Nghiên Cứu Kỹ Thuật Hiển Thị Hình Ảnh 3D

Khám phá kỹ thuật hiển thị hình ảnh ba chiều, ứng dụng và tiềm năng trong công nghệ hiện đại. Tìm hiểu cách cải thiện trải nghiệm người dùng.

• Tác giả: Vũ Thị Mai Hương Giang
• Người hướng dẫn: PGS. TS Đỗ Năng Toàn
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Khoa học máy tính
• Đề tài: Nghiên Cứu Kỹ Thuật Hiển Thị Hình Ảnh 3D
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HOẠ 3D VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ 3D
• 1.1. Khái quát về kỹ thuật đồ hoạ 3D
• 1.2. Lịch sử phát triển
• 1.3. Các kỹ thuật đồ họa
• 1.4. Phần cứng đồ họa (Graphics HardWare)
• 1.5. Các ứng dụng cơ bản của đồ họa 3D
• 1.6. Bài toán hiển thị đối tượng 3D. Phát biểu bài toán ứng dụng
• 1.7. Đặc điểm của kỹ thuật đồ hoạ 3D
• 1.8. Các phương pháp hiển thị 3D
• 2. CHƯƠNG 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3 CHIỀU
• 2.1. Biểu diến dữ liệu 3D. Kỹ thuật biểu diễn bề mặt (Surface rendering - SR)
• 2.2. Kỹ thuật biểu diễn thể tích (volume rendering - VR)
• 2.3. Kỹ thuật hiển thị Stereo
• 2.4. Kỹ thuật hiển thị hình ảnh thông qua phép chiếu
• 3. CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM
• 3.1. Phân tích, lựa chọn công cụ
• 3.2. Lựa chọn công cụ
• 3.3. Chương trình thử nghiệm
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Kỹ Thuật Hiển Thị Hình Ảnh 3D

Nghiên cứu kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3D tại Đại học Thái Nguyên là một lĩnh vực đang thu hút sự quan tâm lớn. Công nghệ này không chỉ giúp mô phỏng thực tế mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau. Việc hiểu rõ về đồ họa 3D và các phương pháp hiển thị là rất cần thiết để phát triển các ứng dụng thực tiễn.

1.1. Khái Niệm Về Hình Ảnh 3D

Hình ảnh 3D là hình ảnh được tạo ra từ các mô hình ba chiều, cho phép người xem cảm nhận chiều sâu và không gian. Kỹ thuật này sử dụng các phần mềm đồ họa để tạo ra các đối tượng sống động.

1.2. Lịch Sử Phát Triển Kỹ Thuật Hiển Thị Hình Ảnh

Kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3D đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ thập niên 1960 đến nay. Những tiến bộ trong công nghệ vi tính đã giúp cải thiện chất lượng hình ảnh và khả năng hiển thị.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Hiển Thị Hình Ảnh 3D

Mặc dù công nghệ hiển thị hình ảnh 3D đã phát triển mạnh mẽ, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết. Các vấn đề như độ chính xác, tốc độ xử lý và khả năng tương tác vẫn là những yếu tố quan trọng.

2.1. Độ Chính Xác Trong Hiển Thị Hình Ảnh

Độ chính xác của hình ảnh 3D phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chất lượng mô hình và thuật toán hiển thị. Việc cải thiện độ chính xác sẽ giúp nâng cao trải nghiệm người dùng.

2.2. Tốc Độ Xử Lý Dữ Liệu

Tốc độ xử lý dữ liệu là một thách thức lớn trong việc hiển thị hình ảnh 3D. Các công nghệ mới như GPU và phần mềm tối ưu hóa đang được nghiên cứu để cải thiện vấn đề này.

III. Phương Pháp Hiển Thị Hình Ảnh 3D Hiện Đại

Có nhiều phương pháp khác nhau để hiển thị hình ảnh 3D, mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa trải nghiệm người dùng.

3.1. Kỹ Thuật Biểu Diễn Bề Mặt

Kỹ thuật biểu diễn bề mặt (Surface Rendering) là một trong những phương pháp phổ biến nhất. Nó cho phép hiển thị các bề mặt của đối tượng một cách chi tiết và sống động.

3.2. Kỹ Thuật Hiển Thị Thể Tích

Kỹ thuật hiển thị thể tích (Volume Rendering) cho phép hiển thị các đối tượng 3D phức tạp hơn, thường được sử dụng trong y học và khoa học.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hình Ảnh 3D Tại Đại Học Thái Nguyên

Hình ảnh 3D có nhiều ứng dụng thực tiễn tại Đại học Thái Nguyên, từ giáo dục đến nghiên cứu khoa học. Việc áp dụng công nghệ này giúp nâng cao chất lượng giảng dạy và nghiên cứu.

4.1. Ứng Dụng Trong Giáo Dục

Hình ảnh 3D được sử dụng trong giảng dạy để giúp sinh viên dễ dàng hình dung các khái niệm phức tạp. Điều này tạo ra một môi trường học tập tương tác và sinh động.

4.2. Ứng Dụng Trong Nghiên Cứu Khoa Học

Nghiên cứu hình ảnh 3D tại Đại học Thái Nguyên đã góp phần vào nhiều dự án nghiên cứu khoa học, từ mô phỏng đến phân tích dữ liệu.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Nghiên Cứu Hình Ảnh 3D

Nghiên cứu kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3D tại Đại học Thái Nguyên đang mở ra nhiều cơ hội mới. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiến bộ trong các lĩnh vực khác nhau.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ

Công nghệ hiển thị hình ảnh 3D sẽ tiếp tục phát triển với sự ra đời của các phần mềm và phần cứng mới, giúp nâng cao trải nghiệm người dùng.

5.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu hình ảnh 3D không chỉ có ý nghĩa trong lĩnh vực công nghệ thông tin mà còn ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực khác như y học, kiến trúc và nghệ thuật.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ thông tin ngày càng phát triển sâu rộng, kỹ thuật hiển thị hình ảnh ba chiều (3D) đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành nghề như thiết kế kiến trúc, y tế, giải trí và quốc phòng. Theo ước tính, công nghệ 3D đã được ứng dụng rộng rãi trong các phần mềm đồ họa vi tính nhằm tạo ra các mô hình sống động, chân thực, giúp mô phỏng thế giới thực một cách trực quan và sinh động hơn. Tuy nhiên, việc hiển thị hình ảnh 3D trên các thiết bị 2D truyền thống vẫn còn nhiều thách thức, đặc biệt là làm sao để người dùng có thể cảm nhận được chiều sâu của đối tượng một cách chính xác.

Luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật hiển thị hình ảnh ba chiều, với mục tiêu phát triển và thử nghiệm các phương pháp hiển thị 3D hiệu quả, đặc biệt là kỹ thuật hiển thị Stereo, nhằm tạo ra ảo giác chiều sâu cho người quan sát. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình đối tượng 3D đơn lẻ trong máy tính, áp dụng các thuật toán biểu diễn bề mặt và thể tích, cùng với các kỹ thuật chiếu phối cảnh và hiển thị lập thể. Thời gian nghiên cứu chủ yếu trong giai đoạn từ năm 2015 đến 2016 tại Đại học Thái Nguyên.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng hiển thị hình ảnh 3D, góp phần phát triển các ứng dụng thực tế trong thiết kế, y tế, giáo dục và giải trí. Các chỉ số hiệu quả như độ phân giải hình ảnh, tốc độ xử lý và độ chính xác cảm nhận chiều sâu được xem xét kỹ lưỡng nhằm đánh giá tính khả thi và ứng dụng của các kỹ thuật được đề xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: kỹ thuật đồ họa 3D và kỹ thuật hiển thị Stereo.

1. Kỹ thuật đồ họa 3D: Bao gồm các phương pháp biểu diễn dữ liệu 3D như biểu diễn bề mặt (Surface Rendering - SR) và biểu diễn thể tích (Volume Rendering - VR). SR tập trung vào việc tạo ra các bề mặt đi qua các điểm có cùng giá trị vô hướng (isosurface), sử dụng các thuật toán như Marching Cubes, Marching Tetrahedra và Dividing Cubes để tái tạo bề mặt từ dữ liệu rời rạc. VR là kỹ thuật chuyển đổi khối dữ liệu 3D thành hình ảnh 2D thông qua các phương pháp chiếu như object-order và image-order, trong đó ray casting là một kỹ thuật phổ biến dựa trên mô hình Blinn/Kajiya.

2. Kỹ thuật hiển thị Stereo: Dựa trên nguyên lý thị giác hai mắt (binocular vision), kỹ thuật này trình bày hai hình ảnh 2D riêng biệt cho mắt trái và mắt phải, tạo ảo giác về chiều sâu khi não bộ kết hợp hai hình ảnh này. Các phương pháp hiển thị Stereo bao gồm kính phân cực thụ động, kính màn trập hoạt động, kính Anaglyph 3D và các thiết bị head-mounted display. Các khái niệm chuyên ngành như binocular disparity, stereopsis, phép chiếu phối cảnh (perspective projection) và các kỹ thuật chiếu khác cũng được áp dụng để mô phỏng và hiển thị hình ảnh 3D.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Isosurface và thuật toán Marching Cubes
• Volume Rendering và ray casting
• Binocular disparity và stereopsis
• Phép chiếu phối cảnh và điểm triệt tiêu (vanishing point)

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, các bài báo khoa học và thư viện mã nguồn mở về đồ họa 3D. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp, phân tích và đánh giá các kỹ thuật đồ họa 3D và hiển thị Stereo hiện có, từ đó lựa chọn các thuật toán phù hợp để phát triển ứng dụng thử nghiệm.

• Phương pháp thực nghiệm: Xây dựng chương trình thử nghiệm sử dụng các thuật toán Marching Cubes, Marching Tetrahedra và ray casting để mô phỏng và hiển thị mô hình 3D. Cỡ mẫu thử nghiệm bao gồm các mô hình 3D đơn lẻ với kích thước dữ liệu từ 32x32x16 đến 256x256x128 voxel nhằm đánh giá hiệu quả thuật toán.

• Phân tích kết quả: Đánh giá chất lượng hình ảnh, tốc độ xử lý và khả năng tạo ảo giác chiều sâu thông qua các chỉ số như số lượng đa giác tạo ra, độ phân giải hình ảnh, và phản hồi từ người dùng thử nghiệm.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2016, với các giai đoạn chính gồm thu thập tài liệu, phát triển chương trình thử nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả thuật toán Marching Cubes trong tạo bề mặt 3D: Thuật toán Marching Cubes cho phép tạo ra bề mặt với độ phân giải cao, trung bình mỗi khối lập phương tạo ra khoảng 3 tam giác. Với tập dữ liệu 256x256x128, số lượng tam giác có thể lên tới 820,000, đảm bảo độ chi tiết cao nhưng gây ra tải trọng xử lý lớn.

2. Ưu điểm của Marching Tetrahedra trong giảm lỗi bề mặt: So với Marching Cubes, Marching Tetrahedra chia nhỏ khối lập phương thành các tứ diện giúp giảm các trường hợp lỗi tạo lỗ hổng (holes) trên bề mặt, tạo ra bề mặt khép kín và định hướng tốt hơn. Tuy nhiên, số lượng tam giác tăng lên đáng kể, ảnh hưởng đến hiệu suất.

3. Kỹ thuật Volume Rendering với ray casting cho hình ảnh thể tích chất lượng cao: Phương pháp ray casting dựa trên mô hình Blinn/Kajiya cho phép hiển thị hình ảnh 3D bán trong suốt với độ chính xác cao về màu sắc và độ sâu. Tốc độ xử lý phụ thuộc vào kích thước ảnh và khối dữ liệu, đòi hỏi phần cứng mạnh để đảm bảo tính tương tác.

4. Hiển thị Stereo tạo ảo giác chiều sâu hiệu quả: Việc sử dụng kính Anaglyph 3D và các thiết bị head-mounted display giúp người xem cảm nhận chiều sâu rõ rệt nhờ vào nguyên lý binocular disparity. Các phương pháp hiển thị Stereo side-by-side và freeviewing cũng được thử nghiệm, cho thấy khả năng tạo ảo giác chiều sâu tốt nhưng có hạn chế về độ thoải mái khi xem lâu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy các thuật toán Marching Cubes và Marching Tetrahedra đều có ưu nhược điểm riêng, trong đó Marching Tetrahedra khắc phục được một số lỗi của Marching Cubes nhưng tăng số lượng đa giác, làm giảm hiệu suất. Việc áp dụng kỹ thuật đơn giản hóa lưới (mesh simplification) là cần thiết để cân bằng giữa chất lượng hình ảnh và tốc độ xử lý.

Phương pháp Volume Rendering với ray casting mang lại hình ảnh 3D chất lượng cao, phù hợp với các ứng dụng y tế và mô phỏng khoa học, tuy nhiên yêu cầu phần cứng mạnh và tối ưu thuật toán để đảm bảo tính tương tác thời gian thực.

Kỹ thuật hiển thị Stereo dựa trên nguyên lý thị giác hai mắt đã được chứng minh là phương pháp hiệu quả để tạo ảo giác chiều sâu trên các thiết bị 2D. So với các nghiên cứu trước đây, việc kết hợp các phương pháp chiếu phối cảnh và kỹ thuật hiển thị Stereo trong luận văn đã nâng cao khả năng mô phỏng thực tế và trải nghiệm người dùng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh số lượng đa giác tạo ra bởi các thuật toán Marching Cubes và Marching Tetrahedra, bảng đánh giá tốc độ xử lý ray casting trên các kích thước dữ liệu khác nhau, cùng biểu đồ phản hồi người dùng về mức độ thoải mái khi sử dụng các thiết bị hiển thị Stereo.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu thuật toán đơn giản hóa lưới (mesh simplification) nhằm giảm số lượng đa giác không cần thiết, cải thiện tốc độ xử lý mà vẫn giữ được chất lượng hình ảnh. Chủ thể thực hiện: nhóm phát triển phần mềm đồ họa 3D, thời gian: 6 tháng.

2. Phát triển phần cứng hỗ trợ tăng tốc xử lý Volume Rendering, đặc biệt là ray casting, để đảm bảo tính tương tác thời gian thực trong các ứng dụng y tế và mô phỏng. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất GPU và thiết bị đồ họa, thời gian: 1 năm.

3. Nâng cao trải nghiệm người dùng trong hiển thị Stereo bằng cách cải tiến thiết kế kính và thiết bị head-mounted display, giảm mỏi mắt và tăng độ chính xác cảm nhận chiều sâu. Chủ thể thực hiện: các công ty công nghệ thực tế ảo, thời gian: 9 tháng.

4. Mở rộng phạm vi nghiên cứu sang mô hình đa đối tượng và môi trường phức tạp, nhằm ứng dụng kỹ thuật hiển thị 3D trong các lĩnh vực như giáo dục, giải trí và quốc phòng. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và trường đại học, thời gian: 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà phát triển phần mềm đồ họa 3D: Nghiên cứu các thuật toán biểu diễn bề mặt và thể tích, áp dụng trong phát triển công cụ mô phỏng và thiết kế.

2. Chuyên gia y tế và kỹ thuật hình ảnh y học: Áp dụng kỹ thuật Volume Rendering và ray casting để nâng cao chất lượng hình ảnh chẩn đoán và mô phỏng giải phẫu.

3. Giảng viên và sinh viên ngành công nghệ thông tin, đồ họa máy tính: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về kỹ thuật hiển thị 3D, phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.

4. Nhà thiết kế và kỹ sư trong ngành kiến trúc, xây dựng: Ứng dụng công nghệ 3D để mô phỏng công trình, phân tích ánh sáng và bố trí vật liệu trong không gian ba chiều.

Câu hỏi thường gặp

1. Kỹ thuật Marching Cubes có ưu điểm gì so với các thuật toán khác?
   Marching Cubes tạo ra bề mặt với độ phân giải cao và hiệu quả trong việc xử lý dữ liệu khối lớn. Tuy nhiên, nó có thể tạo ra các lỗ hổng trên bề mặt do trường hợp mơ hồ (ambiguous face). Thuật toán này phù hợp với các ứng dụng cần độ chi tiết cao như y tế và mô phỏng khoa học.

2. Volume Rendering khác gì so với Surface Rendering?
   Volume Rendering hiển thị toàn bộ khối dữ liệu 3D, bao gồm cả các phần trong suốt, cho phép quan sát cấu trúc bên trong vật thể. Surface Rendering chỉ tập trung vào bề mặt của đối tượng, thích hợp cho các mô hình có bề mặt rõ ràng. Volume Rendering đòi hỏi tính toán phức tạp hơn và phần cứng mạnh hơn.

3. Nguyên lý cơ bản của hiển thị Stereo là gì?
   Hiển thị Stereo dựa trên nguyên lý thị giác hai mắt, trình bày hai hình ảnh khác nhau cho mắt trái và mắt phải. Não bộ kết hợp hai hình ảnh này để tạo ảo giác về chiều sâu, giúp người xem cảm nhận được không gian ba chiều trên màn hình 2D.

4. Các thiết bị nào hỗ trợ hiển thị hình ảnh 3D Stereo?
   Các thiết bị phổ biến gồm kính Anaglyph 3D, kính phân cực thụ động, kính màn trập hoạt động và thiết bị head-mounted display. Mỗi loại có ưu nhược điểm riêng về chất lượng hình ảnh, độ thoải mái và chi phí sử dụng.

5. Làm thế nào để giảm mỏi mắt khi xem hình ảnh 3D Stereo?
   Có thể giảm mỏi mắt bằng cách sử dụng thiết bị có tần số quét cao, thiết kế kính phù hợp với người dùng, điều chỉnh khoảng cách và góc nhìn hợp lý, cũng như giới hạn thời gian xem liên tục. Nghiên cứu và cải tiến thiết bị hiển thị cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao trải nghiệm người dùng.

Kết luận

• Luận văn đã nghiên cứu và thử nghiệm các kỹ thuật hiển thị hình ảnh ba chiều, tập trung vào kỹ thuật hiển thị Stereo và các thuật toán biểu diễn bề mặt, thể tích.
• Thuật toán Marching Cubes và Marching Tetrahedra được đánh giá cao về khả năng tạo bề mặt chi tiết, tuy nhiên cần tối ưu để giảm tải xử lý.
• Kỹ thuật Volume Rendering với ray casting mang lại hình ảnh 3D chất lượng cao, phù hợp với các ứng dụng y tế và mô phỏng khoa học.
• Hiển thị Stereo dựa trên nguyên lý thị giác hai mắt giúp tạo ảo giác chiều sâu hiệu quả trên các thiết bị 2D, mở rộng khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu thuật toán, phát triển phần cứng và nâng cao trải nghiệm người dùng nhằm thúc đẩy ứng dụng kỹ thuật hiển thị 3D trong thực tế.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào mở rộng phạm vi mô hình đa đối tượng và phát triển các ứng dụng thực tế trong giáo dục, giải trí và quốc phòng. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển các kỹ thuật trong luận văn để nâng cao hiệu quả công việc và nghiên cứu của mình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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. Khái quát về kỹ thuật đồ hoạ 3D 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. 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 Human- Computer 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)…. Các kỹ thuật đồ họa 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. 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]. Kỹ thuật đồ họa điểm 1. Kỹ thuật đồ họa Vector Mô hình đồ họa Các tham số tô trát Tô trát Thiết bị ra Hình 1.

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. 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. 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.

Phần cứng đồ họa (Graphics HardWare) 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.Các thành phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác 1. 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.

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.