Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính - Chương 3: Đồ họa hai chiều

Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 48 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông CHƢƠNG 3: ĐỒ HỌA HAI CHIỀU 3.1. Đồ họa Raster 3.1.1. Giới thiệu về đồ họa Raster Hình 3.1. Ảnh raster - Đây là cách biểu diễn ảnh thông dụng nhất hiện nay, ảnh được biểu diễn dưới dạng ma trận các điểm (điểm ảnh). Thường thu nhận qua các thiết bị như camera, scanner hoặc các chương trình chỉnh sửa ảnh kỹ thuật số (Photoshop). - Đồ họa Raster hiển thị các hình ảnh thông qua từng pixel rời rạc. Các hình ảnh sẽ được hiển thị như một lưới điểm rời rạc, từng điểm đều có vị trí xác định được hiển thị với một giá trị nguyên biểu thị màu sắc hoặc độ sáng của điểm đó.Tập hợp tất cả các pixel của grid tạo nên hình ảnh của đối tượng mà ta muốn biểu diễn.  Đặc điểm của các ảnh Raster: - Có thể thay đổi thuộc tính của các pixel => thay đổi từng phần và từng vùng của hình ảnh. - 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). - Chất lượng ảnh bị giảm khi phóng to hoặc thu nhỏ. - Các file dạng Raster có dung lượng lớn hoặc rất lớn. - Thường dùng cho hình ảnh có tông màu liên tục như ảnh chụp hoặc tranh vẽ.  Độ phân giải: Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 49 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Là một thuật ngữ chỉ áp dụng trong đồ họa Raster vì vector không sử dụng pixel. Hình 3.2. Độ phân giải của ảnh raster - Độ phân giải của ảnh là số điểm ảnh có trên một đơn vị chiều dài của hình ảnh đó. Và được tính bằng đơn vị ppi hoặc dpi. Ví dụ: một hình ảnh có kích thước 1 inch x 1 inch và có độ phân giải 72 ppi sẽ chứa tổng cộng 72x72 = 5.184 pixels. Hình ảnh có kích thước tương tự nhưng với độ phân giải 300 ppi sẽ chứa tổng cộng 300x300 = 90.000 pixels. DPI (Dots Per Inch): mật độ chấm trên mỗi inch hình ảnh, chỉ đề cập đến máy in. Mỗi điểm ảnh ở đầu in ra được tạo thành từ loại mực khác nhau (thường 4-6 màu sắc). Chính vì số lượng hạn chế của màu sắc như vậy mà máy in cần phải kết hợp các loại mực để tạo ra màu sắc cho hình ảnh. Khi in ấn, mỗi điểm ảnh lại được tạo bởi các chấm nhỏ (có thể hiểu như những điểm ảnh nhỏ hơn nữa trong một pixel). Tóm lại, DPI càng cao thì độ thanh khiết, màu sắc và sự pha trộn màu của hình ảnh càng mượt mà, nhưng công việc in ấn sẽ chậm hơn. 300 DPI là tiêu chuẩn cho in ảnh. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 50 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 3.3. Chất lượng ảnh theo dpi PPI (Pixels Per Inch) hiểu đơn giản là số lượng điểm ảnh (pixel) trên mỗi inch hình ảnh của bạn. Điều này ảnh hưởng đến kích thước ảnh và chất lượng in đầu ra. Nếu có quá ít điểm ảnh trên mỗi inch, tức là số PPI thấp thì sẽ nhận được một chất lượng ảnh tồi ( cạnh lởm chởm, nhìn thấy được từng điểm pixel và màu sắc không rõ ràng). Có thể tăng kích thước hình ảnh bằng cách tăng pixel, nhưng chất lượng ảnh vẫn bị mất và dung lượng tập tin tăng lên rất nhiều. Hình 3.4. Chất lượng ảnh theo ppi Hình ảnh có độ phân giải càng cao thì càng sắc nét và màu sắc càng chính xác. Và khi đó, dung lượng file cũng sẽ tăng theo, đòi hỏi nhiều bộ nhớ và đĩa cứng hơn. 1. Hình ảnh sử dụng cho thiết kế web chỉ cần có độ phân giải 72ppi 2. Trường hợp hình ảnh dùng cho thiết kế đồ họa in ấn thì cần nhớ hai quy tắc: a. Nếu là ảnh nét (line art) hoặc đơn sắc thì ảnh nên có độ phân giải là 1.200 ppi b. Nếu là ảnh chụp màu hoặc ảnh chụp đen trắng thì ảnh nên có độ phân giải 300 ppi 3. Để rửa ảnh kỹ thuật số thì hình ảnh cần có độ phân giải 300 ppi. 4. Nếu in ảnh hi-flex với kích thước lớn (để quảng cáo ngoài trời chẳng hạn) thì hình ảnh cần có độ phân giải khoảng 72 ppi đến 100 ppi Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 51 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông 3.1.2. Cấu trúc dữ liệu Raster Hình 3.5. Cấu trúc ảnh raster Trong cấu trúc dữ liệu Raster, dữ liệu hoặc hình ảnh được chia nhỏ thành những lưới ô (vuông) đều đặn hay lưới được biết như những yếu tố ảnh – picture elements (pixel) - Vị trí của mỗi ô xác định số hàng và số cột của ô đó trên màn hình hiển thị - Diện tích đại diện của mỗi ô xác định độ phân giải không gian của dữ liệu - Giá trị tại mỗi ô là giá trị màu hoặc độ sáng của ô đó. Trong cấu trúc dữ liệu raster: - Điểm: được thể hiện bằng một pixel - Đường: được thể hiện bằng một chuỗi các pixel - Vùng: được thể hiện bằng một nhóm các pixel Hình 3.6. Thể hiện điểm, đường, vùng trong ảnh raster 3.1.3. Các định dạng ảnh Raster Dữ liệu ảnh lưu trữ được trong máy tính theo nhiều định dạng khác nhau: không nén, nén hoặc theo vector. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 52 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 3.7. Định dạng ảnh raster Mỗi điểm ảnh sẽ được mã hóa bằng một chuỗi các bít, tùy theo các tiêu chí về độ sâu của màu, chất lượng ảnh. Nếu số bit dùng biểu diễn một điểm ảnh càng nhiều thì kích thước của file ảnh càng lớn. Để lưu trữ ảnh trong máy tính, trước hết ảnh ban đầu phải được rời rạc hóa thành các điểm ảnh, sau đó được số hóa hoặc được nén dưới các định dạng khác nhau. Chúng ta thường gặp các định dạng ảnh Raster như sau:  JPEG:là phương pháp nén ảnh có mất mát thông tin, phần mở rộng của các ảnh nén theo phương pháp này là JPG hoặc JPEG. Gần như tất cả các máy ảnh kỹ thuật số đều lưu trữ ảnh dưới định dạng này.  GIF: là định dạng nén hỗ trợ nền trong suốt và hình ảnh động đơn giản.  PNG: là định dạng hỗ trợ nền ảnh trong suốt, chất lượng màu co hơn GIF, tạo hiệu ứng liền lạc ranh giới đường biên trong mờ. Ưu điểm file PNG là dạng sử dụng (có thể nhúng vào web, các phần mềm văn phòng và đồ họa) mà vẫn giữ được cấu trúc lớp, tiện chỉnh sửa, cắt ghép.  TIF: Định dạng không nén nên kích thước rất lớn, thường được sử dụng để lưu trữ ảnh.  PSD: là định dạng không nén của photoshop, giữ nguyên được cấu trúc lớp và dạng chỉnh sửa, không dùng được trên web.  BMP: là định dạng không nén của Window (viết tắt của chữ bitmap) không hỗ trợ nền ảnh trong suốt. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 53 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông 3.2. Đồ họa vector 3.2.1. Giới thiệu đồ họa vector - Nguyên lý của kỹ thuật đồ họa vector là xây dựng mô hình hình học (geometrical model) cho hình ảnh đối tượng, xác định các thuộc tính của mô hình hình học, sau đó dựa trên mô hình này để thực hiện quá trình rendering để hiển thị từng điểm của mô hình, hình ảnh của đối tượng.Rendering là một quá trình kiến tạo một hình ảnh từ một mô hình (hoặc tập hợp các mô hình) thành một cảnh phim hoặc hình ảnh nào đó bằng cách sử dụng phần mềm máy tính. Đồ họa vector: Đồ họa vector = geometrical model + rendering Hình 3.8. Đồ họa vector - Ở kỹ thuật này, chúng ta chỉ lưu trữ mô hình toán học của các thành phần trong mô hình hình học cùng với các thuộc tính tương ứng mà không cần lưu lại toàn bộ tất cả các pixel của hình ảnh đối tượng.(Lý thuyết đồ họa) Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 54 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Ảnh vector được tạo nên từ những yếu tố cốt lõi của toán học như điểm ảnh, đường thẳng, đường cong, những hình dạng và đa giác. Vector được tạo thành dựa trên những biểu thức toán học. - Các đối tượng trong đồ họa vector được định nghĩa bởi các biểu thức toán học. Do vậy có thể dễ dàng mở rộng (phóng to, thu nhỏ) các ảnh vector mà vẫn giữ được sự sắc nét. Đặc điểm: - Mô hình hình học (geometrical model) cho mô hình hoặc hình ảnh của đối tượng - Xác định các thuộc tính của mô hình hình học này. - Chất lượng ảnh không bị giảm khi phóng to hoặc thu nhỏ. - Các file dạng Vector có dung lượng nhỏ hơn Raster 3.2.2. Cấu trúc dữ liệu vector Trong cấu trúc dữ liệu Vector: - Mỗi điểm được thể hiện bởi một cặp tọa độ - Mỗi đường được thể hiện bằng hai cặp tọa độ hoặc một chuỗi các cặp tọa độ khác nhau - Mỗi vùng được thể hiện bằng một chuỗi các cặp tọa độ khác nhau mà trong đó cặp tọa độ đầu và cặp tọa độ cuối trùng nhau. Ở kỹ thuật này, chúng ta chỉ lưu trữ mô hình toán học của các thành phần trong mô hình hình học cùng với các thuộc tính tương ứng mà không cần lưu lại toàn bộ tất cả các pixel của hình ảnh đối tượng. 3.2.3. Các định dạng ảnh vector Các định dạng ảnh vector thường hay sử dụng như: - PDF: là định dạng file sách phổ biến bậc nhất do ưu thế hỗ trợ bitmap lẫn vector và text (dùng illustrator mở file PDF có thể chỉnh sửa các hình vector hoặc nội dung chữ trên định dạng này). Đây cũng là định dạng mà nhà thiết kế chuyển xuống nhà in. - EPS: là định dạng xuất phim trong in ấn. Khi chuyển từ ai sang định dạng này các file link sẽ được nhúng vào 1 file eps luôn không thay đổi cấu trúc lớp. - AI: là file lưu của Adobe Illustrator - CDR: là file lưu của Corel Draw Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 55 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - SVG: là định dạng file vector mà có thể hiển thị trên web - DWG: là định dạng file lưu của Autocad. 3.2.4. Các ứng dụng của đồ họa vector Lợi thế của hình vector là các mảng hình học, nên thường dùng trong các hình ảnh cách điệu, phân mảnh bố cục, hoa văn trăng trí hoặc các văn bản chữ luôn rõ nét. Vì vậy, ảnh vector thường được sử dụng trong các trường hợp như: - Thiết kế logo: vì logo cần sự nhất quán trong mọi trường hợp sử dụng, người ta có thể phóng to, thu nhỏ mà ko ảnh hưởng quá nhiều đến tổng thể logo. - Thiết kế icon: icon cũng cần thay đổi nhiều về kích thước, đặc biệt phải nhẹ và sắc nét - Nghệ thuật vector (Vector Art): Người ta dùng các vector, các mảng (shapes), lưới chuyển màu (gradient meshes) để tạo những hình ảnh độc đáo, gọi là nghệ thuật Vector.  So sánh giữa đồ họa raster và vector: Đồ họa raster Đồ họa vector - Hình ảnh và mô hình của các vật thể được biểu diễn bởi tập hợp các điểm của lưới (grid) - Thay đổi thuộc tính của các pixel => thay đổi từng phần và từng vùng của hình ảnh. - Copy được các pixel từ một hình ảnh này sang hình ảnh khác. - Không thay đổi thuộc tính của từng điểm trực tiếp - Xử lý với từng thành phần hình họ cơ sở của nó và thực hiện quá trình tô trát và hiển thị lại. - Quan sát hình ảnh và mô hình của hình ảnh và sự vật ở nhiều góc độ khác nhau bằng cách thay đổi điểm nhìn và góc nhìn. 3.2.5. Sự chuyển đổi giữa Raster và Vector Việc lựa chọn cấu trúc dữ liệu dưới dạng raster và vector tùy thuộc vào yêu cầu người sử dụng. Đối với hệ thống vector thì dữ liệu lưu trữ sẽ chiếm diện tích nhỏ hơn rất nhiều so với hệ thống raster. Ngoài ra cũng tùy vào phần mềm máy tính đang sử dụng mà nó cho phép nên lưu trữ dữ liệu dưới dạng raster hay vector. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 56 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Một số công cụ hỗ trợ chuyển đổi dữ liệu giữa dạng raster và vector. Quá trình biến đổi từ raster sang vector gọi là vector hóa, ngược lại quá trình biến đổi từ vector sang raster gọi là raster hóa. - Vector hóa: là tập hợp các pixel để tạo thành đường hay vùng - Raster hóa: là tiến trình chia đường hay vùng thành các ô vuông (pixel). Hình 3.9. Chuyển đổi giữa raster và vector 3.3. Nguyên lý xây dựng hệ thống giao tiếp bằng đồ họa Công thái học (hoặc các nhân tố con người) là một bộ phận của tâm lý học ứng dụng nghiên cứu các đặc điểm tự nhiên của tương tác: cách thiết kế các điều khiển, môi trường vật lý mà tương tác xảy ra, chất lượng hiển thị và chất lượng vật lý của màn hình. Mục đích của công thái học là cải tiến thiết kế thái học có thể áp dụng cho máy tính, trên cả phương diện phần cứng cũng như phương diện phần mềm. Đây là một lĩnh vực rất lớn, do đó trong phạm vi của tài liệu này, chúng ta chỉ tập trung xem xét một số vấn đề chính liên quan đến tương tác người – máy, bao gồm như sau: 3.3.1. Sắp xếp các điều khiển và hiển thị Ngoài các khía cạnh nhận thức của thiết kế, các khía cạnh vật lý cũng rất quan trọng. Tập các điều khiển và các phần trên màn hình hiển thị nên được nhóm lại một cách logic để người sử dụng có thể truy cập đến chúng nhanh hơn. Đối với người dùng Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 57 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông các ứng dụng trên máy tính PC thì việc nhóm trên dường như không quan trọng, tuy nhiên nó lại là vấn đề cực kì quan trọng khi người dùng sử dụng các ứng dụng đòi hỏi sự an toàn, chính xác cao như là điều khiển sản xuất, điều khiển hàng không và không lưu. Trong những ngữ cảnh đó, người sử dụng phải làm việc dưới áp lực cao, và phải đối mặt với rất nhiều loại điều khiển và hiển thị khác nhau. Do đó, việc thiết kế hiển thị vật lý phù hợp trở nên vô cùng quan trọng. Thực tế, đối với các ứng dụng trên PC, việc đặt sai/không hợp lý các điều khiển và hiển thị cũng có thể làm cho người sử dụng không thoải mái và chán nản. Với mỗi lĩnh vực và ứng dụng có thể có các cách tổ chức khác nhau. Một số cách tổ chức bao gồm:  Tổ chức theo chức năng: Các điều khiển và hiển thị được tổ chức sao cho các điều khiển hoặc các hiển thị có chức năng tương tự nhau thì được đặt cạnh nhau  Tổ chức theo kiểu tuần tự: Các điều khiển và hiển thị được tổ chức sao cho có thể phản ánh thứ tự sử dụng của chúng trong một tương tác điển hình (cách tổ chức này đặc biệt thích hợp trong các lĩnh vực đòi hỏi các nhiệm vụ phải được thực hiện một cách tuần tự, như là điều khiển hàng không)  Tổ chức theo tần số xuất hiện: Các điều khiển và hiển thị được tổ chức theo tần số sử dụng của chúng, nghĩa là điều khiển nào được sử dụng nhiều nhất sẽ là điều khiển có thể truy cập dễ dàng nhất. Ngoài việc tổ chức các điều khiển và hiển thị phù hợp, giao diện của toàn bộ hệ thống cũng phải được sắp xếp một cách phù hợp với vị trí của người sử dụng. Ví dụ, người sử dụng phải có khả năng truy cập đến tất cả các điều khiển và có thể xem được tất cả các hiển thị mà không cần bất cứ một sự di chuyển vị trí làm việc nào. Những phần hiển thị quan trọng nên thiết kế sao cho dễ nhìn thấy nhất. 3.3.2. Môi trƣờng vật lý của tƣơng tác Cùng với việc xác định các vấn đề về hiển thị và sắp xếp các điều khiển của giao diện máy, công thái học thường quan tâm đến thiết kế của bản thân môi trường làm việc. Hệ thống sẽ được sử dụng ở đâu? Ai sẽ sử dụng hệ thống? Người sử dụng sẽ ngồi ở vị trí cố định hay di chuyển? Câu hỏi này phụ thuộc phần lớn vào lĩnh vực và quan trọng hơn là phụ thuộc vào điều khiển cụ thể và các thiết lập hoạt động hơn là việc sử dụng máy tính nói chung. Tuy nhiên, môi trường vật lý có thể có ảnh hưởng việc tiếp nhận, sức khoẻ và an toàn của người sử dụng. Do đó, vấn đề này cũng cần được xem xét đến trong quá trình thiết kế. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 58 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Đầu tiên chúng ta cần xem xét đến khối lượng người sử dụng. Trong bất kì một hệ thống nào, chúng ta nên thiết kế để làm sao cho khi số người sử là ít nhất thì mọi người đó đều có khả năng truy cập đến tất cả các điều khiển và khi số lượng người sử dụng là lớn nhất thì những người đó cũng không bị gò bó trong môi trường chật hẹp. Đặc biệt, thiết kế phải làm sao cho tất cả mọi người sử dụng đều có thể nhìn thấy toàn bộ phần hiển thị một cách thoải mái nhất. Trước khi sử dụng, họ cần được ngồi ở một vị trí thuận tiện và thoải mái. Nếu phải đứng thì cũng cần phải có không gian đủ lớn để người sử dụng có thể di chuyển và truy cập đến tất cả các điều khiển. 3.3.3. Các vấn đề về sức khỏe Vấn đề sức khoẻ và sự an toàn của người sử dụng cũng cần phải được quan tâm đến trong quá trình thiết kế giao diện. Một số nhân tố trong môi trường vật lý không chỉ ảnh hưởng đến sức khoẻ và sự an toàn của người sử dụng mà còn trực tiếp ảnh hưởng đến chất lượng tương tác và hiệu quả làm việc của người sử dụng. Các nhân tố đó bao gồm:  Vị trí vật lý: Như đã thảo luận trong phần trước, thiết kế nên đảm bảo cho mọi người sử dụng đều có khả năng truy cập đến tất cả các điều khiển và đều xem được toàn bộ mọi hiển thị.  Nhiệt độ: Mặc dù hầu hết mọi người sử dụng đều có khả năng thích ứng với những thay đổi nhỏ về nhiệt độ, tuy nhiên nếu như nhiệt độ là quá nóng hoặc quá lạnh thì có thể sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc và ảnh hưởng đến sức khỏe. Những nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng, khi nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp, hiệu quả làm việc sẽ giảm và người sử dụng sẽ không thể tập trung vào công việc được.  Ánh sáng: Mức ánh sáng sẽ phụ thuộc vào môi trường làm việc. Tuy nhiên, nên đảm bảo mức ánh sáng phù hợp để người sử dụng có thể nhìn thấy màn hình máy tính mà không cần phải điều tiết mắt để nhìn. Nguồn ánh sáng cũng nên đặt ở vị trí thích để không bị chói.  Tiếng ồn: Nếu tiếng ồn vượt mức cho phép có thể ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ, làm cho người sử dụng bị đau tai và trong trường hợp tồi nhất là sẽ bị mất khả năng nghe. Mức tiếng ồn nên duy trì ở ngưỡng vừa phải. Điều này không có nghĩa là bắt buộc môi trường làm việc phải không có tiếng ồn. Bởi vì, tiếng ồn có Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 59 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông thể là một kích thích/cảnh báo đối với người sử dụng và có thể cung cấp sự xác nhận về hoạt động của hệ thống.  Thời gian: Lượng thời gian mà người sử dụng dùng để sử dụng hệ thống cũng nên được kiểm soát. Vì nếu dùng quá nhiều thì có thể ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ của người sử dụng. 3.3.4. Sử dụng màu sắc Như chúng ta đã biết, hệ thống thị giác có một số giới hạn liên quan đến màu sắc, như là số lượng màu mà mắt có thể phân biệt được hoặc sự khó khăn khi trong quá trình thu nhận màu xanh da trời. Do đó, các màu được sử dụng trên màn hình nên rõ ràng. Không nên sử dụng màu xanh da trời khi hiển thị các thông tin quan trọng. Không nên sử dụng màu như một chỉ dẫn duy nhất mà nên thêm vào các thông tin phụ để chỉ dẫn. Ngoài ra, việc sử dụng các màu cũng nên theo quy ước chung và theo mong muốn của người sử dụng. Màu đỏ, xanh lá cây và màu vàng là các màu thường được sử dụng với các chỉ dẫn: stop, go và standby. Do đó, màu đỏ có thể được sử dụng trong các cảnh báo và tình trạng khẩn cấp; xanh lá cây, hoạt động bình thường; và màu vàng, chức năng bổ trợ hoặc dự phòng. Một số kết hợp giữa màu nền trước và màu nền sau nên dùng trong khi thiết kế màu nền của giao diện: Màu nền sau Các màu nền trƣớc nên dùng Các màu nền trƣớc nên tránh Trắng Đen, xanh da trời đậm, đỏ Xám nhạt, màu lục lam Xanh da trời Trắng, vàng, màu lục lam Xanh lá cây Hồng Trắng, vàng Xanh lá cây, lục lam Đỏ Vàng, trắng Lục lam, xanh lá cây Vàng Đỏ, xanh da trời, đen Lục lam Xanh lá cây Đen, đỏ, xanh da trời Lục lam, hồng, vàng Lục lam Xanh da trời, đen, đỏ Xanh lá cây, vàng, trắng Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 60 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Xám nhạt Đen, xanh da trời đậm, hồng đậm Xanh lá cây, lục lam, vàng Xám Vàng, trắng, xanh da trời Xám đậm, lục đậm Xám đậm Lục lam, vàng, xanh lá cây Đỏ, xám Đen Trắng, lục, xanh lá cây, vàng Lục đậm Xanh da trời đậm Vàng, trắng, hồng, xanh lá cây Xanh lá cây đậm Hồng đậm Xanh lá cây, vàng, trắng Lục đậm Một số kết hợp màu nên dùng và nên tránh. 3.4. Một số phong cách giao diện đồ họa Tương tác được xem như là một cuộc đối thoại giữa máy tính và người sử dụng. Việc lựa chọn các phong cách giao diện có một ảnh hưởng sâu sắc đến bản chất của cuộc đối thoại này. Trong phần này chúng ta sẽ giới thiệu một số phong cách giao diện phổ biến nhất và đồng thời cũng chỉ rõ các ảnh hưởng khác nhau của mỗi phong cách trong quá trình tương tác. Các phong cách giao diện phổ biến nhất bao gồm:  Giao diện dòng lệnh  Menus  Ngôn ngữ tự nhiên  Đối thoại truy vấn và đối thoại kiểu hỏi/trả lời  Form-fill và bảng tính  WIMP  Point và click 3.4.1. Giao diện dòng lệnh Giao diện dòng lệnh là kiểu giao diện đối thoại tương tác đầu tiên được sử dụng trong các hệ thống máy tính, và hiện nay nó vẫn đang được sử dụng rỗng rãi. Giao Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 61 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông diện cung cấp một phương tiện để biểu điễn trực tiếp các chỉ thị đến máy tính, bằng cách sử dụng các phím chức năng, các kí tự đơn, các dòng lệnh rút gọn hoặc đầy đủ. Trong một số hệ thống, giao diện dòng lệnh là cách duy nhất để trao đổi với hệ thống. Ưu điểm và nhược điểm của kiểu giao diện dòng lệnh là: Ưu điểm:  Cho phép truy cập trực tiếp đến các chức năng của hệ thống  Linh hoạt: lệnh thường có nhiều lựa chọn và các tham số có thể thay đổi hành vi của nó và có thể được áp dụng với nhiều đối tượng cùng một lúc. Nhược điểm:  Khó học  Khó sử dụng  Hay lỗi 3.4.2. Menu Giao diện kiểu menu là một danh sách các tùy chọn được nêu ra cho người sử dụng và quyết định thích hợp được chọn thông qua một mã gõ nào đó cho trước trên màn hình (ví dụ như hình 3.1). Giao diện menu Ưu và nhược điểm: Menu cung cấp cho người sử dụng một ngữ cảnh tổng thể và ít sinh lỗi hơn định dạng dòng lệnh, nhưng cũng mệt mỏi khi dùng. Ví dụ, tuỳ chọn 7 Hãy chọn một chương trình mong muốn: 1 = vào dữ liệu thủ công 2 = vào dữ liệu từ tệp đã có 3 = thực hiện phân tích đơn giản 4 = thực hiện phân tích chi tiết 5 = tạo đầu ra theo bảng 6 = tạo đầu ra đồ hoạ 7 = lớp các tuỳ chọn khác Chọn tuỳ chọn? Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 62 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông trong ví dụ trên kéo theo việc có thể cần đến các tuỳ chọn phụ. Người sử dụng không thể trực tiếp đi tới tuỳ chọn khác mà phải làm việc qua từng mức menu cho đến khi đạt tới tuỳ chọn mong muốn. Điều này có thể rất chán, và không hiệu quả. 3.4.3. Ngôn ngữ tự nhiên Có thể thoạt nhìn thì cách thức để liên lạc với máy tính hấp dẫn nhất là sử dụng ngôn ngữ tự nhiên. Người sử dụng, không nhớ được các câu lệnh hoặc quên mất thứ tự của menu, sẽ mong rằng máy tính có thể hiểu các chỉ thị được biểu diễn trong ngôn ngữ nói hàng ngày. Việc hiểu ngôn ngữ tự nhiên, bao gồm đầu vào thoại và đầu vào chữ viết, đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học. Tuy nhiên, do tính nhập nhằng khó hiểu của ngôn ngữ tự nhiên làm cho máy khó có khả năng hiểu được. Ngôn ngữ tự nhiên khó hiểu ở một số điểm như là: ngữ cảnh, cấu trúc hoặc câu có thể không rõ ràng, ý nghĩa của các từ được sử dụng được hiểu theo ngữ cảnh, cách sử dụng thành ngữ, v.v Vấn đề sử dụng ngôn ngữ tự nhiên trong tương tác đang được quan tâm nghiên cứu hiện nay. 3.4.4. Đối thoại truy vấn và đối thoại kiểu hỏi /trả lời Đối thoại hỏi/trả lời là một cơ chế đơn giản để cung cấp đầu vào cho một ứng dụng trong một lĩnh vực cụ thể. Người sử dụng phải trả lời một loạt các câu hỏi (chủ yếu là các câu hỏi yes/no, các câu hỏi đa lựa chọn hoặc các mã), và sau mỗi bước trả lời chính xác, thì quá trình tương tác sẽ từng bước được thực hiện. Giao diện đối thoại kiểu hỏi/trả lời tương đối dễ học và dễ dùng, tuy nhiên có chức năng và khả năng hạn chế. Do đó, kiểu giao diện này thích hợp một số lĩnh vực như là các hệ thống thông tin và cho người dùng ít kinh nghiệm. Mặt khác, ngôn ngữ truy vấn được sử dụng để tạo ra các truy vấn để khôi phục thông tin từ một cơ sở dữ liệu. Chúng sử dụng các câu theo kiểu ngôn ngữ tự nhiên, nhưng thực tế là yêu cầu có cú pháp đặc biệt, cũng như các kiến thức về cấu trúc cơ sở dữ liệu. Các truy vấn thường yêu cầu người sử dụng đặc tả một thuộc tính hoặc các thuộc tính để phục vụ cho việc tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu. Với các thuộc tính đơn, thì điều này tương đối là dễ thực hiện, nhưng nó sẽ phức tạp hơn nếu số lượng thuộc tính là rất nhiều. Do đó, việc sử dụng các ngôn ngữ truy vấn đòi hỏi phải có kinh nghiệm. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 63 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông 3.4.5. Form –fill và bảng tính Giao diện form-fill được sử dụng chủ yếu để nhập dữ liệu. Nó cũng rất hữu ích cho các ứng dụng khôi phục dữ liệu. Giao diện là một form cung cấp các mục thông tin, và người sử dụng điền các giá trị thích hợp vào các mục đó. Kiểu giao diện này dễ học và dễ dùng, đặc biệt thích hợp cho người mới dùng. Một giao diện kiểu form-fill Bảng tính là một biến thể phức tạp hơn của form-fill. Bảng tính bao gồm một lưới các ô, mỗi ô chứa một giá trị nhất định hoặc một công thức. Người sử dụng có thể nhập và thay đổi các giá trị và các công thức theo thứ tự bất kì và hệ thống sẽ duy trì sự nhất quán giữa các giá trị được hiển thị và đảm bảo cho tất cả các công thức sẽ được thực hiện đúng. Do đó, người sử dụng có thể thao tác với các giá trị để xem hiệu ứng xảy ra khi thay đổi các giá trị thông số khác nhau. 3.4.6. WIMP Môi trường tương tác phổ biến nhất hiện nay là môi trường tương tác kiểu WIMP, thường được gọi là các hệ thống cửa sổ. Các thành phần của giao diện WIMP bao gồm: cửa sổ, biểu tượng, con trỏ, menu, nút, thanh công cụ, bảng, hộp thoại,.. Một số ưu điểm quan trọng của kiểu giao diện này là:  Có thể hiển thị đồng thời nhiều kiểu thông tin khác nhau, cho phép người sử dụng chuyển hoàn cảnh (như viết chương trình gốc trong cửa sổ này, xem kết quả dựa trên cửa sổ khác) mà không mất mối nối trực quan với công việc khác. Cửa sổ cho phép người sử dụng thực hiện nhiều nhiệm vụ trao đổi và nhận biết mà không chán. Đại lý bán vé du lịch Xin vui lòng nhập các thông tin chi tiết về chuyến đi: Khởi hành từ: Điểm đến: Quá cảnh: Số ghế: Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 64 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông  Nhiều nhiệm vụ tương tác khác nhau có sẵn qua sơ đồ đơn kéo xuống. Những sơ đồ đơn kéo xuống cho phép người sử dụng thực hiện các nhiệm vụ kiểm soát và đối thoại một cách dễ dàng.  Việc dùng biểu tượng đồ hoạ, nút, kĩ thuật cuộn.. làm giảm khối lượng gõ. Điều này có thể làm tăng tính hiệu quả tương tác cho những người không phải là chuyên viên gõ máy và có thể làm cho máy tính thâm nhập được với những người sợ bàn phím. 3.4.7. Point và click Trong hầu hết các hệ thống multimedia và các trình duyệt web, kiểu giao diện thường dùng là point-click. Người sử dụng muốn truy cập thông tin thì chỉ cần trỏ đến đó và nhấp chuột. Ví dụ, bạn có thể trỏ đến một thành phố hoặc một bản đồ và nhấp chuột, thì các thông tin du lịch của thành phố sẽ hiện ra. Hiện nay, giao diện kiểu point –click đang rất được ưa chuộng trong các trang WWW. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 65 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông CHƢƠNG 4: ĐỒ HỌA BA CHIỀU 4.1. Giới thiệu về đồ họa 3 chiều Khái niệm 3D nghĩa là một đối tượng được mô tả hoặc hiển thị 3 chiều: rộng, cao và sâu. Ví dụ, một đối tượng 2 chiều là một mảnh giấy đặt trên bàn với một bản vẽ hoặc cái gì được viết trên nó, không cảm nhận được chiều sâu. Một đối tượng 3 chiều là 1 lon soda đặt cạnh, lon nước tròn (chiều rộng và sâu) và cao (chiều cao). Tùy thuộc vào góc nhìn mà có thể thay đổi chiều rộng hoặc chiều cao nhưng lon nước vẫn thực sự có 3 chiều. Hình 4.1. Đo đối tượng 2D và 3D Qua nhiều thế kỉ, các nghệ sĩ đã biết làm thế nào để tạo một bức tranh thể hiện chiều sâu thực sự. Một bức tranh vốn là một đối tượng 2 chiều bởi vì nó không có gì hơn vải với lớp sơn được vẽ lên. Tương tự, đồ họa máy tính 3D thực sự là ảnh 2 chiều trên màn hình máy tính phẳng cung cấp ảo giác về chiều sâu hay chiều thứ 3. 2D + phối cảnh = 3D Ví dụ: khối lập phương đơn giản với 12 đoạn thẳng, những thứ làm cho khối lập phương giống 3 chiều là phối cảnh hoặc các góc giữa các đường thẳng tạo ra ảo giác về chiều sâu. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 66 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 4.2. Khối 3D khung lưới đơn giản Đồ họa 3D là đồ họa sử dụng hệ đồ họa 3 chiều để biểu diễn dữ liệu hình học lưu trữ trên máy tính. Hệ thống đồ hoạ này khai thác không gian 3 chiều là chiều ngang – dọc – sâu tạo nên một thế giới hình khối khác hẳn thế giới hình phẳng của 2D. Đồ hoạ 3D khai thác tối đa các hiệu ứng 3 chiều như đổ bóng, chiều ánh sáng, sự phản chiếu nhờ vào hệ thống nguồn sáng vẽ xử lí bằng máy tính. Tuy vậy hình ảnh chụp từ khung hình 3D vẫn gọi là 2D, nhưng bằng chương trình 3D ta có thể chụp nhiều tấm ảnh ở nhiều góc cạnh khác nhau từ 1 khung hình 3D. Việc thể hiện các đối tượng 3D trên máy tính là cần thiết vì phần lớn các đối tượng trong thế giới thực là đối tượng 3D còn thiết bị hiển thị chỉ hiển thị ảnh 2 chiều. Do vậy muốn có hình ảnh 3 chiều ta cần phải giả lập. Biểu diễn đối tượng 3D bằng máy tính phải tuân theo quy luật về phối cảnh, sáng, tối giúp người xem nhìn thấy hình ảnh gần đúng nhất. Chiến lược cơ bản là chuyển đổi từng bước. Hình ảnh sẽ được hình thành ngày càng chi tiết hơn. Khi mô hình hóa và hiển thị một hình ảnh 3D chúng ta xét rất nhiều khía cạnh và các vấn đề khác nhau không đơn giản là thêm một tọa độ thứ 3 cho các đối tượng . Bề mặt đối tượng có thể được xây dựng bởi nhiều tổ hợp khác nhau của mặt phẳng và mặt cong, đôi khi chúng ta còn mô tả một số thông tin bên trong đối tượng. Khi biểu diễn đối tượng 3 chiều bằng máy tính ta cần quan tâm các vấn đề sau:  Phương pháp biểu diễn Có 2 phương pháp biểu diễn đối tượng 3 chiều là phương pháp biểu diễn bề mặt và biểu diễn theo phân hoạch không gian.  Các phép biến đổi hình học Khi áp dụng một dãy các phép biến đổi hình học có thể tạo ra nhiều phiên bản của cùng một đối tượng. Do đó có thể quan sát vật thể ở nhiều vị trí, nhiều góc độ khác nhau và cảm nhận về các hình ảnh vẽ ba chiều sẽ trực quan, sinh động hơn. Các phép biến đổi thường được sử dụng là phép tịnh tiến, phép quay, phép co dãn được mô tả bằng các ma trận. Ma trận của mỗi phép biến đổi có các dạng khác nhau.  Vấn đề chiếu sáng Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 67 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Tác dụng của việc chiếu sáng là làm cho các đối tượng hiển thị trong máy tính giống với vật thể trong thế giới thực. Để thực hiện công việc này cần phải có các mô hình tạo sáng. Vật thể được chiếu sáng nhờ vào ánh sáng đến từ khắp mọi hướng gọi là ánh sáng xung quanh (ambient light) hay ánh sáng nền(background light). Trên bề mặt có 2 loại hiệu ứng phát sáng là khuếch tán (diffuse light) - ánh sáng đi theo mọi hướng và phản xạ gương (specular light).  Vấn đề tạo bóng Để tạo bóng ta ứng dụng các mô hình xác định cường độ sáng theo nhiều kiểu khác nhau tùy thuộc bài toán cụ thể. Các vật có bề mặt phẳng chỉ cần tính cường độ sáng chung cho một bề mặt là có thể hiển thị đối tượng tương đối thật. Các vật có bề mặt cong phải tính cường độ sáng cho từng pixel trên bề mặt. Để tăng tốc độ ta xấp xỉ các mặt cong bởi một tập hợp các mặt phẳng. Với mỗi mặt phẳng sẽ áp dụng mô hình cường độ không đổi (flat shading) hoặc cường độ nội suy (Gouraud shading, Phong shading) để tạo bóng. 4.2. Tổng quan các hiệu ứng 3D  Góc nhìn Đề cập đến các góc giữa các đoạn thẳng tạo ra ảo giác về không gian 3 chiều. Hình 4.3 cho thấy một khối 3 chiều được vẽ với các đoạn thẳng, nhưng nếu nhìn kỹ thì có thể thấy các đoạn thẳng phía trong vẫn được vẽ như đoạn ngoài. Hình 4.3. Khối lập phương được vẽ bởi các đoạn thẳng Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 68 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Mặt khác, hình 4.4 khối lập phương đã bị ẩn những đoạn thẳng phía trong. Hình 4.4. Một khối rắn thuyết phục hơn  Màu sắc và tạo bóng Nếu chúng ta nhìn chằm chằm và rất lâu vào khối lập phương trong hình 4.4, chúng ta có thể thấy chúng ta đang nhìn vào một hình ảnh chìm và không phải là bề mặt ngoài của khối lập phương. Để thuyết phục hơn chúng ta phải thêm màu sắc để tạo ra các vật thể rắn. Hình 4.5 là hình lập phương thêm màu đỏ, nó không giống như khối lập phương nữa. Bằng cách thêm màu sắc khác nhau cho mỗi bên như hình 4.6 chúng ta lại thấy rõ một vật thể rắn. Hình 4.5. Thêm 1 màu có thể tạo ra sự nhầm lẫn Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 69 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 4.6. thêm màu sắc khác nhau làm tăng ảo giác 3 chiều  Ánh sáng và bóng Bằng cách sử dụng ánh sáng thì dù vật thể được tô 1 màu (hoặc vật liệu) chúng ta vẫn có ảo giác 3D, được thể hiện trong hình 4.7 Hình 4.7. Bóng thích hợp tạo ra những ảo giác của ánh sáng. Hình 4.8. Thêm bóng để tăng thêm tính thực tế Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 70 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông  Texture Mapping Để giống với thực tế, kỹ thuật này sử dụng hình ảnh như ảnh của bề mặt hay chi tiết thật, sau đó áp lên bề mặt của đa giác. Thay vì các vật liệu có màu sắc đơn giản, có thể dùng gỗ, vải, gạch... kỹ thuật này áp một bức ảnh lên đa giác để cung cấp thêm chi tiết gọi là texture mapping. Bức ảnh cung cấp gọi là texture, các thành phần riêng của texture gọi là texels. Quá trình co dãn hoặc nén texels trên bề mặt của đối tượng gọi là filtering. Hình 4.9 cho thấy khối đa giác được áp texture trên mỗi bề mặt. Hình 4.9. Texture mapping  Fog Sương mù là một hiệu ứng khí quyển làm mờ mờ các đối tượng trong hoạt cảnh. Hình 1.10 cho thấy demo GLUT của skyfly. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 71 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 4.10. Hiệu ứng sương mù cung cấp một ảo ảnh có sức thuyết phục với không gian rộng  Blending and Transparency (phối hợp và độ trong suốt) Blending là sự kết hợp màu sắc hoặc các đối tượng trên màn hình, bạn có thể kết hợp các hiệu ứng với nhiều mục đích khác nhau. Hình 4.11 cho thấy: đầu tiên, khối lập phương được tạo ra lộn ngược phía dưới sàn nhà. Sau đó, sàn đá cẩm thạch được phối hợp với khung cảnh cho phép khối lập phương hiển thị qua mặt sàn. Cuối cùng, khối lập phương được vẽ lại phía trên bên phải và lơ lửng trên sàn. Kết quả là sự xuất hiện phản xạ trên bề mặt đá cẩm thạch sáng bóng. Hình 4.11. Sử dụng kết hợp để tạo hiệu ứng phản chiếu. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 72 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông  Antialiasing (khử răng cƣa) Là một hiệu ứng có thể nhìn thấy trên màn hình do thực tế một bức ảnh gồm các pixel rời rạc. Hình 1.13 có thể thấy rằng các đường tạo ra khối lập phương bên trái có cạnh răng cưa. Bằng việc kết hợp các cạnh với màu nền đằng sau có thể loại bỏ các cạnh lởm chởm và tạo ra các cạnh mịn hơn. Kỹ thuật pha trộn này gọi là khử răng cưa. Cũng có thể áp dụng khử răng cưa với các cạnh đa giác để làm cho đối tượng hoặc cảnh nhìn giống thực tế hơn. Hình 4.12. Khối lập phương với các cạnh lởm chởm so với khối lập phương cạnh trơn mịn 4.3. Ứng dụng của đồ họa 3D 3D là công nghệ được xây dựng từ các phần mềm máy tính, giúp người sử dụng có thể quan sát hình ảnh trong không gian ba chiều. Ứng dụng của công nghệ này được sử dụng trong một số lĩnh vực đạt hiệu quả cao như Y học, xây dựng, kiến trúc, phim, trò chơi... Tại Việt Nam công nghệ này chỉ mới được sử dụng phần lớn trong quảng cáo và kiến trúc.  Ứng dụng đồ hoạ 3D trong y tế Ứng dụng công nghệ hình ảnh 3D thu hút sự chú ý của nhiều người trong lĩnh vực y học. Nhiều bác sĩ cũng tận dụng công nghệ mới này phục vụ điều trị bệnh nhân giúp tăng độ chính xác và hiệu quả. Với phương pháp chụp cắt lớp điện toán (CT) hay chụp cộng hưởng từ (MRI). Bác sĩ phải theo dõi hình ảnh 2D trên màn hình, vừa phải tưởng tượng hình ảnh trong không gian 3 chiều đã gặp không ít khó khăn. Ứng dụng công nghệ hình ảnh 3D, bác sĩ nhìn được các hình ảnh 3 chiều rõ nét ngay lập tức và tập trung hơn vào phẫu thuật.  Ứng dụng đồ hoạ 3D trong xây dựng kiến trúc Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 73 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đối với người thiết kế: có thể vẽ lên không gian 3 chiều, ứng dụng vật liệu thật vào không gian, phối trí và phân tích ánh sáng, thông gió hợp lý nhất cho công trình thiết kế xây dựng làm cho sự kết hợp giữa các yếu tố, bố trí các vật dụng trở nên hài hoà. Tính toán tải trọng kết cấu chính xác nhất, đưa ra giải pháp tiết kiệm vật tư và chi phí nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh. - Đối với khách hàng: ứng dụng 3D trong kiến trúc làm cho người xem như đứng ngay trong không gian trong thực tế.  Ứng dụng đồ hoạ 3D trong phim, trò chơi Công nghệ 3D trong phim ảnh đang là xu hướng phát triển của điện ảnh thế giới. Ứng dụng tạo hình 3D mang đến cho người xem những trải nghiệm thực sự, những hình ảnh sống động và hấp dẫn. Nó cũng được sử dụng để tạo các hiệu ứng phim và thực tại ảo, khán giả sẽ trải nghiệm những hành động, cử chỉ sống động như thật. Trong game, ứng dụng công nghệ 3D để xây dựng mô hình và chuyển động cho hình ảnh sắc nét giúp người chơi bao quát được toàn bộ góc nhìn với chất lượng hình ảnh tốt nhất và không bị gián đoạn.  Ứng dụng đồ hoạ 3D trong mô phỏng, đào tạo Hệ thống phần mềm mô phỏng các thí nghiệm bằng hình ảnh minh họa sống động, giúp học sinh dễ nhận biết, tiếp thu và tạo sự hứng thú với môn học. Cho phép học sinh, sinh viên được quan sát trực quan các mô hình cụ thể, thấy được những hoạt động, chuyển động của các sự vật, sự kiện được giảng viên trình bày. Học sinh được hình dung một cách rõ ràng và đầy đủ các khái niệm về hình học không gian, địa lý vũ trụ, mô hình sinh học hoặc các khái niệm khó tưởng tượng ra trong thế giới hai chiều.  Ứng dụng đồ hoạ 3D trong lĩnh vực quốc phòng và an ninh Những sản phẩm mô phỏng sẽ được áp dụng trong giảng dạy các môn khoa học như Giáo dục quốc phòng, quân sự. Người học có thể quan sát chi tiết các hoạt động của các bộ phận cơ khí,quy trình hoạt động và tương tác, những hiện tượng xảy ra trong các hoạt động của vũ khí. Công nghệ mô phỏng 3D mô tả chi tiết cụ thể hiện tượng bắn, quá trình chuyển vận của các bộ phận trong tương tác sự vật, hiện tượng giúp cho học sinh dễ nhận biết, tiếp thu tạo sự hứng thú với môn học. Có thể nói các ứng dụng tiềm năng của công nghệ hình ảnh 3D là vô hạn và để làm được điều đó ta phải nắm được quy trình hiển thị ảnh 3D. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 74 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông 4.4. Quy trình hiển thị đối tƣợng 3 chiều Các đối tượng trong thế giới thực phần lớn là các đối tượng 3 chiều còn thiết bị hiển thị chỉ 2 chiều. Do vậy muốn có hình ảnh ba chiều ta cần phải giả lập. Chiến lược cơ bản là biến đổi từng bước. Hình ảnh sẽ được hình thành từ từ, ngày càng chi tiết hơn. Quy trình hiển thị ảnh ba chiều như sau: Quy trình xử lý thông tin trong đồ họa ba chiều là một chuỗi các bước nối tiếp nhau, kết quả của mỗi bước sẽ là đầu vào của bước tiếp theo. Hình 4.13. Quy trình hiển thị đối tượng ba chiều Các bước trong quy trình hiển thị:  Bước đầu tiên trong quy trình hiển thị là biến đổi đối tượng từ không gian đối tượng (object space) vào một không gian chung gọi là không gian thực (world space). Trong không gian này các đối tượng, nguồn sáng, và người quan sát cùng tồn tại. Bước này gọi là giai đoạn biến đổi mô hình (modeling transformation).  Loại bỏ các đối tượng không nhìn thấy được (trivial rejection): Loại bỏ các đối tượng hoàn toàn không thể nhìn thấy trong cảnh. Thao tác này giúp loại bỏ bớt các đối tượng không cần thiết do đó giảm bớt chi phí xử lý. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 75 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông  Chiếu sáng đối tượng (illumination): Gán cho các đối tượng màu sắc dựa trên các đặc tính của các chất tạo nên chúng và các nguồn sáng tồn tại trong cảnh.  Chuyển từ world space sang eye space (Viewing transformation): Thực hiện một phép biến đổi tọa độ để đặt vị trí quan sát về gốc tọa độ và mặt phẳng quan sát về một vị trí mong ước. Hình ảnh hiển thị phụ thuộc vào vị trí quan sát và góc nhìn. Hệ qui chiếu có gốc đặt tại vị trí quan sát và phù hợp với hướng nhìn sẽ thuận lợi cho các xử lý thật.  Loại bỏ phần nằm ngoài (Clipping): Thực hiện việc xén đối tượng trong cảnh để cảnh nằm gọn trong một phần không gian hình chóp cụt giới hạn vùng quan sát mà ta gọi là Viewing frustum. Viewing frustum có trục trùng với tia nhìn, kích thước giới hạn bởi vùng ta muốn quan sát.  Chiếu từ không gian nhìn xuống không gian màn hình (Projection): Thực hiện việc chiếu cảnh 3 chiều từ không gian quan sát xuống không gian màn hình. Có hai phương pháp chiếu là phép chiếu song song và phép chiếu phối cảnh. Khi chiếu ta phải tiến hành khử mặt khuất để có thể nhận được hình ảnh trung thực. Khử mặt khuất cho phép xác định vị trí (x, y) trên màn hình thuộc về đối tượng nào trong cảnh.  Chuyển đối tượng sang dạng pixel (Rasterization)  Hiển thị đối tượng (Display). 4.5. Các phép chiếu Định nghĩa về phép chiếu Một cách tổng quát, phép chiếu là phép chuyển đổi những điểm của đối tượng trong hệ thống tọa độ n chiều thành những điểm trong hệ thống tọa độ có số chiều nhỏ hơn n. Định nghĩa về hình chiếu Ảnh của đối tượng trên mặt phẳng chiếu được hình thành từ phép chiếu bởi các đường thẳng gọi là tia chiếu (projector) xuất phát từ một điểm gọi là tâm chiếu (center of projection) đi qua các điểm của đối tượng giao với mặt chiếu (projection plan). Các bước xây dựng hình chiếu 1. Đối tượng trong không gian 3D với tọa độ thực được cắt theo một không gian xác định gọi là view volume. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 76 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông 2. View volume được chiếu lên mặt phẳng chiếu. Diện tích chiếu bởi view volume trên mặt phẳng chiếu đó sẽ cho chúng ta khung nhìn. 3. Là việc ánh xạ khung nhìn vào trong một cổng nhìn bất kỳ cho trước trên màn hình để hiển thị hình ảnh. Hình 4.14. Mô hình nguyên lý của tiến trình biểu diễn đối tượng 3D Hình 4.15. Phân loại các phép chiếu Trong đồ họa hai chiều, các thao tác quan sát biến đổi các điểm hai chiều trong mặt phẳng tọa độ thế giới thực thành các điểm hai chiều trong mặt phẳng hệ tọa độ thiết bị. Sự định nghĩa đối tượng, bị cắt bởi một cửa sổ, được ánh xạ vào một vùng Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 77 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông quan sát. Các hệ tọa độ thiết bị chuẩn hóa này sau đó được biến đổi sang các hệ tọa độ thiết bị và đối tượng được hiển thị lên thiết bị kết xuất. Đối với đồ họa ba chiều, việc làm này phức tạp hơn một chút, vì bây giờ có vài chọn lựa để có thể quan sát ảnh như thế nào. Chúng ta có thể quan sát ảnh từ phía trước, từ phía trên, hoặc từ phía sau. Hoặc chúng ta có thể tạo ra quang cảnh về những gì chúng ta có thể thấy nếu chúng ta đang đứng ở trung tâm của một nhóm các đối tượng. Ngoài ra, sự mô tả các đối tượng ba chiều phải được chiếu lên bề mặt quan sát của thiết bị xuất. Trong chương này, trước hết chúng ta sẽ thảo luận các cơ chế của phép chiếu. Sau đó, các thao tác liên quan đến phép biến đổi cách quan sát, và đầy đủ các kỹ thuật quan sát ảnh ba chiều sẽ được phát triển. Có hai phương pháp cơ bản để chiếu các đối tượng ba chiều lên bề mặt quan sát hai chiều. Tất cả các điểm của đối tượng có thể được chiếu lên bề mặt theo các đường thẳng song song hoặc các điểm có thể được chiếu theo các đường hội tụ về một điểm được gọi là tâm chiếu (the center of projection). Hai phương pháp này được gọi là phép chiếu song song (parallel projection)và phép chiếu phối cảnh (perspective projection). Trong cả hai trường hợp, giao điểm của đường chiếu với bề mặt quan sát xác định các tọa điểm của điểm được chiếu lên mặt phẳng chiếu này. Chúng ta giả sử rằng mặt phẳng chiếu là mặt z = 0 của hệ tọa độ bàn tay trái (left handed coordinate system). Hình 4.16. Hai phương pháp chiếu một đoạn thẳng lên bề mặt của mặt phẳng chiếu Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 78 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 4.16. Ví dụ minh họa các phép chiếu phối cảnh 4.5.1. Phép chiếu song song Phép chiếu song song (Parallel Projections) là phép chiếu mà ở đó các tia chiếu song song với nhau hay xuất phát từ điểm vô cùng. Phân loại phép chiếu song song dựa trên hướng của tia chiếu (Direction Of Projection) và mặt phẳng chiếu (projection plane). Phép chiếu song song bảo tồn mối quan hệ về chiều của các đối tượng, và đây là kỹ thuật được dùng trong việc phác thảo để tạo ra các bức vẽ tỷ lệ của các đối tượng ba chiều. Phương pháp này được dùng để thu các hình ảnh chính xác ở các phía khác nhau của một đối tượng. Tuy nhiên, phép chiếu song song không cho một hình ảnh thực tế của các đối tượng ba chiều. Ngược lại, phép chiếu phối cảnh tạo ra các hình ảnh thực nhưng không bảo tồn các chiều liên hệ. Các đường ở xa được chiếu sẽ nhỏ hơn các đường ở gần mặt phẳng chiếu, như trong hình. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 79 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 4.17. Hai đoạn thẳng dài bằng nhau trong phép chiếu phối cảnh Các hình ảnh được hình thành bằng phép chiếu song song có thể được xác định dựa vào góc hợp bởi hướng của phép chiếu hợp với mặt phẳng chiếu. Khi hướng của phép chiếu vuông góc với mặt phẳng, ta có phép chiếu trực giao (hay phép chiếu vuông góc - orthographic projection). Một phép chiếu có thể không vuông góc với mặt phẳng chiếu được gọi là phép chiếu xiên (oblique projection). Các phép chiếu trực giao hầu như được dùng để tạo ra quang cảnh nhìn từ phía trước, bên sườn, và trên đỉnh của đối tượng (xem hình ). Quang cảnh phía trước, bên sườn, và phía sau của đối tượng được gọi là “mặt chiếu” (elevation), và quang cảnh phía trên được gọi là “mặt phẳng” (plane). Các bản vẽ trong kỹ thuật thường dùng các phép chiếu trực giao này, vì các chiều dài và góc miêu tả chính xác và có thể đo được từ bản vẽ. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 80 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 4.16. Ba phép chiếu trực giao của một đối tượng 4.5.2. Phép chiếu phối cảnh Phép chiếu phối cảnh là phép chiếu mà các tia chiếu không song song với nhau mà xuất phát từ một điểm gọi là tâm chiếu. Phép chiếu phối cảnh tạo ra hiệu ứng về luật xa gần tạo cảm giác về độ sâu của đối tượng trong thế giới thật mà phép chiếu song song không lột tả được. Các đoạn thẳng song song của mô hình 3D sau phép chiếu hội tụ tại một điểm gọi là điểm triệt tiêu (vanishing point). Phân loại phép chiếu phối cảnh dựa vào tâm chiếu - Centre Of Projection (COP) và mặt phẳng chiếu projection plane. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 81 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 4.17. Phép biến đổi phối cảnh Hình 4.18. Phép chiếu với tâm chiếu trên trục z