Tập bài giảng Đồ họa máy tính

Đồ họa máy tính

MỤC LỤC
Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HOẠ MÁY TÍNH ..........................................1
1.1. Các khái niệm tổng quan của kỹ thuật đồ họa máy tính ............................1
1.1.1. Kỹ thuật đồ họa máy tính ....................................................................1
1.1.2.Kỹ thuật đồ họa tƣơng tác ....................................................................1
1.2. Các kỹ thuật đồ họa ...................................................................................2
1.2.1.Kỹ thuật đồ hoạ điểm ...........................................................................3
1.2.2.Kỹ thuật đồ hoạ Vecto .........................................................................4
1.2.3. Sự phát triển của kỹ thuật hiển thị ......................................................5
1.3. Phân loại các lĩnh vực của kỹ thuật đồ họa ..............................................7
1.3.1. Phân loại theo mục đích xử lý dữ liệu ................................................7
1.3.2. Phân loại theo hệ tọa độ dùng trong kỹ thuật đồ họa ..........................8
1.4.Giới thiệu một số ứng dụng của kỹ thuật đồ họa ........................................8
1.4.1. Hỗ trợ thiết kế .....................................................................................8
1.4.2. Biểu diễn thông tin ..............................................................................9
1.4.3. Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật ................................................................9
1.4.4. Điều khiển các quá trình sản xuất .....................................................10
1.4.5. Lĩnh vực bản đồ ................................................................................10
1.4.5. Giáo dục và đào tạo ...........................................................................10
1.4.6. Giao tiếp giữa máy tính và ngƣời dùng ............................................11
1.5. Hệ đồ họa tƣơng tác .................................................................................12
1.5.1. Mơ hình hệ tọa độ tƣơng tác .............................................................12
1.5.2. Các thành phần của hệ đồ họa tƣơng tác ..........................................12
1.6. Phần cứng đồ họa .....................................................................................15
1.6.1. Các thành phần phần cứng của hệ tọa độ tƣơng tác ..........................15
1.6.2. Các thiết bị hiển thị (thiết bị ra dữ liệu) ............................................15
1.6.3. Các thiết bị vào dữ liệu .....................................................................19
CÂU HỎI CHƢƠNG 1 ..................................................................................20
Chƣơng 2CÁC GIẢI THUẬT XÂY DỰNG CÁC THỰC THỂ CƠ SỞ ..........22

2.1 Giới thiệu ..................................................................................................22
2.2. Các đối tƣợng đồ họa cơ sở .....................................................................23
i


Đồ họa máy tính
2.2.1 Điểm................................................................................................... 23
2.2.2. Đƣờng thẳng, đƣờng gấp khúc ......................................................... 24
2.2.3 Vùng tơ .............................................................................................. 25
2.2.4 Kí tự, chuỗi kí tự ................................................................................ 26
2.3. Giải thuật sinh đƣờng thẳng .................................................................... 27
2.3.1 Nguyên lý chung ................................................................................ 27
2.3.2 Thuật toán DDA (Digital Differential Analyzer) .............................. 28
2.3.3 Giải thuật Bresenham ........................................................................ 31
2.3.4 Thuật tốn MidPoint .......................................................................... 35
2.4. Giải thuật sinh đƣờng trịn ....................................................................... 37
2.4.1 Nguyên lý chung ................................................................................ 37
2.4.2 Thuật toán MidPoint .......................................................................... 38
2.4.3 Giải thuật Bresenham ........................................................................ 43
2.5. Giải thuật sinh elip................................................................................... 45
2.5.1. Giải thuật Midpoint ........................................................................... 45
2.5.2. Giải thuật Bresenham ....................................................................... 48
2.6. Giải thuật sinh đa giác ............................................................................. 50
2.7. Giải thuật sinh ký tự ................................................................................ 51
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 2 ........................................................... 55
Hƣớng dẫn giải bài tập ................................................................................... 61
Chƣơng 3CÁC GIẢI THUẬT ĐỒ HOẠ CƠ SỞ .............................................. 64
3.1. Hệ toạ độ và mơ hình chuyển đổi ............................................................ 64
3.1.1. Các hệ thống tọa độ trong đồ họa ..................................................... 64
3.1.2. Phép chuyển đổi ................................................................................ 65

3.2. Các giải thuật xén tỉa ............................................................................... 66
3.2.1. Khái niệm .......................................................................................... 66
3.2.2. Các giải thuật xén tỉa đoạn thẳng ...................................................... 66
3.2.3. Giải thuật Hodgman .......................................................................... 76
3.3. Các giải thuật tơ miền kín ........................................................................ 77
3.3.1. Giải thuật đƣờng biên ....................................................................... 77
3.3.2. Giải thuật dịng qt cho việc tơ màu vùng ...................................... 78
ii


Đồ họa máy tính
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 3 ...........................................................82
Hƣớng dẫn giải bài tập ....................................................................................88
Chƣơng 4CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI HÌNH HỌC 2 CHIỀU ..................................92
4.1.Phƣơng pháp biểu diễn đối tƣợng trong không gian hai chiều .................92
4.2. Phép biến đổi Afine 2D ...........................................................................93
4.3. Các phép biến đổi hình học cơ sở ............................................................93
4.3.1. Phép tịnh tiến ....................................................................................93
4.3.2. Phép biến đổi tỉ lệ..............................................................................94
4.3.2. Phép quay ..........................................................................................95
4.3.3. Phép đối xứng ...................................................................................96
4.3.4. Phép biến dạng ..................................................................................96
4.4. Hệ tọa độ thuần nhất và các phép biến đổi ..............................................97
4.4.1. Hệ tọa độ thuần nhất .........................................................................97
4.4.2. Biểu diễn các phép biến đổi dƣới dạng tọa độ thuần nhất ................98
4.4.3. Phép biến đổi ngƣợc..........................................................................99
4.5. Kết hợp các phép biến đổi .....................................................................100
4.5.1. Kết hợp các phép tịnh tiến ..............................................................100
4.5.2. Kết hợp các phép tỉ lệ .....................................................................102
4.5.3. Kết hợp các phép quay ....................................................................104

4.5.4. Phép quay có tâm quay là điểm bất kỳ ...........................................104
4.5.5. Phép tỉ lệ giữ nguyên điểm chốt .....................................................105
4.6. Phép biến đổi giữa các hệ tọa độ ...........................................................106
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 4 .........................................................108
Hƣớng dẫn giải bài tập ..................................................................................113
Chƣơng 5CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI HÌNH HỌC 3 CHIỀU ................................123
5.1. Giới thiệu đồ họa ba chiều .....................................................................123
5.1.1. Tổng quan về đồ họa ba chiều ........................................................123
5.1.2. Sơ lƣợc về quy trình hiển thị ...........................................................124
5.1.3. Mơ hình khung nối kết (Wireframe Model) ...................................126
5.2. Một số khái niệm ...................................................................................128
5.2.1. Phƣơng pháp biểu diễn điểm trong không gian 3 chiều. ................128
iii


Đồ họa máy tính
5.2.2. Phƣơng pháp biểu diễn sử dụng hệ tọa độ đồng nhất. .................... 129
5.2.3. Công thức biến đổi Affine. ............................................................. 130
5.2.4. Các hệ trục tọa độ theo quy ƣớc bàn tay phải và bàn tay trái ......... 131
5.3. Các phép biến đổi hình học 3 chiều cơ sở ............................................. 131
5.3.1. Phép tịnh tiến .................................................................................. 131
5.3.2. Phép biến đổi tỉ lệ ........................................................................... 132
5.3.3. Phép biến dạng ................................................................................ 133
5.3.4. Phép quay ........................................................................................ 134
5.3.5.Phép đối xứng. ................................................................................. 139
5.3.6 Kết hợp các phép biến đổi affine ba chiều....................................... 144
5.4. Các phép chiếu của vật thể trong không gian lên mặt phẳng ................ 144
5.4.1. Định nghĩa chung ............................................................................ 144
5.4.2. Phân loại phép chiếu ....................................................................... 145
5.4.3. Phép chiếu song song ...................................................................... 146

5.4.4. Phép chiếu phối cảnh (Perspective Projection) .............................. 154
5.5. Phép biến đổi mơ hình và phép biến đổi hệ trục toạ độ ........................ 158
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 5 ............................................................. 160
Hƣớng dẫn giải bài tập ................................................................................. 168
Chƣơng 6MÀU SẮC TRONG ĐỒ HỌA ........................................................ 175
6.1. Ánh sáng đơn sắc ................................................................................... 175
6.1.1. Cƣờng độ sáng và cách tính ............................................................ 175
6.1.2. Hiệu chỉnh Gama ............................................................................ 176
6.2. Lý thuyết màu sắc trong đồ họa ............................................................ 182
6.2.1. Cảm nhận màu sắc .......................................................................... 182
6.2.2. Yếu tố vật lý .................................................................................... 184
6.2.3. Biểu đồ màu CIE............................................................................. 185
6.3. Giới thiệu về các hệ màu trong màn hình đồ họa .................................. 189
6.3.1. Mơ hình màu RGB .......................................................................... 189
6.3.2.Mơ hình màu CMY .......................................................................... 192
6.3.3. Mơ hình màu YIQ ........................................................................... 193
6.3.4. Mơ hình màu HSV .......................................................................... 194
iv


Đồ họa máy tính
6.3.5. Mơ hình màu HLS...........................................................................196
6.3.6. Chuyển đổi giữa các hệ màu ...........................................................197
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 6 .............................................................215
Hƣớng dẫn giải bài tập ..................................................................................220

v

Đồ họa máy tính

Chƣơng 1TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HOẠ MÁY TÍNH
1.1. Các khái niệm tổng quan của kỹ thuật đồ họa máy tính
Đồ họa máy tính là tất cả những gì liên quan đến việc sử dụng máy tính để phát
sinh ra hình ảnh. Các vấn đề liên quan tới công việc này bao gồm: tạo, lƣu trữ, thao tác
trên các mơ hình (các mơ tả hình học của đối tƣợng) và các ảnh.
1.1.1. Kỹ thuật đồ họa máy tính
Kỹ thuật đồ hoạ máy tính (Computer Graphics) có thể định nghĩa nhƣ một lĩnh
vực của công nghệ thông tin mà ở đó nghiên cứu, xây dựng và tập hợp các cơng cụ
(mơ hình lý thuyết và phần mềm) khác nhau để kiến tạo xây dựng, lƣu trữ và xử lý các
mơ hình (model) và hình ảnh (image) của đối tƣợng, sự vật hiện tƣợng khác nhau
trong cuộc sống, sản xuất và nghiên cứu. Các mơ hình và hình ảnh này có thể là các
kết quả thu đƣợc từ những lĩnh vực khác nhau của nhiều ngành nghề khoa học (vật lý,
toán học, thiên văn học...) và bao trùm nhiều thể loại nhƣ: cấu trúc phân tử, cấu trúc
sinh học, mô hình vũ trụ...
Thuật ngữ kỹ thuật đồ hoạ máy tính đƣợc đề xuất bởi nhà khoa học ngƣời Mỹ
William Fetter vào năm 1960. Khi đó ơng đang nghiên cứu xây dựng mơ hình buồng
lái máy bay cho hãng Boeing của Mỹ. William Fetter đã dựa trên các hình ảnh ba
chiều của mơ hình ngƣời phi cơng trong buồng lái máy bay để xây dựng nên một mơ
hình tối ƣu cho buồng lái máy bay Boeing. Đây là phƣơng pháp nghiên cứu rất mới và
có những tính năng vƣợt trội hơn tất cả những phƣơng pháp nghiên cứu xây dựng mơ
hình buồng lái máy bay khác trƣớc đó đƣợc áp dụng trong hãng Boeing. Phƣơng pháp
này cho phép nhà thiết kế quan sát một cách trực quan vị trí của ngƣời lái trong
khoang buồng lái. William Fetter đã đặt tên cho phƣơng pháp của mình là Computer
Graphics.
1.1.2.Kỹ thuật đồ họa tƣơng tác
Cũng nhƣ mọi lĩnh vực khác trong công nghệ thông tin, một hệ thống sử dụng
kỹ thuật đồ hoạ tƣơng tác là một hệ thống xử lý thông tin bao gồm ba thành phần với
các thao tác tƣơng ứng:

 Nhập (vào) dữ liệu: thông qua các thiết bị vào dữ liệu nhƣ chuột, máy quét, bàn
phím ...
 Xử lý và lƣu trữ dữ liệu
 Hiển thị/ kết xuất kết quả: thơng qua các thiết bị nhƣ màn hình, máy in ...
1


Đồ họa máy tính
Ngồi những đặc thù chung đã đƣợc liệt kê ở trên, hệ thống kỹ thuật đồ hoạ
tƣơng tác cịn có một đặc điểm: trong hệ thống này, các thông tin và dữ liệu đặc trƣng
đƣợc hiển thị trên màn hình một cách trực quan và ngƣời sử dụng có thể quan sát,
theo dõi, thay đổi giá trị hoặc khuôn dạng của chúng một cách tƣơng tác (interactive)
và ngay lập tức những thay đổi này đƣợc hệ thống ghi nhận và xử lý . Kết quả của sự
thay đổi sẽ đƣợc hệ thống xử lý ngay trên các mơ hình, cấu trúc hoặc hình ảnh của các
đối tƣợng và hiển thị chúng ngay trên màn hình ngƣời sử dụng mong muốn.
Nhập dữ liệu

Xử lý lƣu trữ

Hiển thị kết quả

USER
Hình 1.1 Mơ hình chung của hệ đồ họa tương tác
Nhƣ trên mơ hình chung của một hệ thống sử dụng kỹ thuật đồ hoạ tƣơng tác,
ngƣời sử dụng có khả năng giao tiếp tƣơng tác với hệ thống ở cả ba giai đoạn trong
q trình xử lý thơng tin.
Hệ thống đồ hoạ tƣơng tác đầu tiên đƣợc thiết kế và xây dựng bởi Ivan
Sutherland năm 1963 mang tên Sketchpad. Hệ thống này đƣợc dùng để thiết kế mạch
điện và bao gồm những thành phần sau:
 CRT màn hình.

 Bút chì sáng và một bàn phím bao gồm một số phím bấm chức năng.
 Máy tính chứa chƣơng trình xử lý các thơng tin.
Ngƣời sử dụng có thể vẽ mạch điện trực tiếp lên màn hình thơng qua bút sáng,
chƣơng trình sẽ phân tích và tính tốn những thơng số cần thiết của mạch điện do
ngƣời sử dụng vẽ nên.
1.2. Các kỹ thuật đồ họa
Ngày nay số lƣợng các hệ thống sử dụng kỹ thuật đồ họa tƣơng tác ngày càng
nhiều và đa dạng. Tuy vậy căn cứ vào phƣơng pháp xử lý dữ liệu trong hệ thống, có
thể phân kỹ thuật đồ họa thành hai loại: kỹ thuật đồ họa điểm (Sample – Based
Graphics) và kỹ thuật đồ họa vector (Geometry – Based Graphics).

2


Đồ họa máy tính
1.2.1.Kỹ thuật đồ hoạ điểm
Nguyên lý xây dựng các mơ hình và hình ảnh trong kỹ thuật đồ họa điểm là:
Các mơ hình, hình ảnh của các đối tƣợng đƣợc hiển thị thông qua từng điểm ảnh
(pixel).
Đặc điểm của kỹ thuật đồ họa điểm:
- Có thể tạo ra, thay đổi thuộc tính, xố đi từng điểm ảnh của mơ hình và hình
ảnh các đối tƣợng.
- Các mơ hình hình ảnh đƣợc hiển thị nhƣmột lƣới (grid) các điểm ảnh rời rạc,
từng điểm ảnh đều có vị trí xác định, đƣợc hiển thị với một giá trị rời rạc (số ngun)
các thơng số hiển thị ví dụ nhƣ màu sắc hoặc độ sáng.
- Tập hợp tất cả các điểm ảnh của lƣới điểm cho ta mơ hình, hình ảnh đối tƣợng
ta muốn hiển thị để nghiên cứu hoặc xây dựng.
Có hai phƣơng pháp để tạo ra các điểm ảnhtrong kỹ thuật đồ họa điểm:
- Dùng phần mềm để vẽ trực tiếp từng điểm ảnh một, dựa trên các lý thuyết mô
phỏng để xây dựng nên các đối tƣợng hoặc hình ảnh thực của sự vật.

- Rời rạc hóa (số hóa) hình ảnh thực của đối tƣợng, sau đó có thể sửa đổi hoặc
xử lý mảng các điểm ảnh thu đƣợc theo những phƣơng pháp khác nhau để thu đƣợc
hình ảnh đặc trƣng của đối tƣợng.

Hình 1.2 Ví dụ ảnh đồ họa điểm

3


Đồ họa máy tính

Hình 1.3 Kỹ thuật đồ họa điểm
1.2.2.Kỹ thuật đồ hoạ Vector
Nguyên lý của kỹ thuật này là xây dựng mơ hình hình học (geometrical model)
cho hình ảnh đối tƣợng, xác định các thuộc tính của mơ hình hình học, sau đó dựa trên
mơ hình này để thực hiện q trình tơ trát (rendering) để hiển thị từng điểm trên mơ
hình, hình ảnh của đối tƣợng.
Mơ hình của một hình ảnh phải lột tả một cách chính xác và làm nổi bật những
điểm chính nhất của hình ảnh đó. Thơng thƣờng q trình mơ hình hóa sử dụng
phƣơng pháp thiết kế từ trên xuống (top-down) và kết quả thu đƣợc là một sơ đồ phân
cấp. Sơ đồ này cần phải chỉ rõ những thành phần cơ sở của đối tƣợng và phƣơng thức
kết nối giữa các thành phần này.
Ở kỹ thuật này, ta chỉ lƣu trữ mơ hình tốn học của các thành phần trong mơ
hình hình học cùng với các thuộc tính tƣơng ứng mà khơng cần lƣu lại tồn bộ tất cả
các pixel của hình ảnh đối tƣợng.
Các thành phần đƣợc mơ tả trong mơ hình hình học của đối tƣợng đƣợc gọi là
thực thể cơ sở hình học của mơ hình hình học. Hình ảnh đƣợc xây dựng từ các thực thể
cơ sở sau đó đƣợc tô trát theo điểm ảnh nhƣng những điểm ảnh này không đƣợc lƣu
trữ nhƣ một thành phần của mô hình. Nhƣ thế hình ảnh có thể đƣợc tơ trát từ nhiều
điểm nhìn và góc nhìn khác nhau dựa trên cùng một mơ hình mẫu.

4


Đồ họa máy tính

Hình 1.4 Ví dụ về hình ảnh đồ họa vector

Hình 1.5 Kỹ thuật đồ họa Vector
1.2.3. Sự phát triển của kỹ thuật hiển thị
Đồ hoạ máy tính là một trong những lĩnh vực quan trọng nhất đóng góp cho q
trình phát triển của mơi trƣờng giao diện trong lịch sử phát triển của máy tính. Những
phát triển này đƣợc nảy sinh nhƣ sau:
 Giao diện đồ họa tƣơng tác với ngƣời sử dụng.
 Xây dựng các phần mềm trực quan (thiết kế quảng cáo, hiển thị khoa học,...)

5


Đồ họa máy tính
Những yêu cầu này đã thúc đẩy sự phát triển của kỹ thuật đồ hoạ, giao diện với
ngƣời sử dụng càng đẹp, càng phải dễ sử dụng ... càng làm sáng tỏ những kỹ thuật mới
trong đồ hoạ
Các kỹ thuật hiển thị đã nảy sinh và phát triển theo những giai đoạn sau:
1) Kỹ thuật hiển thị bằng ký tự
Kỹ thuật này chỉ cho phép hiển thị văn bản và các hình đồ hoạ đơn giản. Giao
tiếp với ngƣời sử dụng thông qua các lệnh dƣới dạng văn bản. Để có thể mã hố những
phƣơng thức hiển thị khác nhau của đối tƣợng ngƣời ta sử dụng những ký tự mã hoá
đặc biệt. Tất cả các chƣơng trình và phần mềm đƣợc thực hiện đều là đơn nhiệm. Ví
dụ: Hệ điều hành MS- DOS- hệ điều hành tiêu biểu của những năm 1980 và đầu những

năm 1990 của hãng Microsoft; phần mềm soạn thảo văn bản BKED chạy trên môi
trƣờng MS- DOS.
2) Kỹ thuật hiển thị vector
Kỹ thuật này phát triển từ 1963 đến 1980 cho phép hiển thị văn bản và vẽ các
đƣờng thẳng, các mô hình mơ phỏng đơn giản. Ngƣời sử dụng có thể quan sát thấy các
hình ảnh 2D và 3D của các đối tƣợng. Giao tiếp với ngƣời sử dụng đƣợc thực hiện
thơng qua các dịng lệnh, các phím ký tự nóng và menu chọn. Ở đây xuất hiện ý tƣởng
ban đầu về phƣơng thức WYSIWYG (What You See Is What You Get – Bạn nhìn
thấy gì thì bạn nhận đƣợc cái đó). Mơi trƣờng sử dụng (hệ điều hành) là đơn nhiệm
hoặc đa nhiệm phân tán.
3) Ảnh hai chiều
Kỹ thuật này cho phép hiển thị các cửa sổ (window), các biểu tƣợng (icon), và
các dòng văn bản (text). Trong giao tiếp với ngƣời sử dụng đã hạn chế tối đa việc gõ
các lệnh (tuy nhiên vẫn cho phép ngƣời sử dụng nhập lệnh theo phƣơng thức này).
Việc tƣơng tác với ngƣời sử dụng đƣợc thực hiện thông qua kỹ thuật tiêu biểu sau:
-

Thông qua WIWP (Windows, icon,menus, pointer) của giao diện đồ hoạ
(Graphics Use Interface): có thể chọn và nhấn vào thực đơn ta muốn mà
không phải viết lệnh.

-

Xử lý trực tiếp các đối tƣợng (drag and drop). Ở đây phƣơng thức
WYSIWYG đƣợc hồn thiện và phát triển. Mơi trƣờng sử dụng thông
thƣờng là đa nhiệm (multi-task) hoặc cơ chế Client -Server trên mạng.

6

Đồ họa máy tính
Ví dụ điển hình cho các hệ điều hành thuộc kỹ thuật này là các hệ điều hành
windows 3x và sau đó là windows 9x của hãng Microsoft.
4) Trạm làm việc đồ hoạ (3D Graphics workstation) và các công nghệ hiển
thị tiên tiến khác
Công nghệ này đƣợc xây dựng và phát triển trong công ty Sillcon Graphics,
một trong những công ty hàng đầu của Mỹ về lĩnh vực đồ hoạ. Công nghệ này cho
phép hiển thị các hình ảnh thực và hình ảnh khơng gian ba chiều của hình ảnh của sự
vật dựa trên các cảnh trí (Sence) 3 chiều. Môi trƣờng giao tiếp với ngƣời sử dụng đƣợc
xây dựng trên cơ sở các hình ảnh hai chiều (2D), ba chiều (3D) và mô phỏng thế giới
thực. Các thao tác xử lý trực tiếp các đối tƣợng đƣợc xây dựng mạnh hơn. Môi trƣờng
làm việc thông thƣờng là đa nhiệm và Client – Server
1.3. Phân loại các lĩnh vực của kỹ thuật đồ họa
1.3.1. Phân loại theo mục đích xử lý dữ liệu

Hình 1.6 Phân loại theo 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 tƣợng. Trong quá trình xửlý ảnh sử dụng nhiều các kỹ thuật phức tạp: kỹ thuật
khôi phục ảnh, kỹ thuật làm nổi ảnh, kỹ thuật xác định biên ảnh. Ví dụ ảnh chụp vũ
trụ, ảnh truyền qua vệ tinh...
- Kỹ thuật nhận dạng (Pattern Recognition): từ những ảnh mẫu có sẵn ta phân
loại theo cấu trúc hoặc theo các tiêu chí đƣợc xác định từ trƣớc và bằng các thuật tốn
chọn lọc để có thể phân tích hay tổng hợp ảnh đã cho thành một tập hợp các ảnh gốc,
các ảnh gốc này đƣợc lƣu trong một thƣviện và căn cứ vào thƣ viện này ta xây dựng
đƣợc các thuật giải phân tích và tổ hợp ảnh.
7


Đồ họa máy tính
- Kỹ thuật tổng hợp ảnh (Image Synthesis): là lĩnh vực xây dựng mơ hình và

hình ảnh của các vật thể dựa trên các đối tƣợng và mối quan hệ giữa chúng.
- Các hệ CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacture
System): kỹ thuật đồ hoạ tập hợp các công cụ, các kỹ thuật trợ giúp cho thiết kế các
chi tiết và các hệthống khác nhau: hệ thống cơ, hệ thống điện, hệ thống điện tử….
- Đồ hoạ minh hoạ (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 tốn có
sẵn.
- Đồ hoạ hoạt hình và nghệ thuật: bao gồm các cơng cụ giúp cho các hoạ sĩ,
các nhà thiết kế phim hoạt hình chuyên nghiệp làm các kỹ xảo hoạt hình, vẽ tranh... Ví
dụ: phần mềm 3D Studio, 3D Animation, 3D Studio Max.
1.3.2. Phân loại theo hệ tọa độ dùng trong kỹ thuật đồ họa

Hình 1.7 Phân loại theo hệ tọa độ
- Kỹ thuật đồ hoạ hai chiều: là kỹ thuật đồ hoạ máy tính sử dụng hệ toạ độ hai
chiều (hệ tọa độ phẳng), sử dụng rất nhiều trong kỹ thuật xử lý bản đồ, đồ thị.
- Kỹ thuật đồ hoạ ba chiều: là kỹ thuật đồ hoạ máy tính sử dụng hệ tọa độ ba
chiều, địi hỏi nhiều tính toán và phức tạp hơn nhiều so với kỹ thuật đồ hoạ hai chiều.
1.4.Giới thiệu một số ứng dụng của kỹ thuật đồ họa
1.4.1. Hỗ trợ thiết kế
Một trong những ứng dụng lớn nhất của đồ họa máy tính là hỗ trợ thiết kế
(CAD –Computer Aided Design). Ngày nay CAD đã đƣợc sử dụng hầu hết trong việc
thiết kế các cao ốc, ô tô, máy bay, tàu thủy, tàu vũ trụ, máy tính, trang trí mẫu vải, và
rất nhiều sản phẩm khác.
Sử dụng những chƣơng trình này, đầu tiên các đối tƣợng đƣợc hiển thị dƣới
dạng các phác thảo của phần khung (wireframe outline), từ đó có thể thấy đƣợc tồn
bộ hình dạng và các thành phần bên trong của đối tƣợng. Sử dụng kĩ thuật này, ngƣời
thiết kế sẽ dễ dàng nhận thấy ngay các thay đổi của đối tƣợng khi tiến hành hiệu chỉnh
các chi tiết hay thay đổi góc nhìn,….
8

Đồ họa máy tính
Một khi đã thiết kế xong phần khung của đối tƣợng, các mơ hình chiếu sáng, tơ
màu và tạo bóng bề mặt sẽ đƣợc kết hợp để tạo ra kết quả cuối cùng gần với thế giới
thực.

Hình 1.8 Phác thảo phần khung và kết quả của thiết kế xy lanh
1.4.2. Biểu diễn thông tin
Đây là các ứng dụng sử dụng đồ họa máy tính để phát sinh các biểu đồ, đồ thị,…
dùng minh họa mối quan hệ giữa nhiều đối tƣợng với nhau. Các ứng dụng này thƣờng
đƣợc dùng để tóm lƣợc các dữ liệu về tài chính, thống kê, kinh tế, khoa học, tốn
học,… giúp cho việc nghiên cứu, quản lí, … thêm có hiệu quả.

Hình 1.9 Thơng tin tóm lược được biểu diễn qua các biểu đồ
1.4.3. Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật
Trong lĩnh vực nghệ thuật, các chƣơng trình máy tính nhƣ Paint Shop Pro,
Adobe Photoshop, 3D Studio,… hỗ trợ rất đắc lực cho các họa sĩ, các nhà tạo mẫu
9


Đồ họa máy tính
trong việc thiết kế các hình ảnh sống động và rất thực. Với các chƣơng trình này,
ngƣời họa sĩ đƣợc máy tính tạo cho cảm giác nhƣ đang làm việc ngoài đời thực bằng
cách cung cấp các công cụ nhƣ khung vẽ, giá vẽ, bảng pha màu, các hiệu ứng ba
chiều,… làm cho họ cảm thấy thoải mái và tiện lợi.
Ngồi ra đồ họa máy tính cịn giúp tạo ra các chƣơng trình trị chơi, giải trí; hỗ
trợ cho các kĩ xảo điện ảnh, cho các nhà làm phim. Có nhiều bộ phim nổi tiếng nhờ
vào kĩ xảo điện ảnh nhƣ: Công viên Khủng long kỉ Jura (Jurassic Park), Titanic, Thế
giới nƣớc (Water World), …

Hình 1.10 Hình ảnh được tạo ra từ chương trình đồ họa
1.4.4. Điều khiển các quá trình sản xuất
Các chƣơng trình cho phép theo dõi tồn bộ q trình nào đó xảy ra trong thực
tế bằng cách mơ phỏng tồn bộ các diễn biến xảy ra trong q trình này và thơng qua
các giao thức ghép nối ngƣời ta có thể kiểm sốt đƣợc tồn bộ diễn biến của q trình
thực hiện.
1.4.5. Lĩnh vực bản đồ
Đồ họa máy tính đƣợc sử dụng để xây dựng và in các bản đồ địa lý nhƣ bản đồ
địa hình, bản đồ dân số,... Một trong những ứng dụng hiện nay là hệ thống thông tin
địa lý GIS (Geographical Information System), kết hợp giữa đa phƣơng tiện
(Multimedia) và cơ sở dữ liệu (Database)
1.4.5. Giáo dục và đào tạo
Hiện nay các chƣơng trình mơ phỏng cấu trúc của các vật thể, tiến trình của các
phản ứng hóa học, hoạt động của các gói tin trên mạng máy tính,… đƣợc dùng rất
nhiều trong việc hỗ trợ giảng dạy.

10


Đồ họa máy tính
Trong đào tạo, các ứng dụng mơ phỏng đƣợc dùng để kiểm tra trình độ ngƣời
lái, huấn luyện phi cơng, điều khiển giao thơng, …

Hình 1.11 Chương trình học về máy tính
1.4.6. Giao tiếp giữa máy tính và ngƣời dùng
Mọi ứng dụng đều phải có giao diện giao tiếp với ngƣời dùng. Giao diện đồ họa
thực sự là một cuộc cách mạng mang lại sự thuận tiện và thoải mái cho ngƣời dùng
ứng dụng. Các ứng dụng dựa trên hệ điều hành MS Windows là một minh họa rất
trực quan của giao diện đồ họa. Các chức năng của các ứng dụng này đƣợc thiết kế cho
ngƣời dùng làm việc thông qua các biểu tƣợng mô tả chức năng đó. Ví dụ, chức năng

lƣu tập tin đƣợc hiểu thông qua biểu tƣợng đĩa mềm, chức năng in ấn đƣợc hiểu thông
qua biểu tƣợng máy in,… Để chọn các chức năng, ngƣời dùng sử dụng chuột trỏ đến
và nhấn vào các biểu tƣợng tƣơng ứng. Điểm thuận lợi chính khi dùng biểu tƣợng là
kích thƣớc khơng gian mà nó chiếm ít hơn nhiều so với dùng văn bản để mơ tả cho
cùng một chức năng, ngồi ra việc nắm bắt các chức năng qua các biểu tƣợng sẽ dễ
dàng hơn rất nhiều khi ngƣời dùng gặp trở ngại về mặt ngơn ngữ.Các ứng dụng có
giao diện đồ họa còn cho phép ngƣời dùng khả năng làm việc dễ dàng với nhiều cửa sổ
với nhiều dạng tài liệu khác nhau cùng một lúc.

11


Đồ họa máy tính

Hình 1.12 Giao diện của chương trình MS Word
1.5.Hệ đồ họa tƣơng tác
1.5.1.Mơ hình hệ tọa độ tƣơng tác
1) Khái niệm xử lý theo lô (Batch processing)
Xử lý theo lô là chế độ thao tác của máy tính trong đó các chỉ thị lệnh chƣơng
trình đƣợc thực hiện lệnh này liên tiếp sau lệnh kia mà không cần sự can thiệp của
ngƣời sử dụng máy tính. Xử lý theo lô thể hiện sự hiệu quả khi sử dụng nguồn tài
nguyên dự trữ của máy tính, nhƣng thể hiện sự bất tiện khi ngƣời sử dụng cần hiệu
chỉnh lỗi và giao tiếp với máy tính.
2) Khái niệm tƣơng tác (Interactive processing)
Đây là phƣơng pháp xử lý của máy tính, cho phép ngƣời dùng có thể bắt giữ và
hiệu chỉnh các sai sót trƣớc khai thao tác xử lý đƣợc hồn chỉnh. Tính năng này của
các phần mềm hiện nay cho phép ngƣời sử dụng xử lý dễ dàng hơn, các thao tác thực
hiện mềm dẻo hơn.
1.5.2. Các thành phần của hệ đồ họa tƣơng tác

Hình 1.13 Mơ hình của hệ đồ họa tương tác
 Mơ hình ứng dụng (application model)
12


Đồ họa máy tính
 Phần mềm ứng dụng (application program)
 Hệ thống đồ họa (phần mềm hệ thống)
o Thƣ viện đồ họa (phần mềm đồ họa hệ thống)
o Phần cứng đồ họa
 Thành phần xử lý tƣơng tác ngƣời dùng (Interaction Handling)
 Các chuẩn của hệ đồ họa
1) Mơ hình ứng dụng và xây dựng mơ hình ứng dụng (Application Model)
Mơ hình ứng dụng phải lƣu trữ tất cả các dữ liệu, các đối tƣợng và mối liên kết
giữa các đối tƣợng này để có thể hiển thị hoặc biểu diễn chung.
Một đối tƣợng có thể đƣợc biểu diễn bằng sự kết hợp giữa dữ liệu và một số thủ
tục mô tả các đối tƣợng này (sử dụng ngôn ngữ lập trình hƣớng đối tƣợng). Nhƣ vậy
mơ hình ứng dụng có thể đƣợc chia làm 2 thành phần:
-

Mơ hình dữ liệu (data model): (mảng ghi tọa độ các pixel, danh sách các đối
tƣợng,...) lƣu lại dữ liệu về các đối tƣợng và thông thƣờng ngƣời ta dùng các
cơ sở dữ liệu (database) để lƣu trữ dữ liệu này.

-

Thƣ viện mô tả: Các thủ tục mô tả các đối tƣợng đƣợc xây dựng nên từ các
thực thể cơ sở (primitive) để có thể mơ tả các thành phần (component) của
các đối tƣợng, các thuộc tính (attribute) của các thành phần này, các phƣơng
thức kết nối (connectivity) giữa các thành phần.

2) Phần mềm ứng dụng (application program)
Phần mềm ứng dụng đƣợc xây dựng để có thể tạo ra, lƣu giữ lại, lấy ra những
dữ liệu và các thủ tục từ mơ hình ứng dụng (application model). Phần mềm này đƣợc
xây dựng trên cơ sở mơ hình ứng dụng và ở phần mềm ứng dụng các đối tƣợng, dữ
liệu sẽ đƣợc hiển thị trên màn hình theo phƣơng thức ngƣời dùng mong muốn. Ngoài
ra để hệ thống là hệ đồ họa tƣơng tác, phần mềm ứng dụng phải xây dựng đƣợc giao
diện với ngƣời sử dụng một cách thuận tiện, để các thay đổi mà ngƣời sử dụng muốn
có thể tƣơng tác lên ngay lập tức các đối tƣợng và hiển thị lại chúng.
3) Hệ thống đồ họa (graphics system)
Phần mềm đồ họa hệ thống là tập hợp các lệnh đồ họa của hệ thống (graphics
output commands), tập hợp các lệnh này cần phải thực hiện cơng việc hiển thị cái gì
13


Đồ họa máy tính
(what object) và chúng sẽ đƣợc hiển thị nhƣ thế nào (how). Phần mềm đồ họa 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 họa: là tập hợp các thiết bị điện tử (CPU, màn hình, chuột, bàn
phím, ... ) giúp cho việc thực hiện các phần mềm đồ họa.
Phần mềm đồ họa (application program) sẽ vẽ các đối tƣợng nhờ gọi các hàm
và thủ tục có ở thƣ viện đồ họa, sử dụng các tài nguyên của phần cứng đồ họa.
4) Thành phần thƣ viện đồ họa
a) Các thực thể cơ sở (các ảnh gốc)
Thực thể cơ sở là các đối tƣợng cơ bản nhất cho việc xây dựng các đối tƣợng và
hình ảnh, thơng thƣờng các thực thể cơ sơ bao gồm:
-

Điểm (pixel)

-

Đƣờng thẳng (line)

-

Đƣờng tròn (circle)

-

Đa giác (polygon) ...

b) Các thuộc tính
Thuộc tính của các thực thể cơ sở và thay đổi các thuộc tính này cũng đóng vai
trị quan trọng trong việc xây dựng các đối tƣợng và hình ảnh. Thơng thƣờng thuộc
tính có thể liệt kê ra gồm:
-

Màu sắc (color)

-

Kiểu đƣờng vẽ (line style)

-

Kiểu văn bản (text style)

-

Mẫu tô (pattern).

Các phép biến đổi và hệ quan sát: một khi đã xây dựng ảnh gốc và thuộc tính,
chúng ta thu đƣợc một hình ảnh xác định trong hệ tọa độ khơng gian thực, có thể phải
sử dụng một số phép biến đổi nào đó, sau đó cần phải chiếu phần quan sát đƣợc của
các đối tƣợng và ảnh sang một thiết bị xuất cụ thể nào đó.
c) Chiếu sáng
Cùng với việc chiếu phần quan sát đƣợc của ảnh, ngƣời ta cịn phải tính tốn
đƣợc cƣờng độ sáng của từng điểm ảnh đƣợc chiếu. Đây là một quá trình tính tốn
phức tạp dựa trên những cơng thức tốn học và bản chất quang học, sinh học của hấp
thụ và phản chiếu ánh sáng.
14


Đồ họa máy tính
1.6. Phần cứng đồ họa
1.6.1. Các thành phần phần cứng của hệ tọa độ tƣơng tác
Các thành phần phần cứng của hệ đồ hoạ tƣơng tác gồm:
-

CPU:thực hiện các chƣơng trình ứng dụng.

-

Bộxửlý hiển thị(Display Processor): thực hiện công việc hiển
thịdữliệu đồhoạ.

-

Bộnhớhệthống (System Memory): chứa các chƣơng trình và dữliệu
đang thực hiện.

-

Gói phần mềm đồhoạ(Graphics Package): cung cấp các hàm
đồhoạcho chƣơng trình ứng dụng

-

Phần mềm ứng dụng (Application Program): phần mềm đồhoạ 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 dữliệu dạng số ởframe buffer thành các điểm sáng trên màn
hình.

Hình 1.14 Các thành phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác
1.6.2. Các thiết bị hiển thị (thiết bị ra dữ liệu)
1)Màn hình CRT
Màn hình là thiết bị hiển thị thơng dụng nhất trong một hệ đồ họa. Các thao tác
của hầu hết màn hình đều dựa trên thiết kế của ống tia âm cực (CRT – cathode ray
tube).
15

Đồ họa máy tính
a) Cấu tạo của CRT
Hình dƣới đây minh họa thao tác cơ sở của một ống tia âm cực. Một chùm các
tia điện tử (tia âm cực) phát ra từ một súng điện tử, vƣợt qua các hệ thống hội tụ
(focusing) và dẫn hƣớng (deflection) sẽ hƣớng tới các vị trí xác định trên màn hình
đƣợc phủmột lớp phosphor. Tại mỗi vị trí tƣơng tác với tia điện tử, hạt phosphor sẽ
phát ra một chấm sáng nhỏ. Vì ánh sáng phát ra bởi các hạt phosphor mờ dần rất
nhanh nên cần phải có một cách nào đó để duy trì ảnh trên màn hình. Một trong các
cách đó là lặp đi lặp lại nhiều lần việc vẽ lại ảnh thật nhanh bằng cách hƣớng các tia
điện tử trở lại vị trí cũ. Kiểu hiển thị này gọi là refresh CRT.

Hình 1.15 Cấu tạo của CRT

Hình 1.16 Cơng nghệ màn hình CRT
Số lƣợng tối đa các điểm có thể hiển thị trên một CRT đƣợc gọi là độ phân giải
(Resolution). Hay độ phân giải là số lƣợng các điểm trên một cm mà có thể đƣợc vẽ
theo chiều ngang và chiều dọc (đƣợc xem nhƣ tổng số điểm theo mỗi hƣớng).
Kích thƣớc vật lý của màn hình đồ hoạ đƣợc tính từ độ dài của đƣờng chéo màn
hình và thƣờng dao động từ 12-27 inch, hoặc lớn hơn.

16


Đồ họa máy tính
Thuộc tính khác của màn hình là tỷ số phƣơng (aspect ratio). Nó là tỷ lệ của các
điểm dọc và các điểm ngang cần để phát sinh các đoạn thẳng có độ dài đơn vị theo cả
hai hƣớng trên màn hình. Màn hình có tỷ số phƣơng khác một, thì hình vng hiển thị
trên đó thành hình chữ nhật cịn hình trịn thành hình Ellipse.

b) Phƣơng thức hiển thị
Căn cứ vào phƣơng thức hiển thị các dữ liệu hình học trên màn hình, ngƣời ta
có hai loại thiết bị hiển thị:
Các thiết bị hiển thị dạng vector
Quét vector theo tọa độ các điểm đầu và cuối của vector. Ngƣời ta sử dụng các
cuộn lái tia để quét thành các đoạn thẳng và nhƣ thế để vẽ đƣợc một đối tƣợng đồ họa
ngƣời ta phải phân tích đối tƣợng thành các đoạn thẳng cơ sở và lần lƣợt vẽ chúng.
Các thiết bị hiển thị dạng đƣờng rất thích hợp cho việc hiển thị các đối tƣợng
hình học, tịnh tiến, quay dễ dàng nhƣng lại không hiệu quả với việc tơ màu các vùng
kín vì để làm đƣợc điều này chúng ta phải vẽ nhiều đƣờng thẳng thật gần nhau để xấp
xỉ thành vùng đƣợc tô và điều này hạn chế tốc độ của ứng dụng. Nhƣ vậy đối với các
ảnh phức tạp cần tới thời gian vẽ lớn, tốc độ làm tƣơi chậm, màn hình sẽ bị nháy.

Hình 1.17. Kiến trúc hiển thị Vector
Kiến trúc hiển thị vector làm việc với tệp hiển thị chứa những vector mà hệ
thống cần phải hiển thị (display commands)
MOVE

10 , 15

LINE

400 , 300

LINE

600 , 800

Refesh

Buffer
17


Đồ họa máy tính
Các thiết bị hiển thị dạng điểm
Tia điện tử quét ngang trên màn hình từ trái sang phải, khi quét hết một dòng
ngang, tia điện tử đƣợc dập tắt và lái hồi về đầu dòng tiếp (hồi ngang). Một hàng là
một tập hợp các điểm X khi tia điện tử qt từ trái sang phải thì nó cũng lái theo chiều
dọc từ trên xuống dƣới Y.Mỗi điểm màn hình tại một điểm sáng (tối) đƣợc gọi là
pixel.

Hình 1.18 Kiến trúc hiển thị Bitmap
Bộ đệm (frame buffer) đƣợc tổ chức nằm bên trong bộ nhớ của hệ thống
(8086/8088). Có riêng một bộ xử lý hiển thị. Dữ liệu hiển thị đƣợc dùng chung, bộ nhớ
đƣợc tổ chức thành khơng gian nhớ ảo, Video RAM đƣợc phân biệt. (80486/80586).

Hình 1.19. Mơ hình dữ liệu của thiết bị hiển thị điểm
2) Màn hình tinh thểlỏng (Liquid Crystal Display – LCD)
Dựa vào công nghệ truyền ánh sáng qua điện cực mà đặt giữa là cuộn dây xoắn.
Khi chƣa có từ trƣờng (chƣa có dịng điện) ở cuộn dây thì ánh sáng truyền thẳng, khi
có từ trƣờng thì ánh sáng truyền đổi chiều.

18


Đồ họa máy tính

Hình 1.17 Cơng nghệ truyền ánh sáng trong màn hình tinh thể lỏng
3) Máy in

Hiện tại có nhiều loại máy in, sử dụng các công nghệ khác nhau nhƣ in kim, in
phun, in laser. Nhƣng dƣới quan điểm của những ngƣời nghiên cứu đồ họa vi tính, ta
sẽ xem xét tới khái niệm chất lƣợng của bản in.
 Dot size: đƣờng kính của một điểm in bé nhất mà máy in có thể in đƣợc
 Addressability: khả năng địa chỉ hố các điểm in có thể có trên một đơn vị độ
dài (dot per inch)
 Số lƣợng màu có thể vẽ trên một điểm
Dot size

Point per inch

InkJet

8-20/100 inch

200÷ 600

Laser

5/1000 inch

1500

Máy vẽ

6÷ 15/1000 inch

1000÷ 2000

1.6.3. Các thiết bị vào dữ liệu

Bàn phím: Bàn phím xuất hiện trong hầu hết các máy tính, nó là thiết bị để
nhập dữ liệu dạng văn bản và dữ liệu số. Đây là loại thiết bị quen thuộc nhất đối với
ngƣời dùng tuy có nhƣợc điểm là tƣơng tác chậm.
Chuột: Cùng với sự xuất hiện của các ứng dụng của các hệ đồ họa có tốc độ
tƣơng tác cao, chuột là thiết bị ngày càng quen thuộc với ngƣời sử dụng. Ngƣời ta
dùng chuột để chỉ và chọn các chức năng phù hợp với yêu cầu của mình. Với cách
giao tiếp này giữa ngƣời dùng và máy tính ngày càng trở nên thân thiện và dễ dàng
hơn.

19