Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính

hau nên hình ảnh hiển thị chính xác trên thiết bị này thì chưa chắc hiển thị chính xác trên thiết bị khác. Người ta xây dựng một hệ tọa độ thiết bị chuẩn đại diện chung cho tất cả các thiết bị để có thể mô tả các hình ảnh mà không phụ thuộc vào bất kỳ thiết bị nào. Trong hệ tọa độ chuẩn, các tọa độ x,y sẽ được gán các giá trị trong đoạn từ [0,1]. Như vậy, vùng không gian của hệ tọa độ chuẩn chính là hình vuông đơn vị có góc trái dưới (0,0) và góc phải trên là (1,1). Quy trình hiển thị các đối tượng thực như sau: Hình 1.5. Quy trình hiển thị các đối tượng 1.2.4. Hệ tọa độ ba chiều Là ba trục vuông góc với nhau từng đôi 1.  Hệ tọa độ theo qui ước bàn tay phải: để bàn tay phải sao cho ngón cái hướng theo trục z, khi nắm tay lại các ngón tay chuyển động theo hướng từ trục x đến trục y. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 13 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 1.6. Hệ tọa độ bàn tay phải  Hệ tọa độ theo qui ước bàn tay trái: để bàn trái sao cho ngón cái hướng theo trục z, khi nắm tay lại các ngón tay chuyển động theo hướng từ trục x đến trục y. Hình 1.7. Hệ tọa độ bàn tay trái 1.3. Các thành phần của một hệ đồ họa Một hệ đồ họa bao giờ cũng có hai thành phần chính đó là phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồm các thiết bị hiển thị và nhập dữ liệu Phần mềm bao gồm các công cụ lập trình và các trình ứng dụng đồ họa. Chúng ta sẽ lần lượt khảo sát các thành phần này. 1.3.1. Phần cứng a. Thiết bị hiển thị  Màn hình CRT Một chùm các tia điện tử (tia âm cực) phát ra từ một súng điện tử, vượt qua cuộn lái tia dẫn đến vị trí xác định trên màn hình được phủ một lớp phosphor. Tại mỗi vị trí tương tác với tia điện tử hạt phosphor sẽ phát lên một chấm sáng nhỏ. Nhưng chấm sáng sẽ mờ dần rất nhanh nên cần có cách nào nó duy trì ảnh trên màn hình. Một trong Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 14 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông các cách là: lặp đi lặp lại nhiều lần việc vẽ lại ảnh thật nhanh bằng cách hướng các tia điện tử trở lại ví trí cũ. Gọi là làm tươi (refresh CRT). Số lượng tối đa các điểm có thể hiển thị trên một CRT được gọi là độ phân giải (Resolution). Hay độ phân giải là số lượng các điểm trên một cm mà có thể được vẽ theo chiều ngang và chiều dọc (được xem như tổng số điểm theo mỗi hướng). Hình 1.8. Công nghệ màn hình CRT Kích thước vật lý của màn hình đồ họa được tính từ độ dài của đường chéo màn hình. Thường dao động từ 12 – 27 inch, hoặc lớn hơn. Thuộc tính khác của màn hình là tỷ số phương (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 Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 15 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông hai hướng trên màn hình. Màn hình có tỷ số phương khác một thì hình vuông hiển thị trên đó thành hình chữ nhật còn hình tròn thành hình ellipse. Màn hình dạng điểm (Raster Display): thường gặp nhất trong số các dạng màn hình sử dụng CRT trên công nghệ truyền hình. Mỗi điểm trên màn hình được gọi là pixel. Các thông tin về ảnh hiển thị trên màn hình được lưu trữ trong một vùng bộ nhớ gọi là vùng đệm làm tươi (Refresh buffer) hay là vùng đệm khung (Frame buffer). Vùng lưu trữ tập các giá trị cường độ sáng của toàn bộ các điểm trên màn hình và luôn tồn tại một cách song ánh giữa mỗi điểm trên màn hình và mỗi phần tử trong vùng này. Để tạo ra hình ảnh đen trắng, đơn giản chỉ cần lưu thông tin của mỗi Pixel là một bít (0,1). Trong trường hợp ảnh nhiều màu thì cần nhiều bít hơn, nếu thông tin mỗi pixel được lưu bằng b bít thì ta có thể có 2b giá trị mầu phân biệt cho pixel đó. Trong các màn hình màu, người ta định nghĩa tập các màu làm việc trong một bảng tra (LookUp Table - LUT). Mỗi phần tử của LUT được định nghĩa một bộ ba giá trị (RGB) mô tả một màu nào đó. Khi cần sử dụng một màu, ta chỉ cần chỉ định số thứ tự (index) tương ứng của màu đó trong LUT, số phần tử trong bảng LUT chính là số màu có thể được hiển thị cùng một lúc trên màn hình. Ví dụ mô hình đồ hoạ điểm ngôi nhà và ngôi sao. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 16 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Việc làm tươi trên màn hình dạng này được thực hiện ở tốc độ 60 – 80 frame/giây. Đôi khi tốc độ làm tươi còn được biểu diễn bằng đơn vị Hertz (Hz – số chu kỳ/giây), trong đó một chu kỳ tương ứng với một frame. Vậy tốc độ làm tươi 60 frame/giây đơn giản là 60 Hz. Khi đạt đến cuối mỗi dòng quét, tia điện tử quay trở lại bên trái của màn hình để bắt đầu dòng quét kế tiếp. Việc quay trở về bên trái màn hình sau khi làm tươi mỗi dòng quét được gọi là tia hồi ngang. Và tới cuối mỗi frame, tia điện tử (tia hổi dọc – vertical retrace) quay trở lại góc bên trái của màn hình để chuẩn bị bắt đầu frame kế tiếp.  Màn hình tinh thể lỏng (Liquid Crystal Display – LCD) Dựa vào công nghệ truyền ánh sáng qua điện cực mà đặt giữa là cuộn dây xoắn. Khi chưa có từ trường (chưa có dòng điện) ở cuộn dây thì ánh sáng truyền thẳng, khi có từ trường thì ánh sáng truyền đổi chiều. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 17 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 1.11. Công nghệ truyền ánh sáng trong màn hình tinh thể lỏng CRT Displays (màn hình CRT) Ƣu điểm Nhƣợc điểm - Đáp ứng nhanh (có độ phân giải cao) - Màu sắc đa dạng (Có độ sâu và rộng) - Màu sắc bão hoà và tự nhiên - Công nghệ không quá đắt và hoàn thiện - Góc nhìn rộng, tương phản và độ sáng cao - Lớn và nặng (typ. 70x70 cm, 15 kg) - Tiêu tốn nguồn điện cao (typ. 140W) - Có hại cho sức khoẻ vì trường điện từ và từ tính - Màn hình nhấp nháy (at 50-80 Hz) - Hình hay bị méo tại 4 góc LCD Displays (màn hình tinh thể lỏng) Ƣu điểm Nhƣợc điểm - Hình dáng nhỏ, trọng lượng nhẹ (approx 1/6 of CRT, typ. 1/5 of CRT) - Tiêu tốn nguồn thấp (typ. 1/4 of CRT) - Màn hình phẳng tuyệt đối nên không méo tại các góc - Màu sắc đều, ảnh sinh động - Không bị hiệu ứng điện từ trường - Có thể màn hình vừa lớn vừa rộng (>20 inch) - Giá thành cao (presently 3x CRT) - Góc nhìn hẹp hơn (typ. +/- 50 degrees) - độ tương phản thấp (typ. 1:100) - độ chói (độ ngời) thấp hơn (typ. 200 cd/m2) b. Thiết bị nhập Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 18 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông  Bàn phím: Xuất hiện trong hầu hết các máy tính, nó là thiết bị để nhập dữ liệu dạng văn bản và số. Đây là loại thiết bị quen thuộc nhất với người sử dụng tuy có hạn chế là tương tác không cao.  Chuột: Cùng với sự xuất hiện của các ứng dụng đồ họa tương tác cao, chuột là thiết bị nhập ngày càng quen thuộc với người sử dụng. Người ta dùng chuột để trỏ và chọn các chức năng phù hợp với yêu cầu của mình. Bằng cách này, giao tiếp giữa người dùng và máy tính ngày càng thân thiện và dễ dàng hơn. Ngoài ra chúng ta cũng có một số thiết bị nhập khác cùng họ với chuột như track ball, 1.3.2. Phần mềm Phần mềm đồ họa có thể phân thành 2 loại: các công cụ lập trình và các trình ứng dụng đồ họa phục vụ cho một mục đích nào đó. - Các công cụ lập trình cung cấp một tập các hàm đồ họa có thể được dùng trong các ngôn ngữ lập trình cấp cao như C, pascal, Ví dụ như các thư viện đồ họa của các ngôn ngữ như C, Pascal hay GL của Silicon Graphic. Các hàm cơ sở của nó bao gồm việc tạo các đối tượng cơ sở của hình ảnh như đoạn thẳng, đa giác, đường tròn,, thay đổi màu sắc, chọn khung nhìn, áp dụng các phép biến đổi, - Trong khi đó, các ứng dụng đồ họa được thiết kế cho những người dùng không phải là lập trình viên cho phép người dùng tạo các đối tượng, hình ảnh, mà không cần quan tâm tới việc chúng được tạo ra như thế nào. Ví dụ Photoshop, AutoCAD, 3DSMax, 1.4. Một số ứng dụng của đồ họa máy tính Ngày nay, đồ họa máy tính được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, thương mại, quản lí, giáo dục, giải trí, Số lượng các chương trình đồ họa ứng dụng thật khổng lồ và phát triển liên tục, sau đây là một số ứng dụng tiêu biểu: 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 được 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 các chương trình này, đầu tiên các đối tượng được hiển thị dưới dạng các phác thảo của phần khung (wireframe outline), mà từ đó có thể thấy được toàn bộ hình Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 19 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông dạng và các thành phần bên trong của các đối tượng. Sử dụng kĩ thuật này, người thiết kế sẽ dễ dàng nhận thấy ngay các thay đổi của đối tượng khi tiến hành hiệu chỉnh các chi tiết hay thay đổi góc nhìn, . Một khi đã thiết kế xong phần khung của đối tượng, các mô hình chiếu sáng, tô màu và tạo bóng bề mặt sẽ được kết hợp để tạo ra kết quả cuối cùng rất gần với thế giới thực . Hình 1.12. Phác thảo phần khung và kết quả của thiết kế xý ảnh 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 tượng với nhau. Các ứng dụng này thường được dùng để tóm lược các dữ liệu về tài chính, thống kê, kinh tế, khoa học, toán học, giúp cho việc nghiên cứu, quản lí, một cách có hiệu quả. Hình 1.13. Thông tin tóm lược được biểu diễn qua các biểu đồ Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 20 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông 1.4.3. Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật Trong lĩnh vực nghệ thuật, các chương trình máy tính như Paint Shop Pro, Adobe Photoshop, 3D Studio, hỗ trợ rất đắc lực cho các họa sĩ, các nhà tạo mẫu trong việc thiết kế các hình ảnh sống động, và rất thực. Với các chương trình này, người họa sĩ được máy tính tạo cho cảm giác y như đang làm việc ngoài đời thực bằng cách cung cấp các công cụ như khung vẽ, giá vẽ, bảng pha màu, các hiệu ứng ba chiều, làm cho họ cảm thấy rất thoải mái và tiện lợi. Ngoài ra đồ họa máy tính còn giúp tạo ra các chương trình trò chơi, giải trí; hỗ trợ cho các kĩ xảo điện ảnh, cho các nhà làm phim. Có nhiều bộ phim rất nổi tiếng nhờ vào kĩ xảo điện ảnh như : Công viên Khủng long kỉ Jura (Jurassic Park), Titanic, Thế giới nước (Water World), 1.4.4. Giáo dục và đào tạo Hiện nay các chương trình mô 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, được dùng rất nhiều trong việc hỗ trợ giảng dạy. Trong đào tạo, các ứng dụng mô phỏng được dùng để kiểm tra trình độ người lái, huấn luyện phi công, điều khiển giao thông, 1.4.5. Giao tiếp giữa máy tính và ngƣời dùng Mọi ứng dụng đều phải có giao diện giao tiếp với người dùng. Giao diện đồ họa thực sự là một cuộc cách mạng mang lại sự thuận tiện và thoải mái cho người 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 được thiết kế cho người dùng làm việc thông qua các biểu tượng mô tả chức năng đó. Ví dụ, chức năng lưu tập tin được hiểu thông qua biểu tượng đĩa mềm, chức năng in ấn được hiểu thông qua biểu tượng máy in, Để chọn các chức năng, người dùng sử dụng chuột trỏ đến và nhấn vào các biểu tượng tương ứng. Điểm thuận lợi chính khi dùng biểu tượng là kích thước không gian mà nó chiếm ít hơn nhiều so với dùng văn bản để mô tả cho cùng một chức năng, ngoài ra việc nắm bắt các chức năng qua các biểu tượng sẽ dễ dàng hơn rất nhiều khi người dùng gặp trở ngại về mặt ngôn ngữ. Các ứng dụng có giao diện đồ họa còn cho phép người dùng khả năng làm việc dễ dàng với nhiều cửa sổ với nhiều dạng tài liệu khác nhau cùng một lúc. 1.4.6. Ứng dụng trong y tế Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 21 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Đồ họa máy tính được ứng dụng trong việc xử lý các hình ảnh y tế hoặc ứng dụng trong việc mô phỏng, chuẩn đoán bằng hình ảnh trong y tế. Hình 1.14. Ứng dụng của đồ họa trong y tế Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 22 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông CHƢƠNG 2: MÀU SẮC TRONG ĐỒ HỌA 2.1. Ánh sáng và màu sắc 2.1.1. Quan niệm về ánh sáng và màu sắc - Ánh sáng đem đến sự sống cho con người - Ánh sáng đem đến màu sắc cho con người Màu sắc là cảm giác mà nó xảy ra khi có năng lượng của ánh sáng, xuất hiện trên võng mạc và nhận biết được nhờ não. Nguyên tắc của ánh sáng dựa trên hai góc độ:  Vật lý – physics  Sinh lý – Physiology Trước hết, hãy xem xét vì sao chúng ta nhìn thấy (hay “cảm thấy”) màu sắc: Ánh sáng chiếu vào vật, vật sẽ hấp thụ một số màu trong ánh sáng đó và thải ra các màu còn lại, phần còn lại này nếu đi vào mắt thì chúng ta sẽ nhìn thấy được vật. Ví dụ: giả sử ta đang nhìn vào một trái banh màu đỏ được đặt ngoài trời dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên. Tại sao chúng ta có thể nhìn thấy được trái banh đó và cảm nhận được màu “đỏ” của trái banh đó? Lý do như sau: Ánh sáng mặt trời (bao gồm đầy đủ tất cả các màu như trong bảy sắc cầu vòng) chiếu vào trái banh. Trái banh sẽ hấp thụ tất cả các màu trong ánh sáng mặt trời ngoại trừ màu đỏ. Màu đỏ này đi vào mắt chúng ta, và chúng ta thấy được trái banh đỏ.  Ánh sáng giúp chúng ta nhìn thấy vật thể như thế nào? Ánh sáng xuất phát từ một nguồn sáng nào đó và chiếu đến bề mặt vật thể. Bề mặt vật thể sẽ phản xạ lại ánh sáng này, ánh sáng phản xạ nếu đi vào mắt sẽ khiến chúng ta thấy được vật. Ta có sơ đồ sau: Nguồn sáng -> Bề mặt -> Mắt Ánh sáng trong đồ họa 3D đóng vai trò khá quan trọng. Và đặc biệt nó là thành phần không thể thiếu để tạo ra bóng 2.1.2. Yếu tố vật lý Ánh sáng là từ phổ thông dùng để chỉ các bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường (khoảng 400 nm đến 700 nm). Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 23 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Ánh sáng do mặt trời tạo ra còn gọi là ánh nắng (hay là ánh sáng trắng bao gồm nhiều ánh sáng đơn sắc biến thiên liên tục từ đỏ đến tím); ánh sáng Mặt Trăng mà chúng ta thấy được gọi là ánh trăng (thực tế là ánh sáng do mặt trời chiếu tới mặt trăng phản xạ đi tới mắt người); do đèn tạo ra còn được gọi là ánh đèn; do các loài vật phát ra gọi là ánh sáng sinh học. Ánh sáng phụ thuộc vào mức năng lượng được truyền hay bước sóng của ánh sáng. Ánh sáng trắng hay dải sóng mà mắt người có thể cảm nhận được, sau khi phân tích qua lăng kính thành các phổ màu: tím, chàm, lam, lục, vàng, da cam, đỏ Ánh sáng là sóng điện từ có bước sóng λ đi từ 400nm – 700nm. Hình 2.1. Tần số, màu sắc và bước sóng của ánh sáng nhìn thấy Tổng năng lượng đặc trưng cho từng loại bước sóng được biểu diễn bằng hàm phân bổ năng lượng phổ P(λ). Nguyên lý pha màu với các sắc màu cơ bản là đỏ, lục, lam (Red, Green, Blue). Theo nguyên lý ba màu này, một màu bất kỳ đều có thể được tạo ra từ ba màu cơ bản. Màu sắc Màu sắc là cảm giác mang đến cho hệ thần kinh của người từ sự kết hợp tín hiệu của ba loại tế bào cảm thụ màu ở mắt người. Cảm giác này cũng bị ảnh hưởng “dài hạn” từ trí nhớ lưu lại quá trình học hỏi từ khi lớn lên trong xã hội, và “ngắn hạn” bởi các hiệu ứng ánh sáng của phông nền. (theo cách hiểu thông thường trong sinh học). Định nghĩa màu sắc: Trong lĩnh vực công nghệ thông tin: Không có định nghĩa màu một cách hình thức. Màu có thể được hiểu là phân bổ bước sóng  (red: 400nm, violet: 700nm) hay tần số f của sóng điện từ. Hay màu là thuộc tính quan sát Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 24 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông vật thể, kết quả từ việc vật thể phát ra, truyền hay phản xạ ánh sáng đến mắt người. Màu sắc của vật thể là màu sắc của ánh sáng xuất phát từ chúng. Ánh sáng (hay màu) mà con người nhận biết là dải tần hẹp trong quang phổ điện từ. Hình 2.2. Dải tần quang phổ điện từ Mắt người có thể phân biệt được vài chục màu nhưng chỉ có thể cảm nhận được hàng ngàn màu. Ba thuộc tính của một màu đó là: Sắc (Hue), Độ thuần khiết (Saturation), và độ sáng hay độ chói (Itensity). 2.1.3. Cảm nhận màu sắc của mắt ngƣời (sinh lý) Bây giờ chúng ta hãy xem xét kỹ hơn về cách mà mắt người tiếp nhận luồng ánh sáng rọi vào. - Luồng ánh sáng khi vào mắt sẽ qua màng thủy tinh thể và đập vào võng mạc. Trên võng mạc là đầu các dây thần kinh thị giác, có nhiệm vụ tiếp nhận ánh sáng. - Võng mạc mắt cảm nhận ánh sáng chủ yếu nhờ các tế bào hình nón (cone) và hình que (rod).  Tế bào que chiếm số lượng ít hơn trong mắt nhưng rất nhạy cảm với ánh sáng. Con người sử dụng tế bào que trong võng mạc để xác định kích thước, hình dạng và độ sáng tối của vật thể. Tuy vậy, tế bào que không giúp người ta nhìn Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 25 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông thấy màu sắc và chi tiết của vật thể, để làm được điều này, mắt cần sử dụng các tế bào nón.  Có ba loại tế bào hình nón, mỗi loại lại cảm nhận được chính xác từng màu sắc khác nhau trong ba màu : Đỏ (red), xanh lá cây (Green), xanh da trời (Blue). Ba màu này tiếng Anh là Red, Green, Blue và gọi tắt là RGB. Các bạn có lẽ cũng nhận ra đây là tên của hệ màu mà các màn hình sử dụng. - Mỗi một màu sắc khác nhau có thể được cấu thành bởi sự kết hợp theo “liều lượng” khác nhau của ba màu cơ bản này và mắt của chúng ta sẽ cảm nhận được màu sắc đó dựa trên việc từng loại tế bào nón trong võng mạc cảm nhận chúng như thế nào. Các tế bào nón có thể cảm nhận được màu sắc chỉ bắt đầu từ cường độ ánh sáng của đêm trăng sáng cho tới ánh sáng thường ban ngày. Trong điều kiện ánh sáng yếu, tế bào nón không đủ nhạy cảm để cảm nhận được và lúc này chúng ta chỉ còn sử dụng các tế bào que. Bởi vì tế bào que thì không thể cảm nhận được màu sắc và chi tiết của vật thể nên trong điều kiện ánh sáng yếu, chúng ta chỉ có thể thấy được các màu đen/trắng cũng như vật thể hình khối không rõ ràng. Vậy các bạn có thể thấy ba màu đỏ, xanh lục và xanh dương là ba màu “căn bản”, “nguyên thủy” vì nó dựa vào cơ chế sinh học của mắt. Cấu tạo hệ quan sát của con người gồm 2 loại tế bào cảm thụ - sensors  Rods (tế bào que): cho cảm nhận cường độ ánh sáng thấp hay trong bóng tối.  Cones – tế bào hình nón: Nhạy cảm với ánh sáng màu sắc. Chia làm 3 loại nón. Ba loại sẽ có ba giá trị gọi là tristimulus values cảm nhận tương ứng trên 3 màu cơ bản và gửi đến não những tín hiệu tạo ra cảm nhận về màu sắc S-M-L. Để đạt được một sự cảm nhận về một màu bất kỳ ta phải xác định giá trị của 3 đại lượng này. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 26 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 2.3. Cảm nhận màu sắc của mắt người Ba loại tế bào nón sẽ có độ nhạy với 3 màu và các bước sóng khác nhau như:  R hoặc L: hầu như nhạy cảm với ánh sáng đỏ (610nm)  M hoặc G, nhạy cảm với ánh sáng lục (560nm)  S hoặc B, nhạy cảm với ánh sáng lam (430nm) Vậy ta có người mù màu chẳng qua là mất tế bào nón Tỉ lệ S:M:L = 1:20:40. Từ đó ta thấy con người nhạy cảm với màu đỏ hơn màu xanh lam. Trong xử lý ảnh và đồ họa, sử dụng mô hình là phương pháp để định nghĩa màu. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 27 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Mô hình màu: Là mô hình toán học trừu tượng mô tả cách biểu diễn màu mà con người có thể nhận biết bởi bộ các chữ số (3 hay 4 giá trị) hay bởi các thành phần màu. Hay nói theo một cách khác mô hình màu là một chỉ số kỹ thuật của một hệ tọa độ màu 3 chiều với tập các màu nhỏ thành phần có thể trông thấy được trong hệ thống tọa độ màu thuộc một gam màu đặc trưng. Ví dụ như mô hình màu RGB (Red, Green, Blue): là một đơn vị tập các màu thành phần sắp xếp theo hình lập phương của hệ trục tọa độ Đề các. Mục đích của mô hình màu là cho phép các chỉ số kỹ thuật quy ước của một số loại màu sắc thích hợp với các màu sắc của một số gam màu khác. Chúng ta có thể nhìn thấy trong mô hình màu này, không gian màu là một tập hợp nhỏ hơn của không gian các màu có thể nhìn thấy được, vì vậy một mô hình màu không thể được sử dụng để định rõ tất cả có thể nhìn thấy. Sau đây, ta xem xét một số mô hình hay được sử dụng nhất. 2.2. Các mô hình màu Giác quan của con người cảm nhận được các vật thể xung quanh thông qua các tia sáng màu tốt hơn rất nhiều so với 2 màu trắng đen. Vì vậy, việc xây dựng nên các chuẩn màu là một trong những lý thuyết cơ bản của lý thuyết đồ họa. Trong xử lý ảnh và đồ họa, sử dụng mô hình là phương pháp để định nghĩa màu.  Mô hình màu - color model: là hệ thống có quy tắc cho việc tạo khoảng màu từ tập các màu cơ bản. - Khoảng màu mà chúng ta tạo ra với tập các màu cơ bản gọi là gam màu hệ thống. - Mỗi mô hình màu có khoảng màu hay gam màu riêng của những màu mà nó hiển thị hay in. - Mỗi mô hình màu được giới hạn khoảng của phổ màu nhìn được. Gam màu hay khoảng còn được gọi là không gian màu “color space”. Ảnh hay đồ họa vector có thể sử dụng không gian màu RGB hay CMY hay bất kỳ không gian màu nào khác. - Một số ứng dụng đồ họa cho phép người dùng sử dụng nhiều mô hình màu đồng thời để soạn thảo hay thể hiện đối tượng hình học. Điểm quan trọng là hiểu và để chọn đúng mô hình cần thiết cho công việc. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 28 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông  Một số mô hình màu: - RGB: sử dụng cho các màn hình màu CRT, LCD, Plasma - CMYK: dùng trong in ấn, in offset, in màu - HSV: tương tự như HSL, dùng nhiều trong chỉnh sửa ảnh, phân tích ảnh và một phần của lĩnh vực thị giác máy tính. - RYB: mô hình màu truyền thống của các họa sĩ - YIQ: cho hệ thống ti vi màu băng tần rộng (hệ NTSC) - YUV: cho ti vi hệ PAL Không có một mô hình màu nào trong các mô hình thực tế trên có tính dễ sử dụng, vì chúng không có mối liên hệ trực tiếp với ý niệm màu trực giác của con người. Màu mà con người cảm nhận: Hue (sắc màu), Saturation (độ bão hòa), Lightness (độ sáng). Các mô hình màu khác nhau được phát triển nhằm sử dụng cho một tiêu chí nhất định. 2.2.1. Mô hình màu RGB 2.2.1.1. Khái niệm - Mô hình màu RGB là mô hình màu cộng sử dụng ánh sáng để hiển thị màu, trong đó ánh sáng red, green và blue được tổ hợp với nhau theo nhiều phương thức khác nhau để tạo thành các màu khác nhau. - Màu cộng là nền tảng của mọi màu sắc, vì bắt nguồn từ nguyên lý cảm nhận màu của mắt. Võng mạc trong đáy mắt người có những tế bào hình nón nhạy cảm với các màu đỏ (red), lục (green) và lam (blue). Các tế bào này truyền tín hiệu riêng lẻ đến não bộ, ở đó hình ảnh được tổng hợp thành tất cả màu sắc. Ngoài ra còn có tế bào hình que nhạy cảm với các sắc độ sáng tối của màu sắc. - Năm 1704, nhà bác học nổi tiếng người Anh Isaac Newton đã phân giải được ánh sáng trắng thành 7 sắc cầu vồng là tím - chàm - lam - lục - vàng - cam - đỏ, trong đó tím, chàm, vàng, cam có thể tạo ra từ đỏ, lục và lam. Do đó đỏ, lục và lam được xem là 3 màu căn bản (primary colors) để tạo ra bất kỳ màu sắc nào khác. - Mặt khác, khoa học cũng chứng minh ánh sáng chính là một dạng năng lượng được bức xạ dưới dạng sóng lan tỏa với vận tốc 300.000 km/giây. Ánh sáng có màu khác nhau là do bước sóng khác nhau. Quang phổ mà mắt người nhìn thấy được chỉ là một khe rất hẹp trên thang sóng điện từ, trải từ sắc tím thẫm 380nm (nanomét, đơn vị đo chiều dài bằng 1 phần triệu milimét) đến sắc đỏ thẫm 780nm. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 29 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 2.4. Bước sóng và quang phổ của ánh sáng - Maxwell đã lập ra tam giác hòa sắc cộng màu. Bất kỳ một màu nào nằm trong tam giác cũng có thể được tạo bởi pha trộn cộng màu theo một tỉ lệ nhất định 3 màu sơ cấp đỏ, lục và lam nằm tại 3 đỉnh của tam giác. Hình 2.5. Tam giác cộng màu Theo luật cộng màu: - Đỏ hòa với lục (với tỉ lệ bằng nhau) cho vàng (điểm giữa cạnh y) - Lục với lam cho cyan (điểm giữa cạnh z), - Lam với đỏ cho magenta (điểm giữa cạnh x), Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 30 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Màu thứ cấp là màu được tạo bởi hai màu sơ cấp. Như vậy cyan, magenta và vàng là 3 màu thứ cấp trong lý thuyết cộng màu với 3 màu sơ cấp là đỏ, lục, lam, - Hòa cả 3 màu sơ cấp với nhau với tỉ lệ bằng nhau thì được màu trắng (trọng tâm của tam giác) - Màu đen xảy ra khi không có ánh sáng, - Hai màu ở vị trí đối diện nhau qua trọng tâm tam giác được gọi là các màu bù nhau (complementary). Mỗi màu sơ cấp là màu bù của một màu thứ cấp: đỏ bù cyan, lục bù magenta, lam bù vàng. - Hai màu bù nhau khi hòa với nhau thì cho màu trắng, ví dụ: trắng = đỏ + cyan = lục + magenta = lam + vàng (1) Ngày nay màu ta nhìn thấy trên màn hình TV, PC, digital camera, màn ảnh khi xem phim là màu được tạo bởi các ánh sáng đơn sắc hòa với nhau theo luật cộng màu với 3 màu sơ cấp đỏ (Red), lục (Green), và lam (Blue), được ký hiệu là RGB. Tất cả các ứng dụng đó đều bắt nguồn từ các lý thuyết nền tảng của Young, Helmholtz và Maxwell. Mô hình không gian màu RGB được sắp xếp theo khối lập phương đơn vị. Đường chéo chính của khối lập phương với sự cân bằng về số lượng từng màu gốc tương ứng với các mức độ xám với đen là (0,0,0) và trắng (1,1,1). Mô hình màu RGB dùng 3 màu cơ bản R(red), G (Green), B (Blue) để biểu diễn màu. Người ta dùng hệ tọa độ ba màu R-G-B (tương ứng với hệ tọa độ x-y-z) để biểu diễn màu như sau: Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 31 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 2.6. Mô hình màu RGB 2.2.1.2. Biểu diễn RGB Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của mô hình màu RGB là việc hiển thị màu sắc trong các ống tia âm cực, màn hình tinh thể lỏng hay màn hình plasma, chẳng hạn như màn hình máy tính hay ti vi. Mỗi điểm ảnh trên màn hình có thể được thể hiện trong bộ nhớ máy tính như là các giá trị độc lập của màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam. Các giá trị này được chuyển đổi thành các cường độ và gửi tới màn hình. Bằng việc sử dụng các tổ hợp thích hợp của các cường độ ánh sáng đỏ, xanh lá cây và xanh lam, màn hình có thể tái tạo lại phần lớn các màu trong khoảng đen và trắng. Các phần cứng hiển thị điển hình được sử dụng cho các màn hình máy tính trong năm 2003 sử dụng tổng cộng 24 bit thông tin cho mỗi điểm ảnh (trong tiếng Anh thông thường được biết đến như bits per pixel hay bpp). Nó tương ứng với mỗi 8 bit cho màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam, tạo thành một tổ hợp 256 các giá trị có thể, hay 256 mức cường độ cho mỗi màu. Với hệ thống như thế, khoảng 16.7 triệu màu rời rạc có thể tái tạo.  Biểu diễn dạng 24 bit: Khi biểu diễn dưới dạng số, các giá trị RGB trong mô hình 24 bpp thông thường được ghi bằng cặp ba số nguyên giữa 0 và 255, mỗi số đại diện cho cường độ của màu đỏ, xanh lá cây, xanh lam trong trật tự như thế. Số lượng màu tối đa sẽ là: hay hay Ví dụ: - (0, 0, 0) là màu đen - (255, 255, 255) là màu trắng - (255, 0, 0) là màu đỏ - (0, 255, 0) là màu xanh lá cây - (0, 0, 255) là màu xanh lam - (255, 255, 0) là màu vàng - (0, 255, 255) là màu xanh ngọc - (255, 0, 255) là màu hồng cánh sen Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 32 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Định nghĩa trên sử dụng thỏa thuận được biết đến như là toàn bộ khoảng RGB. Thông thường, RGB cho video kỹ thuật số không phải là toàn bộ khoảng này. Thay vì thế video RGB sử dụng thỏa thuận với thang độ và các giá trị tương đối chẳng hạn như (16, 16, 16) là màu đen, (235, 235, 235) là màu trắng v.v.  Kiểu 16 bit: Còn có kiểu 16 bpp, trong đó hoặc là có 5 bit cho mỗi màu, gọi là kiểu 555 hay thêm một bit còn lại cho màu xanh lá cây (vì mắt có thể cảm nhận màu này tốt hơn so với các màu khác), gọi là kiểu 565. Kiểu 24 bpp nói chung được gọi là thật màu, trong khi kiểu 16 bpp được gọi là cao màu.  Kiểu 32 bit: Cái gọi là kiểu 32 bpp phần lớn là sự đồng nhất chính xác với kiểu 24 bpp, do ở đây thực sự cũng chỉ có 8 bit cho mỗi màu thành phần, tám bit dư đơn giản là không sử dụng (ngoại trừ khả năng sử dụng như là kênh alpha). Lý do của việc mở rộng của kiểu 32 bpp là vận tốc cao hơn mà phần lớn các phần cứng ngày nay có thể truy cập các dữ liệu được sắp xếp trong các địa chỉ byte có thể chia được ngang nhau theo cấp số của 2, so với các dữ liệu không được sắp xếp như vậy.  Kiểu 48 bit: "Kiểu 16-bit" cũng có thể để chỉ tới 16 bit cho mỗi màu thành phần, tạo ra trong kiểu 48 bpp. Kiểu này làm cho nó có khả năng biểu thị 65.535 sắc thái mỗi màu thành phần thay vì chỉ có 255. Nó đầu tiên được sử dụng trong chỉnh sửa hình ảnh chuyên nghiệp, như Photoshop của Adobe để duy trì sự chính xác cao hơn khi có hơn một thuật toán lọc hình ảnh được sử dụng đối với hình ảnh đó. Với chỉ có 8 bit cho mỗi màu, các sai số làm tròn có xu hướng tích lũy sau mỗi thuật toán lọc hình ảnh được sử dụng và làm biến dạng kết quả cuối cùng. 2.2.1.3. Ứng dụng RGB Được ứng dụng trong công nghệ chế tạo màn hình tivi, màn hình máy vi tính, kỹ thuật video, chiếu sáng 2.2.2. Mô hình màu CMY 2.2.2.1. Khái niệm  Mô hình CMY: là mô hình màu bù (Subtractive color models) hiển thị ánh sáng và màu sắc phản xạ từ mực in. - C=Cyan trong tiếng Anh có nghĩa là màu xanh lơ hay cánh chả Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 33 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - M=Magenta trong tiếng Anh có nghĩa là màu cánh sen hay hồng sẫm - Y=Yellow trong tiếng Anh có nghĩa là màu vàng Khi bề mặt không phủ mực thì ánh sáng phản xạ là ánh sáng trắng. Khi có 3 màu có cùng giá trị cho ra màu xám. Khi các giá trị đạt max cho màu đen.  Mô hình màu bù (subtractive): sử dụng mực in - printing inks. Màu sắc cảm nhận được là từ ánh sáng phản xạ- reflected light (lấy màu trội). Từ lý thuyết cộng màu (1) ta có Hình 2.7. Lý thuyết trừ màu trắng – lục = magenta, (2) trắng – đỏ = cyan, (3) trắng – lam = vàng, (4) Điều này có nghĩa là loại 1 màu sơ cấp (thứ cấp) ra khỏi màu trắng thì được màu thứ cấp (sơ cấp) đối diện với nó qua trọng tâm tam giác màu. Đây là cơ sở của lý thuyết trừ màu.  Ví dụ 1: Hoa fuchsia Hình 2.8. Hoa fuchsia Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 34 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Ví dụ đóa hoa fuchsia có màu magenta vì khi ánh sáng trắng chiếu vào, nó hấp thụ tia lục, chỉ phản xạ lại tia đỏ và lam. Đỏ và lam hòa với nhau tạo ra màu magenta trong thị giác: trắng – lục = (đỏ + lục + lam) – lục = đỏ + lam = magenta. Đây chính là quy tắc (2) ở trên.  Ví dụ 2: Đá ngọc lam Hình 2.9. Đá ngọc lam (turquoise) Viên ngọc lam (turquoise) có màu cyan vì khi ánh sáng trắng chiếu lên, nó hấp thụ ánh sáng đỏ và phản chiếu lại ánh sáng lục và lam. Ánh sáng lục và lam hoà với nhau trong thị giác thành màu cyan: trắng – đỏ = (đỏ + lục + lam) – đỏ = lục + lam = cyan. Đây chính là quy tắc (3) ở trên.  Ví dụ 3: Cái áo có màu vàng vì khi ánh sáng trắng chiếu vào, nó hấp thụ tia lam, chỉ phản xạ tia đỏ và lục. Đỏ và lục hòa với nhau tạo ra màu vàng trong thị giác: trắng – lam = (đỏ + lục + lam) – lam = đỏ + lục = vàng. Đây chính là quy tắc (4) ở trên. Từ các quy tắc (2) và (4) ta được: magenta + vàng = trắng – lục – lam =(đỏ + lục + lam) – lục – lam = đỏ (5) Từ các quy tắc (3) và (4) ta được: vàng + cyan = trắng – lam – đỏ =(đỏ + lục + lam) – lam – đỏ = lục (6) Từ các quy tắc (2) và (3) ta được: Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 35 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông cyan + magenta = trắng – đỏ – lục =(đỏ + lục + lam) – đỏ – lục = lam (7) Khi 3 màu magenta, cyan và vàng được trộn với nhau, magenta hấp thụ lục, cyan hấp thụ đỏ, còn vàng hấp thụ lam, tức là cả 3 ánh sáng sơ cấp đỏ, lục và lam đều bị hấp thụ, không có màu nào được phản xạ lại. Kết quả thị giác nhìn thấy màu đen: trắng – đỏ – lục – lam =(đỏ + lục + lam) – đỏ – lục – lam = đen (8) (5), (6), (7) và (8) chính là các quy tắc hòa sắc của 3 màu magenta, cyan, và vàng của phẩm nhuộm và chất màu tạo nên các màu hoá chất như màu vẽ và mực in – tức vật chất chỉ hấp thụ, phản xạ, và truyền ánh sáng chứ không phải là nguồn phát sáng. Quy tắc cộng màu của ánh sáng và trừ màu của màu hoá chất thường được biểu thị qua 2 sơ đồ dưới đây: Hình 2.10. Quy tắc cộng màu và trừ màu Tương tự như tam giác cộng màu cuả Maxwell ở H. 20, ta có tam giác trừ màu như sau: Hình 2.11. Tam giác trừ màu Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 36 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Quy tắc trừ màu là âm bản của quy tắc cộng màu. Các màu sơ cấp (thứ cấp) trong quy tắc cộng màu là các màu thứ cấp (sơ cấp) trong quy tắc trừ màu. Vì thế quy tắc trừ màu với 3 màu sơ cấp là cyan (C), magenta (M) và vàng (Y) rất tiện lợi cho công nghệ in ấn khi chuyển đổi màu từ hệ thống RGB của trên màn hình, phim màu sang CMY của mực in. Hình 2.12. Mô hình màu CMY Trên thực tế, vì mực in không “tinh khiết” nên pha trộn C, M và Y chỉ cho màu xám. Do đó màu đen được thêm vào và ký hiệu là K (key). Tổ hợp của 4 màu CMYK cho tất cả các màu trong gam màu. Mô hình CMYK được Alexander Murray đề xuất áp dụng cho in ấn vào năm 1934. Trước đó người ta chưa tổng hợp được màu magenta dùng cho mực in (process magenta = magenta xử lý) bền với ánh sáng. Mô hình RGB và mô hình CMY chẳng qua chỉ là hai "cách nhìn" đối với màu sắc. Trong mô hình RGB, màu sắc được tạo ra bởi sự đóng góp của các thành phần RGB với cường độ khác nhau. Cường độ cao của các thành phần RGB cho ta màu trắng. Khi cường độ của chúng bằng 0, ta có màu đen (không có ánh sáng). Trong mô hình CMY, ta lại chú ý đến hiệu quả của các thành phần CMY trong việc trừ khử các thành phần RGB của ánh sáng tới. Liều lượng cao của các thành phần CMY cho ta màu đen. Liều lượng của chúng bằng 0 cho ta màu trắng (không có mực). Do vậy, người ta gọi mô hình RGB là mô hình màu cộng tính (additive) và mô hình CMY là mô hình màu hiệu tính (subtractive). Tuy hai mô hình màu này khác nhau như "mặt trời với mặt trăng", có công thức chính xác để chuyển đổi bộ ba trị số RGB thành bộ ba trị số CMY tương đương. Corel DRAW tính toán chuyện này cực nhanh, bạn không phải lo chi cả. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 37 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông 2.2.2.2. Ứng dụng CMY - Dùng trong in ấn, in offset, in phun màu. Trong in ấn người ta dùng hệ màu CMYK vì các vật liệu in ấn (giấy, vải, gỗ, nilon) khổng thể tự phát sáng. Bằng việc phối trộn và thay đổi định lượng ba màu CMY ta có thể tạo ra được những màu khác nhau. Trên lý thuyết, khi phối trộn 3 màu này với nhau với cùng định lượng sẽ tạo ra màu đen. Tuy nhiên trong in ấn, người ta thêm màu Black(K) vào để tăng độ tương phản và giảm bớt lượng mực CMY để tạo ra màu đen. Khi thiết kế cho một sản phẩm in ấn, chúng ta nên dùng hệ màu CMYK nhằm giảm thiểu khả năng sai lệch màu của thiết kế sau in. Việc sửa màu là cần thiết vì các dữ liệu về màu có thể chuyển tới thiết bị in ấn trong các định dạng khác nhau như RGB hay CMYK. Vì các thiết bị in ấn điện tử hiện nay là thiết bị hỗ trợ CMYK, nên mọi dữ liệu màu sắc chuyển tới thiết bị in phải được chuyển đổi sang định dạng CMYK để chúng có thể sử dụng được bởi các thiết bị in ấn để đưa ra bản in chấp nhận được. Ví dụ phần lớn các ứng dụng thương mại nói chung có định dạng màu theo hệ RGB, nhưng các ứng dụng đồ họa như CorelDraw, Adobe Photoshop, Adobe Illustrator... nói chung định dạng màu sắc theo các giá trị CMYK, tuy có hỗ trợ chế độ màu RGB. Vì thế các chế độ sửa chữa màu khác nhau có thể được sử dụng phụ thuộc vào nguồn dữ liệu cũng như chất lượng bản in dự kiến. 2.2.3. Mô hình màu HSV 2.2.3.1. Khái niệm Các mô hình màu RGB, CMY, YIQ được định hướng cho phần cứng. HSV (Hue, Saturation, Value) = HSB (Hue, Saturation, Brightness) định hướng người sử dụng dựa trên cơ sở nền tảng về trực giác về tông màu, sắc độ và sắc thái mỹ thuật. - Hue – sắc màu: để phân biệt sự khác nhau giữa các màu như xanh, đỏ, vàng.. - Saturation – độ bão hòa: chỉ ra mức độ thuần của một màu hay khoảng cách của màu tới điểm có cường độ cân bằng (màu xám) - Value – độ sáng: hiện thân về mô tả cường độ sáng từ ánh sáng phản xạ nhận được từ đối tượng. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 38 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Brightness – độ phát sáng: cường độ ánh sáng mà tự đối tượng phát ra chứ không phải do phản xạ từ các nguồn khác. Mô hình màu HSV được Alvey Ray Smith đưa ra năm 1978. Hệ thống tọa độ có dạng hình trụ và tập màu thành phần của không gian bên trong mô hình màu được xác định là hình nón hoặc hình chóp sáu cạnh như trong hình 2.13. Đỉnh hình chóp là sáu cạnh khi V = 1 chứa đựng mối quan hệ giữa các màu sáng và những màu trên mặt phẳng với V = 1 đều có màu sáng. Hình 2.13. Mô hình màu HSV - Sắc màu (Hue) hoặc H: màu sắc 00 - 3600 được đo bởi góc quanh trục đứng với màu đỏ là 0o, màu lục là 120o, màu lam là 240o (xem hình 2.13). Các màu bổ sung trong hình chóp HSV ở 180o đối diện với màu khác. - Saturation: Độ bão hoà 0-1, giá trị của S là tập các giá trị từ 0 trên đường trục tâm (trục V) đến 1 trên các mặt bên tại đỉnh của chóp 6 cạnh. Sự bão hòa được đo tương đối cho gam màu tương ứng với mô hình màu này. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 39 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Value-Brightness: (độ sáng) 0-1 đường cao V với đỉnh là các điểm gốc toạ độ (0,0). Điểm ở đỉnh là màu đen và giá trị V=0, tại các điểm này giá trị của H và S không liên quan đến nhau. Khi điểm có S=0 và V=1 là điểm màu trắng, những giá trị trung gian của V đối với S=0 (trên đường thẳng qua tâm) là các màu xám. Khi S=0 giá trị của H phụ thuộc được gọi bởi các qui ước không xác định. Ngược lại khi S khác 0 giá trị H sẽ là phụ thuộc. Hình 2.14. Mô hình màu HSV Ví dụ: - Red được biểu diễn (00, 1, 1) - Green được biểu diễn (1200, 1, 1) 2.2.3.2. Ứng dụng Mô hình này được sử dụng nhiều trong các ứng dụng xử lý ảnh. 2.2.4. Mô hình màu HLS Mô hình màu HLS (Hue, Lightness, Saturation Model) – không gian màu trực quan. Mô hình thường được sử dụng trong kỹ thuật đồ hoạ. Ưu điểm là rất trực giác, ví dụ ta có thể chọn màu, thay đổi độ sáng và thay đổi độ bão hoà. Nhược điểm là khi chuyển đổi với không gian màu RGB sẽ có sai số (cube stood on end) thay đổi trên các loại màn hình khác nhau, rõ ràng không cảm nhận đều các màu. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 40 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 2.15. Mô hình màu HLS Chúng ta có thể coi mô hình HLS như một sự biến dạng của mô hình HSV mà trong đó mô hình này màu trắng được kéo hướng lên hình chóp sáu cạnh phía trên từ mặt V=1. Độ sáng (Lightness)=0 cho màu đen (tại điểm mút thấp nhất của hình chóp sáu cạnh đôi) và bằng 1 cho màu trắng (tại đầu mút cao nhất). 2.2.5. Mô hình màu YIQ Mô hình màu YIQ là mô hình màu được ứng dụng trong truyền hình màu băng tần rộng tại Mỹ và do đó nó có mối quan hệ chặt chẽ với màn hình đồ họa màu raster. YIQ là sự thay đổi của RGB do khả năng truyền phát và tính tương thích với tivi đen trắng thế hệ trước. Tín hiệu truyền sử dụng trong hệ thống NTSC (National Television System Committe). Sự biến đổi RGB thành YIQ được xác định theo công thức sau: Y độ chói, I và Q đại lượng về màu sắc Những đại lượng trong ma trận biến đổi được tìm bằng cách sử dụng các phosphor NTSC RGB chuẩn có các tọa độ sắc phổ là R(0.67 0.33), G (0.21 0.71) và B (0.14 0.08). Người ta cũng giả định rằng điểm trắng nằm ở xw = 0.31, yw = 0.316 và Yw =1.0 Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 41 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông 2.2.6. Mô hình màu CIE - CIE là viết tắt của Comission Internationale de l’Eclairage, được thành lập năm 1913 với chức năng như một diễn đàn quốc tế cung cấp, trao đổi thông tin và các ý tưởng về mọi vấn đề liên quan đến chiếu sáng. Trong đó, nghiên cứu màu sắc là một trong những nhiệm vụ chính của tổ chức này. - Mô hình màu CIE phát triển trên cơ sở hoàn toàn độc lập thiết bị và dựa trên cảm nhận của mắt người về màu sắc. - Yếu tố cơ bản của mô hình CIE định nghĩa trên chuẩn về nguồn sáng và chuẩn về quan sát.  Nguồn sáng chuẩn: được định nghĩa bao gồm các nguồn: - Nguồn A: Bóng đèn sợi tóc Tungsten với nhiệt độ màu 285k - Nguồn B: Mô hình ánh sáng mặt trời vào buổi trưa với nhiệt độ 4800k - Nguồn C: Mô hình ánh sáng mặt trời vào ban ngày với nhiệt độ 6500k  Người quan sát chuẩn: Là sự tổng hợp của những nhóm nhỏ từ 15 – 20 người và như thế đại diện cho sự quan sát màu sắc của con người bình thường. Các đặc tả sử dụng kỹ thuật tương tự để thu được những màu có 3 giá trị kích thích tương đương với 3 kích thích tố RGB. Các giá trị RGB thu được này sẽ được sử dụng trong mô hình mẫu của màu sắc. Do sự ràng buộc của các gam màu, mô hình màu sắc RGB không thể sao chép toàn bộ ánh sáng quang phổ mà không đưa vào các giá trị thông số RGB âm. CIE đã chuyển đổi các giá trị của bộ 3 thông số vào trong một hệ khác chỉ sử dụng hoàn toàn các giá trị dương, được gọi là XYZ = > đây là mô hình đầu tiên của CIE gọi là mô hình màu CIE XYZ. Mô hình CIE XYZ được chấp nhận năm 1931 Sau đó các năm khác họ đã phát triển thêm các không gian màu khác của mô hình CIE như: CIELUV: là mô hình thiết lập năm 1960 và bổ sung năm 1976. Đây là mô hình thay đổi và mở rộng sơ đồ màu gốc để hiệu chỉnh tính không đồng đều. CIELAB: Một cách tiếp cận khác và phát triển của Richard Hunter vào năm 1942. Mô hình này định nghĩa màu theo 2 trục phân cực cho 2 màu (a và b) và đại lượng thứ ba là ánh sáng (L). Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 42 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông 2.3. Các thuật toán tô màu Tô màu một vùng là thay đổi màu sắc của các điểm vẽ nằm trong vùng cần tô. Một vùng tô thường được xác định bởi một đường khép kín nào đó gọi là đường biên. Dạng đường biên đơn giản thường gặp là đa giác. Việc tô màu thường chia làm 2 công đoạn: - Xác định vị trí các điểm cần tô màu. - Quyết định tô các điểm trên bằng màu nào. Công đoạn này sẽ trở nên phức tạp khi ta cần tô theo một mẫu tô nào đó chứ không phải tô thuần một màu. Có 3 cách tiếp cận chính để tô màu: - Tô màu theo từng điểm (có thể gọi là tô đơn giản) - Tô màu theo dòng quét - Tô màu dựa theo đường biên. 2.3.1. Tô màu đơn giản Thuật toán này bắt đầu từ việc xác định một điểm có thuộc vùng cần tô hay không. Nếu đúng là điểm thuộc vùng cần tô thì sẽ tô với màu muốn tô.  Tô đƣờng tròn - Để tô đường tròn thì ta tìm hình vuông nhỏ nhất ngoại tiếp đường tròn bằng cách xác định điểm trên bên trái (xc-r, yc-r) và điểm dưới bên phải (xc+r, yc+r) của hình vuông (xem hình 2.16). - Cho i đi từ xc-r đến xc+r Cho j đi từ yc-r đến yc+r Tính khoảng cách d giữa hai điểm (i,j) và tâm (xc,yc) Nếu d<r thì tô điểm (i,j) với màu muốn tô Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 43 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 2.16. Tô màu đơn giản  Tô đa giác - Tìm hình chữ nhật nhỏ nhất có các cạnh song song với hai trục tọa độ chứa đa giác cần tô dưa vào hai tọa độ (xmin, ymin), (xmax, ymax). Trong đó, xmin, ymin là hoành độ và tung độ nhỏ nhất, xmax, ymax là hoành độ và tung độ lớn nhất của các đỉnh của đa giác. - Cho x đi từ xmin đến xmax, y đi từ ymin đến ymax (hoặc ngược lai). Xét điểm P(x,y) có thuộc đa giác không? Nếu có thì tô với màu cần tô (xem hình 2.17). Hình 2.17: Nội tiếp đa giác hình chữ nhật Thông thường một điểm nằm trong đa giác thì số giao điểm từ một tia bất kỳ xuất phát từ điểm đó cắt biên của đa giác phải là một số lẻ lần. Đặc biệt, tại các đỉnh Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 44 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông cực trị (cực đại hay cực tiểu ) thì một giao điểm phải được tính 2 lần (xem hình 2.18). Tia có thể qua phải hay qua trái. Thông thường ta chọn tia qua phải. Ví dụ : Xét đa giác gồm 13 đỉnh là P 0 , P 1 , ....., P 12 = P 0 (xem hình 2.18). Hình 2.18: Đa giác có 13 đỉnh Lưu ý: Gọi tung độ của đỉnh P i là P i .y . Nếu: - P i .y < Min ( P i+1 .y, P i-1 .y) hay P i .y > Max ( P i+1 .y, P i-1 .y) thì P i là đỉnh cực trị ( cực tiểu hay cực đại ). - P i-1 .y < P i .y < P i+1 .y hay P i-1 > P i .y > P i+1 .y thì P i là đỉnh đơn điệu. - P i = P i+1 và P i .y < Min ( P i+2 .y, P i-1 .y) hay P i > Max ( P i+2 .y, P i-1 .y) thì đoạn [P i ,P i+1 ] là đoạn cực trị ( cực tiểu hay cực đại ). - P i = P i+1 và P i-1 .y < P i .y < P i+2 .y hay P i-1 > P i .y > P i+2 .y thì đoạn [P i ,P i+1 ] là đoạn đơn điệu.  Thuật toán kiểm tra điểm có nằm trong đa giác - Với mỗi đỉnh của đa giác ta đánh dấu là 0 hay 1 theo qui ước như sau: nếu là đỉnh cực trị hay đoạn cực trị thì đánh số 0. Nếu là đỉnh đơn điệu hay đoạn đơn điệu thì đánh dấu 1. - Xét số giao điểm của tia nửa đường thẳng từ P là điểm cần xét với biên của đa giác. Nếu số giao điểm là chẳn thì kết luận điểm không thụôc đa giác. Ngược lại, số giao điểm là lẻ thì điểm thuộc đa giác. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 45 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông  Nhận xét: Thuật toán tô đơn giản có ưu điểm là tô rất mịn và có thể sử dụng được cho đa giác lồi hay đa giác lõm, hoặc đa giác tự cắt, đường tròn, ellipse. Tuy nhiên, giải thuật này sẽ trở nên chậm khi ta phải gọi hàm PointInpoly nhiều lần. Để khắc phục nhược điểm này người ta đưa ra thuật toán tô màu theo dòng quét. 2.3.2. Tô màu theo dòng quét - Phương pháp này sẽ xác định phần giao của các dòng quét kế tiếp nhau với đường biên của vùng tô. Sau đó, sẽ tiến hành tô màu các điểm thuộc phần giao này. - Phương pháp này thường được dùng để tô màu đa giác lồi, lõm hay đa giác tự cắt, đường tròn, ellipse, và một số đường cong đơn giản khác.  Các bƣớc chính của thuật toán - Tìm ymin, ymax lần lượt là giá trị nhỏ nhất, lớn nhất của tập các tung độ của các đỉnh của đa giác đã cho. - Ứng với mỗi dòng quét y = k với k thay đổi từ ymin đến ymax, lặp :  Tìm tất cả các hoành độ giao điểm của dòng quét y = k với các cạnh của đa giác.  Sắp xếp các hoành độ giao điểm theo thứ tự tăng dần : x 0 ,x 1 ,..., x n ,...  Tô màu các đoạn thẳng trên đường thẳng y = k lần lượt được giới hạn bởi các cặp (x 0 , x 1 ), ( x 1 ,x 2 ), ....(xem hình 2.19). Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 46 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 2.19 : Tô màu đa giác bằng giải thuật scan – line  Các vấn đề cần lƣu ý: - Hạn chế được số cạnh cần tìm giao điểm ứng với mỗi dòng quét vì ứng với mỗi dòng quét không phải lúc nào cũng giao điểm với các cạnh của đa giác. - Xác định nhanh hoành độ giao điểm vì nếu lặp lại thao tác tìm giao điểm của cạnh đa giác với mỗi dòng quét sẽ tốn rất nhiều thời gian. - Giải quyết trường hợp số giao điểm đi qua đỉnh đơn điệu thì tính số giao điểm là 1 hay đi qua đỉnh cực trị.thì tính số giao điểm là 0 (hoặc 2). 2.3.3. Tô màu theo đƣờng biên Bài toán đặt ra : Cần tô màu một vùng nếu biết được màu của đường biên vùng tô và một điểm nằm bên trong vùng tô. Ý tƣởng : Bắt đầu từ một điểm nằm bên trong vùng tô, kiểm tra các điểm lân cận của nó đã được tô với màu muốn tô, hay điểm lân cận có màu trùng với màu biên không? Nếu cả hai trường hợp đều không phải thì ta sẽ tô điểm đó với màu muốn tô. Quá trình này được lặp lại cho đến khi không còn tô được nữa thì dừng (xem hình 2.20). Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 47 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 2.20: Tô màu theo đường biên Có 2 quan điểm về cách tô này. Đó là dùng 4 điểm lân cận (có thể gọi là 4 liên thông) hay 8 điểm lân cận (8 liên thông) (xem hình 2.21). Hình 2.21: 4 liên thông và 8 liên thông  Nhận xét Thuật toán này có thể sẽ không hoạt động chính xác khi có một số điểm nằm trong vùng tô có màu là màu cần tô của vùng (FillColor). Để khắc phục điều này, trước khi tô màu cần phải đảm bảo rằng toàn bộ các điểm thuộc về vùng tô có màu khác màu tô.