hoặc hình ảnh của đối tượng.
- Xác định các thuộc tính của mơ hình hình học này
- Q trình tơ trát (rendering) để hiển thị từng điểm của mơ hình, hình
ảnh thực của đối tượng.
Có thể định nghĩa đồ hoạ vector: Đồ hoạ vector = geometrical model +
rendering
1.1.2.3. Các chuẩn giao diện của hệ đồ hoạ
Mục tiêu căn bản của phần mềm đồ hoạ được chuẩn là 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 mơ 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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
1.1.3. Phần cứng đồ họa (Graphics HardWare)
1.1.3.1. 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 tƣơng tác
1.1.3.2. Máy in
Dot size: đường kính của một điểm in bé nhất mà máy in có thể in được
Addressability: khả năng địa chỉ hố các điểm in có thể có trên một đơn
vị độ dài (dot perinch)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8
Số lượng màu có thể vẽ trên một điểm:
Dot size
Point per inch
8 - 20/ 100inch
200, 600
5/1000inch
1500
Máy vẽ
6,15/1000 inch
1000, 2000
1.1.3.3. Màn hình (monitor-display)
Màn hình là một thiết bị hồn 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 sốt (Monitor) và màn hiển thị hình (Display).
Ở các màn hình thơng dụng CRT (Cathode Ray Tube display) sử dụng bộ
phận hiển thị dùng đèn ống phóng tia âm cực CRT(cịn 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
Âm cực
Hệ điều chỉnh
tiêu điểm
khiển của các mạch điện bên
màn hiển
thị hình
ngồi và bị hút về cực dương
(Anode) ở đầu kia của ống, cuối
Súng điện tử
cùng đập mạnh lên màn hình
huỳnh quang phủ photpho tạo
phủ phot pho (bộ
ba điểm màu RGB)
Hình 1.5. Cấu tạo màn hình CRT
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 .
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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9
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 qt một lớp bột
Photpho cịn 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 qt 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 cịn 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
màn hiển
thị hình
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.
Hình 1.6: Súng điện tử bố trí
theo kiểu tam giác
Mặt nạ che đã giúp các chùm tia điện tử hội tụ đúng chỗ. Ngồi ra cịn có
hệ điều chỉnh tiêu điểm (system focusing) để điều chỉnh độ hội tụ.Trong q
trình máy tính hoạt động, chùm điện tử khơng đứng yên một chỗ mà được lấy từ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10
trái sang phải (quét ngang) hoặc từ trên xuống dưới (quét dọc) với tốc độ quét
cực nhanh làm cho chúng ta nhìn thấy dường như tồn 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 mơi 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
các điểm ảnh theo chiều ngang
hiện được các chi tiết của hình
ảnh. Thông thường độ phân
các điểm ảnh
giải được biểu hiện bằng số theo chiều dọc
dịng qt
lượng các điểm ảnh, ví dụ: “độ
phân giải "800x600” có nghĩa
Hình 1.7. Dịng qt trong thiết bị Raster
là màn hình có thể hiển thị được 800 điểm ảnh trên chiều ngang và 600 điểm
ảnh theo chiều dọc.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11
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. Thơng thường các bước chấm
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.
1.1.3.4. 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,
x'
o
K
G
33
100110100001
33
B
1001 1010 0001
100110100001
y'
điểm ảnh hiển
thị tại x' , y'
Red Green Blue
Vùng nhớ đệm
Bảng tra màu
Màn hiển thị hình
Hình 1.8. Tổ chức của bảng tra màu LUT (Look Up Table)
do đó bảng phải được nhận nhanh chóng .
Trong hình 1.8 LUT ở giữa vùng nhớ đệm. Vùng nhớ đệm có 8 bit cho một
điểm ảnh (8bits**********), do LUT có 28 = 256 đầu vào.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
12
Hình 1.8 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.
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 mơ 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, I B .
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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13
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)
và với màu Trắng thì
: (IPR,IPG,IPB) = (1,1,1)
1.1.3.5. Sự kết nối giữa hệ thống máy tính với các thiết bị hiển thị
Để có thể cùng làm việc tập thể, theo nhóm, các máy tính (máy trạm)
được liên kết nối mạng với nhau
thành một hệ thống mạng máy tính
cục bộ (LAN_Local Area Network)
qua việc điều hành và cung cấp dịch
vụ từ máy SERVER (máy phục
vụ_thơng dụng cịn gọi là máy chủ).
Trong nhiều năm, CAD sử dụng các Hình 1.9 : Tổ chức của một máy trạm
thiết bị đầu cuối kết nối với máy tính trung
tâm, trong đó tài nguyên của máy tính trung tâm thường được chia sẽ giữa các
thiết bị đầu cuối. Trong nhiều trường hợp, tốc độ giao tiếp các thiết bị đầu cuối
và máy tính trung tâm bị giới hạn bởi đặc tính của hệ thống, làm hạn chế khả
năng tính tốn của các máy tính cục bộ, ảnh hưởng tới điều khiển tương tác đồ
hoạ với người sử dụng. Ngày nay, phần lớn máy tính được sử dụng phân tán,
trong đó mỗi một người sử dụng đầu cuối có một máy tính riêng. Nó thường là
máy tính cá nhân (PC_Personal Computer), và các trạm làm việc (workstation)
có cơng nghệ hiển thị cao, trong đó bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU) là chính
và kho lưu trữ trợ giúp kết hợp với đơn vị hiển thị (DPU) để giải quyết với các
tính tốn phức tạp trong đồ hoạ. Tổ chức của một máy trạm được mơ tả trong
hình 1.9.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
14
Hình 1.10. Nối kết mạng cục bộ
(LAN)
Các máy trạm tăng lên, các
máy tính cá nhân được kết nối với nhau cho
phép chuyển đổi dữ liệu, chương trình và chia sẻ các thiết bị ngoại vi qua mạng,
như trong hình 1.10.
Một trạm làm việc đơn không phải lúc nào cũng phù hợp với tất các công
việc của CAD. Người sử dụng có thể muốn làm việc trên máy tính lớn cho các
việc phân tích tính tốn các bài tốn lớn và biểu diễn kết quả tại máy trạm. Như
vậy, mạng có thể có các máy tính lớn cung cấp tài ngun lưu trữ và khả năng
tính tốn cho các máy qua trạm khác. Để đáp ứng cho công việc này, mô hình
máy trạm - máy chủ (client-server) được phát triển trong đó tiến trình máy chủ
(server process) cung cấp một vài dịch vụ cho các tiến trình máy trạm riêng
(client process). Chẳng hạn trong đồ hoạ máy tính, một tiến trình máy chủ có thể
biểu diễn ảnh và xử lý các tương tác thay cho máy trạm. Máy trạm và máy chủ
có thể là hai tiến trình thực hiện trên cùng một trạm làm việc hoặc thực hiện trên
các máy tính khác nhau trong cùng một mạng. Tiến trình máy chủ nhận được
các thông báo hoặc yêu cầu (request) từ các tiến trình máy trạm qua mạng, sau
đó gửi lại các thông báo mô tả sự kiện hoặc kết quả (events 0, chẳng hạn, là kết
quả từ tương tác người sử dụng tới máy trạm).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
15
Một khối lượng thông tin rất lớn được gửi đi qua mạng và khó khăn ở đây
là làm sao đồng bộ hoá giữa biểu diễn và tương tác người sử dụng theo thời gian
thực (real-time). Đây cũng là yêu cầu cho một phương thức làm việc chuẩn
trong các ứng dụng của một hệ thống thơng tin có nhiều trạm làm việc.
Trong tương lai các trạm làm việc sẽ được phát triển để tăng khả năng xử lý
và hiển thị. Như vậy các hàm đồ thị có thể thực hiện với thời gian thực ngay cả
với những mơ hình phức tạp. Một hướng phát triển khác là tăng độ phân giải của
màn hình để giải quyết những hạn chế của các thiết bị hiển thị hiện tại với kỹ
thuật hiển thị bản vẽ truyền thống. Một khuynh hướng nữa là phát triển khả năng
hiển thị các hình ảnh 3 chiều theo thời gian thực để có thể mơ tả một thế giới
thực nhưng lại “ảo”, có thể gọi tắt là “Thực tại-Ảo”.
Hiện tại những thiết bị đó được phát triển hoặc sử dụng các ảnh với màu
khác nhau, hoặc mặt phẳng phân cực được nhìn qua loại kính đặc biệt, hoặc sử
dụng gương rung để tạo ra hình ảnh 3 chiều bằng cách thay đổi tiêu điểm v.v..
thật là một lĩnh vực kỳ thú cần được tiếp tục quan tâm khám phá.
1.2. Hiển thị hình ảnh 3D
1.2.1. Nguyên lý về 3D (three-Dimension)
Đồ họa 3 chiều (3D computer graphics) bao gồm việc bổ xung kích thước
về chiều sâu của đối tượng, cho phép ta biểu diễn chúng trong thế giới thực một
cách chính xác và sinh động hơn [4].
Tuy nhiên các thiết bị truy xuất hiện tại đều là 2 chiều, Do vậy việc biểu
diễn được thực thi thông qua phép tô chát (render) để gây ảo giác (illusion) về
độ sâu.
Đồ hoạ 3D là việc chuyển thế giới tự nhiên dưới dạng các mơ hình biểu
diễn trên các thiết bị hiển thị thông qua kỹ thuật tô chát (rendering).
1.2.2. Đặc điểm của kỹ thuật đồ hoạ 3D
Có các đối tượng phức tạp hơn các đối tượng trong không gian 2D.
- Bao bởi các mặt phẳng hay các bề mặt.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
16
- Có các thành phần trong và ngồi.
Các phép biến đổi hình học phức tạp.
Các phép biến đổi hệ toạ độ phức tạp hơn.
Thường xuyên phải bổ xung thêm phép chiếu từ không gian 3D vào không
gian 2D Luôn phải xác định các bề mặt hiển thị.
1.2.3. Các phương pháp hiển thị 3D
Với các thiết bị hiển thị 2D thì chúng ta có các phương pháp sau để biểu
diễn đối tượng 3D [4]:
- Kỹ thuật chiếu (projection): Trực giao (orthographic)/phối cảnh
(perspective)
- Kỹ thuật đánh dấu độ sâu (depth cueing)
- Nét khuất (visible line/surface identification)
- Tô chát bề mặt (surface rendering)
- Cắt lát (exploded/cutaway scenes, cross-sections)
Các thiết bị hiển thị 3D:
- Kính stereo - Stereoscopic displays*
- Màn hình 3D – Holograms
1.2.4. Tái tạo cấu trúc ba chiều từ các hình chiếu
Trong bộ mơn vẽ kỹ thuật chúng ta biết rằng có thể tái tạo cấu trúc ba
chiều của các vật thể nếu chúng ta biết một số hình chiếu của vật thể đó. Các
chi tiết cơ khí hoặc xây dựng nói chung đều có thể được tái tạo nếu chúng ta
có ba hình chiếu: trước, sau và ngang và một số mặt cắt phụ.
Tuy nhiên với một số cấu trúc như mơ thì như vậy là chưa đủ vì ngồi
hình dạng chúng ta cần biết các thông tin trong cấu trúc của mơ để phục vụ cho
chuẩn đốn. Ngồi ra các mơ thường nằm bên trong cơ thể. Khi đó chúng ta
cần thực hiện các biện pháp lấy mẫu.
Quá trình lấy mẫu thông thường là dùng các thiết bị để thu thông tin bên
trong v ật thể dưới dạng các lát cắt 2D. Các tập ảnh 2D gồm một số dạng: các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
17
ảnh cắt lớp song song (parallel, serial, translation), các ảnh cắt lớp xuyên tâm
(oscillation, rotation), các ảnh cắt lớp tự do (freehand). Ảnh cắt lớp song song
thường do các hệ thống máy CT, MRI, siêu âm…tạo ra, đây cũng là dạng
thường gặp nhất. Ảnh cắt lớp xuyên tâm thường do máy siêu âm tạo ra. Ảnh
cắt lớp theo kiểu tự do thường gặp ở các hệ thống siêu âm. Các ảnh 2D trong
tái tạo ảnh nổi là một dạng khác, đây là các hình chiếu thu được từ các cảm
biến hoặc các camera đặt xung quanh vật thể.
a)
b)
c)
d)
e)
Hình 1.11 Các dạng ảnh 2D dùng để tái tạo ảnh 3D thƣờng gặp
a) Ảnh quét song song (translation)
b)Ảnh quét oscillation c)Ảnh quét rotation
d)Ảnh quét tự do (freehand) e) Ảnh nổi (stereo)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
18
Nguyên tắc chung của quá trình tái tạo ảnh ba chiều từ các tập ảnh cắt lớp
là tìm cách sắp xếp lại các dữ liệu từ các lát cắt sao cho phù hợp với vị trí
khơng gian thực tế của chúng, sau đó dùng đồ họa máy tính để biểu diễn thành
các hình ảnh. Ví dụ với các lát cắt song song ta sẽ sắp xếp các lát cắt này
song song với nhau như xếp các đĩa CD trên giá. Với các lát cắt tự do thì việc
sắp xếp khá phức tạp, chúng ta cần các cảm biến vị trí khơng gian tại các đầu dị
để xác định chính xác vị trí của lát cắt.
Trong phương pháp tái tạo nổi ta lại tìm cách xác định vị trí khơng gian
của các điểm ba chiều từ các hình chiếu của nó trên các ảnh 2D. Số hình chiếu
phải từ 2 trở lên.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
19
Chƣơng 2
KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU
2.1. Biểu diễn bề mặt (surface rendering – SR)
Mắt người có thể hình dung ra vật thể nếu chúng ta biểu diễn được một
số mặt của vật thể đó. Có nhiều kĩ thuật SR tuy nhiên phổ biến nhất trong ảnh y
tế là phương pháp isosurface.
Trong kỹ thuật này chúng ta tạo những bề mặt đi qua các điểm có cùng
giá trị vô hướng, những giá trị này trong tiếng Anh isosurface value . Điều này
rất có ý nghĩa đối với ảnh y tế vì các ảnh y tế thường là các ảnh đa mức xám.
Trên các ảnh cắt lớp các mô cùng loại được thể hiện với cùng một độ xám
(gray level). Dùng kĩ thuật này chúng ta có thể tái tạo lại bề mặt của các mơ.
Ví dụ chúng ta có thể tái tạo hình ảnh của xương sọ hay hình ảnh các mạch
máu não từ các ảnh cắt lớp đầu. Các isosurface thường được tô cùng một
màu để dễ theo dõi.
Có nhiều thuật tốn khác nhau để tạo bề mặt từ các điểm dữ liệu rời rạc.
Trong đó chia ra làm hai loại là tạo bề mặt từ các đ ường viền và tạo bề mặt từ
dữ liệu khối[23].
Hình 2.1 Hình ảnh 3D đƣợc biểu diễn theo phƣơng pháp SR
- Tạo bề mặt từ các đƣờng viền (contour based data):
Để tạo bề mặt từ các đường viền cần hai bước: trích biên và tái tạo bề mặt.
+ Trích biên: Dùng các thuật tốn trích biên để tạo các đường biên trên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
