Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731
Tổng quan về kỹ thuật đồ hoạ
Lesson 1: Kỹ thuật đồ họa và Hiện thực ảo Computer Graphics And Virtual Reality
(cid:137) Các khái niệm tổng quan của kỹ thuật đồ hoạ máy
tính
(cid:137) Các kỹ thuật đồ hoạ
(cid:137) Phân loại các lĩnh vực của kỹ thuật đồ hoạ
(cid:137) Hệ đồ họa tương tác (interactive)
(cid:132) Kỹ Thuật đồ họa cơ sở (cid:132) Kỹ Thuật đồ họa tiên tiến (cid:132) Hiện thực ảo - VRML
(cid:137) Phần cứng đồ hoạ (Graphics Hardware)
Le Tan Hung hunglt@it-hut.edu.vn
(c) SE/FIT/HUT 2002
(c) SE/FIT/HUT 2003
2
A Brief History of Computer Graphics
A Brief History of Computer Graphics
1926 – J.L. Baird invents the television.
30 line vertical, black and red scan.
1885 - CRT (Cathode Ray Tube) 1887 - Edison patents motion picture camera 1888 - Edison and Dickson record motion picture photos on a wax cylinder
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
3 4
A Brief History of Computer Graphics
A Brief History of Computer Graphics
1966 (cid:132) Ralph Baer creates the 1st comsumer CG product:
Odyssey Pinball
1963 (cid:132) IBM creates the 360 models (cid:132) One of the First General Purpose Mainframes (cid:132) SRI develops the mouse.
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
1
5 6
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731
A Brief History of Computer Graphics
A Brief History of Computer Graphics 1968 (cid:132) John Whitney: Permutations
1967 (cid:132) GE introduces first full colour real time flight
simulator for NASA
In "Permutations," (1968) he delineates a marvellous and exciting new world. One senses a choreographer. The movements are reminiscent of traditional ballet. The shapes follow the dictates of formal geometry more than those of abstract painting. Movement is three- dimensional and the ambition for a more polished three-dimensional shaded space is apparent.
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
7 8
A Brief History of Computer Graphics 1973 (cid:132) Michael Crichton’s
A Brief History of Computer Graphics 1974 (cid:132) Intel develop the 8080 processor.
“Westworld” uses 2D graphics (cid:132) First time computer is used for image
manipulation.
(cid:132) Featured scenes that showed
1975 (cid:132) Mandelbrot plots fractals
audiences the world viewed by the eye circuitry of a synthetic human (played by a very real Yul Brenner) in a future Western theme park. This effect was achieved with 2D computer graphics tools mostly derived from image processing techniques.
(cid:132) Bill Gates starts Microsoft
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
9 10
A Brief History of Computer Graphics 1977
A Brief History of Computer Graphics 1976 (cid:132) Steve Jobs and Steve Wozniak start
Apple.
(cid:132) Star Wars wins oscar for special effects.
1977 (cid:132) Academy of Motion Pictures Art and Sciences introduces Visual Effects category for Oscars.
1978 •Superman wins oscar for special effects.
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
2
11 12
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731
A Brief History of Computer Graphics 1979
(cid:132) Alien wins oscar for visual effects.
A Brief History of Computer Graphics 1980 (cid:132) Disney’s TRON is the first live action film with over 20 mins of computer animations.
(cid:132) Seagate Technology
releases the HDD for PCs
1980 •The Empire Strikes Back wins oscar for visual effects.
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
13 14
A Brief History of Computer Graphics
1981 IBM introduces the first IBM PC (16 bit
8088 chip)
A Brief History of Computer Graphics 1982 (cid:132) The Genesis Effect (ILM) for Startrek II is the first all computer animated visual effects shot for film.
• Raiders of the Lost Ark wins an oscar for visual effects.
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
15 16
A Brief History of Computer Graphics
A Brief History of Computer Graphics
(cid:132) 1984 PIXAR Opens
1983 (cid:132) First Coke Polar Bears
1985 (cid:132) The Last Starfighter is the
Commercial
first live action feature film with realistic computer animation of highly detailed models.
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
3
17 18
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731
A Brief History of Computer Graphics 1989 (cid:132) The Abyss is the first movie to include convincing 3D character animation.
A Brief History of Computer Graphics 1990 (cid:132) Windows 3.0 ships 1993 (cid:132) Myst 1994 (cid:132) Playstation and N64 released
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
19 20
A Brief History of Computer Graphics 1995 (cid:132) Quake Released by
A Brief History of Computer Graphics 1996 (cid:132) Independence Day
Id Software
wins oscar for visual effects.
(cid:132) Toy Story becomes the first fully 3D computer animation feature film.
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
21 22
A Brief History of Computer Graphics 1997 (cid:132) Titanic wins oscar for visual effects.
(cid:132) PIXAR wins oscar for best short film: Geri’s Game.
A Brief History of Computer Graphics 1998 (cid:132) Armageddon (cid:132) Mouse Hunt (cid:132) Bugs Life 1999 (cid:132) The Matrix (cid:132) Star Wars: The Phantom Menace (cid:132) Disney’s Tarzan
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
4
23 24
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731
A Brief History of Computer Graphics
Kỹ thuật đồ họa vi tính.
2002 Microsoft’s XBOX
(cid:132) Definition (ISO) (cid:132) Computer Graphics (Kỹ thuật đồ hoạ máy tính) (cid:132) Computer graphics deals with all aspects of
2000 (cid:132) Sony Playstation II (cid:132) Walking with Dinosaurs (cid:132) Disney’s Shrek
creating images with a computer
model – Interactive Computer Graphics:
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
Pascal / C program
25 26
Bitmap Bitmap
Kỹ thuật đồ hoạ điểm (Sample based-Graphics)
SRGP library
(cid:132) Các mô hình, hình ảnh của các đối tượng được hiển thị
thông qua từng pixel (từng mẫu rời rạc)
positions
graphics algorithms colour
lines,areas,...
(cid:132) Đặc điểm: (cid:132) Phương pháp để tạo ra các pixel
X Window System
Graphics hardware
Image
image formats, compression, transfer
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
27
Kỹ thuật đồ hoạ vector
Ví dụ về hình ảnh đồ hoạ Vector
(cid:132) Vector = geometrical model + rendering
Graphical Model
Rendering Parameters
Rendering
Output Device
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
5
29 30
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731
Raster and Vector Graphics (cid:132) Raster
(cid:132) Hình ảnh và mô hình của các vật thể được biểu diễn bởi tập hợp các
điểm của grid
Wireframe Model
Skeletal Model
Muscle Model
(cid:132) Thay đổi thuộc tính của các pixel => thay đổi từng phần và từng vùng
của hình ảnh.
(cid:132) Copy được các pixel từ một hình ảnh này sang hình ảnh khác.
(cid:132) Vector
trình tô trát và hiển thị lại.
(cid:132) Không thay đổi thuộc tính của từng điểm trực tiếp (cid:132) Xử lý với từng thành phần hình học cơ sở của nó và thực hiện quá
độ khác nhau bằng cách thay đổi điểm nhìn và góc nhìn.
(cid:132) Quan sát hình ảnh và mô hình của hình ảnh và sự vật ở nhiều góc
© Walt Disney and TSL
Hair
Render and Touch up
Skin
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
31 32
Phân loại theo hệ toạ độ
Phân loại các lĩnh vực của Computer Graphics
Kü thuËt ®å ho¹ 2 chiÒu
CAD/CAM System
Kü thuËt ®å ho¹
§å ho¹ minh ho¹
KiÕn t¹o ®å ho¹
Kü thuËt ®å ho¹ ba chiÒu
§å ho¹ ho¹t h×nh vµ nghÖ thuËt
Kü thuËt ®å ho¹
Xö lý ¶nh
Kü thuËt nhËn d¹ng
Xö lý ®å ho¹
Kü thuËt ph©n tÝch vµ t¹o ¶nh
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
33 34
Các ứng dụng tiêu biểu của kỹ thuật đồ họa
Phân loại theo chức năng
(cid:132) Kỹ thuật xử lý ảnh (COMPUTER IMAGING)
(cid:132) Kỹ thuật nhận dạng (Computer Vision techniques
attempt to provide meaning to computer) images.
(cid:132) Kỹ thuật tổng hợp ảnh (Computer Graphics)
(cid:132) Geometry modelling
(cid:132) Xây dựng giao diện người dùng (User Interface) (cid:132) Tạo các biểu đồ trong thương mại, khoa học, kỹ thuật (cid:132) Tự động hoá văn phòng và chế bản điện tử (cid:132) Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD_CAM) (cid:132) Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật và mô phỏng (cid:132) Điều khiển các quá trình sản xuất (Process Control) (cid:132) Lĩnh vực bản đồ (Cartography)
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
6
35 36
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
37 38
CAD-CAM application
Hệ đồ họa tương tác
(cid:131) Mô hình hệ đồ hoạ tương tác (cid:131) Các thành phần của hệ đồ hoạ tương tác
(cid:131) Bộ xử lý tương tác với người sử dụng (cid:131) Các chuẩn của hệ đồ hoạ
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
CCáácc ththàànhnh phphầầnn ccủủaa hhệệ đđồồ hohoạạ tương
tương ttáácc
39 40
Thành phần trong chức năng của kỹ thuật đồ hoạ
G U I
MODELING RENDERING DISPLAYING
( to describe) to the computer
(to show) the image
Application Program
Graphics System
Application Data Structure
generate image on
what is a table, a car, • • •
(to capture) the description create 2D image from 2D / 3D models
screen
Geometric Engine
Rendering Engine
Raster & Display Engine
Computer
Graphics Devices
concerned with: - hardware - how to display (rasterization)
concerned with : - viewing & projection - drawing & clipping primitives - local illumination & shading - texture mapping - global rendering
concerned with: - modeling - modeling transf. - color models - material property - lighting property
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
7
41 42
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731
Model of RGP
3D Graphics Over World Wide 3D Graphics Over World Wide Web Web
Animation
VRML
output pipeline
3D Graphics
WWW
Drawing packages
Pascal / C program
output primitives
output attributes
projections lighting,shading
transformation of objects
Canvascontrol
SRGP library
SRGP
Application model
Application program
copyPixel
Input device control
lines,areas,...
positions
graphics algorithms colour
Display Hardware
Input device measures
X Window System
Graphics hardware
input pipeline
Image
WWW
(c) SE/FIT/HUT 2003
Video
43
(c) SE/FIT/HUT 2003 image formats, compression, transfer
Thành phần thư viện đồ hoạ
Bộ xử lý tương tác với người sử dụng
(cid:132) Các thực thể cơ sở
(cid:132) Hệ thống đồ hoạ thông thường phải chứa một tập hợp các thủ tục
(chương trình con) để xử lý với các thiết bị vào ra (I/O System).
(cid:131) Điểm (pixel) (cid:131) Đường thẳng (line) (cid:131) Đường tròn (circle)
(cid:132) hệ thống đồ hoạ sinh ra các thiết bị ngoại vi lôgic để tương tác
(cid:132) Đa giác (polygon) ..v..v.
giữa người sử dụng và thiết bị ngoại vi này.
(cid:132) Một chu trình điển hình của các chương trình ứng dụng quản lý
các thiết bị ngoại vi được gọi là vòng lặp sự kiện từ thiết bị
(cid:132) Các thuộc tính (cid:131) Màu sắc (color) (cid:131) Kiểu đường vẽ (line style) (cid:131) Kiểu văn bản (text style)
(event-driven loop )
(cid:132) Mẫu tô (pattern).
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
45 46
Giao diện hệ thống đồhọa Interface of Graphics System
Hệ thống đồ hoạ (Graphics System)
Application program
(cid:132) Interface between application software and graphics hardware system (cid:132) Consists of input subroutines and output subroutines accepting input data or commands from a user and converting internal representations into external pictures on screen, respectively
Graphics system
(cid:132) Là tập hợp các lệnh đồ hoạ của hệ thống (graphics output commands), (cid:132) Thực hiện công việc hiển thị cái gì (what object) và chúng sẽ được hiển thị như
thế nào (how).
Operating system
(cid:132) Phần mềm đồ hoạ hệ thống là phần mềm xây dựng trên cơ sở một thể loại phần
cứng nhất định và phụ thuộc vào phần cứng.
Core, GKS, GKS-3D CGI (device interface) CGM (metafile) PHIGS (3D and realtime) X-window PHIGS+ (PEX) IGES OpenGL DirectX
(cid:132) Phần mềm đồ hoạ hệ thống:
Metafiles
(cid:132) Là tập hợp các thiết bị điện tử (CPU, bộ nhớ màn hình) giúp cho việc thực hiện
Input and output devices
Graphics hardware
các phần mềm đồ hoạ.
(cid:132) Phần cứng đồ hoạ:
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
8
47 48
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731
Các chuẩn giao diện của hệ đồ hoạ
Non-official industry standards Các chuẩn của hệ đồ hoạ
(cid:132) GKS (Graphics Kernel System):
(cid:132) OPENGL SGI’s OpenGL 1993 (cid:132) DIRECTX Direct X/Direct3D 1997
(cid:132) GKS Functional Description, ANSI X3.124 - 1985. (cid:132) GKS - 3D Functional Description, ISO Doc #8805:1988.
(cid:132) CGI (Computer Graphics Interface System): (cid:132) CGM (Computer Graphics Metafile): (cid:132) VRML (Virtual Reality Modeling Language): (cid:132) PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive
(cid:132) IGES
(cid:132) PHIGS Functional Description, ANSI X3.144 - 1985. (cid:132) PHIGS+ Functional Description, 1988, 1992.
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
49 50
OpenGL
DirectX
(cid:132) Software interface to graphics
(cid:132) Commands interpreted
(cid:132) Direct control of graphics hardware (cid:132) Direct control of input/output devices, and sound
hardware
using client-server model
(cid:132) Client-server model
Application program Application program
commands
(cid:132) 250 distinct commands (cid:132) Object specification + image
(cid:132) Client (Application) issues
D
generation
Windows API Windows API
i r e c t
(cid:132) Server (OpenGL) interprets and processes commands
Direct sound Direct input Direct draw Direct 3D
X
(cid:132) Simple primitives: points, lines, polygons (pixels, images, bitmaps)
……..
(cid:132) 3D rendering
Windows system Windows system
(cid:132) Frame buffer configuration done by the window system
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
51 52
Phần cứng đồ hoạ (Graphics Phần cứng đồ hoạ (Graphics Hardware) Hardware)
Các thiết bị vào ra dữ liệu (cid:132) Máy in
(cid:132) Các thành phần phần cứng của hệ đồ hoạ tương
(cid:131) Dot size: đường kính của một điểm in bé nhất mà máy
tác
in có thể in được
(cid:131) Addressability: khả năng địa chỉ hoá các điểm in có thể
có trên một đơn vị độ dài (dot per inch) (cid:131) Số lượng màu có thể vẽ trên một điểm
(cid:132)
Dot size 8 - 20/ 100 inch (cid:132) InkJet (cid:132) Laser 5/1000 inch (cid:132) Máy vẽ 6 ÷ 15/1000 inch
Point per inch 200 ÷600 1500 1000 ÷ 2000
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
9
53 54
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731
Màn hình CRT
Màn hình CRT
Standard Dot-trio
SONY Trinitron CRT
Hitachi EDP
NEC Hybrid Mask
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
55 56
Các thiết bị hiển thị dạng vector
Graphics Devices
(Display commands)
Interface to host computer
(interaction data)
(cid:132) MOVE 10,15 (cid:132) LINE 400,300 (cid:132) LINE 600,800 (cid:132) Refesh Buffer
Display processor
CRT
Stylus
B
A
DrawLine(A, B): Turn beam off, move to A. Turn beam on, move to B.
Refresh buffer memory
Alphanumeric keyboard
Data tablet
… … MOVE 10 15 LINE 100 25 CHAR LU CY LINE … … JMP
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
57 58
Các thiết bị hiển thị dạng điểm
Typical raster graphics display showing a house and a star
Interface to host computer
(Display commands)
(interaction data)
Keyboard
Display processor
Data input
CRT
00000000000000000000000001000000 00000000000000000000000001000000 00000000000000000000000111110000 00000000011000000001111111111111 00000000111100000000000111110000 00000011111111000000000001000000 00001111111111110000000001000000 00111111111111111100000000000000 00011111111111111000000000000000 00011111111111111000000000000000 00011111111111111000000000000000 00000000000000000000000000000000
Bitmap refresh buffer (the 1’s are accentuated for contrast)
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
10
59 60
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731
LCD-Liquid Crystal Display
CRT Displays
(cid:132) A transmissive technology (cid:132) Works by letting varying
Disadvantages (cid:132) Large and heavy (typ. 70x70
Advantages (cid:132) Fast repsonse (high resolution possible)
cm, 15 kg)
(cid:132) Full color (large modulation
(cid:132) High power consumption (typ.
amounts of a fixed-intensity white backlight through an active filter
depth of E-beam)
140W)
(cid:132) Organnic crystals that lign
(cid:132) Harmful DC and AC electric
themselves together
and magnetic fields
(cid:132) Saturated and natural colors (cid:132) Inexpensive, matured
(cid:132) When external force is applied
technology
(cid:132) Flickering at 50-80 Hz (no
memory effect)
(cid:132) Wide angle, high contrast
they realign themselves (cid:132) This is used to change
and brightness
(cid:132) Geometrical errors at edges
polarisation and filter light
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
61 62
LCD Displays
Future Research Areas Hướng nghiên cứu
(cid:132) Rendering
Disadvantages (cid:132) High price (presently 3x CRT) (cid:132) Poor viewing angle (typ. +/- 50
Advantages (cid:132) Small footprint (approx 1/6 of CRT) (cid:132) Light weight (typ. 1/5 of CRT) (cid:132) Low power consumption (typ. 1/4 of
degrees)
CRT)
(cid:132) Graphics accelerators (cid:132) parallel processing (cid:132) Geometric modeling (cid:132) physically-based
(cid:132) Low contrast and luminance (typ.
(cid:132) Completely flat screen - no
1:100)
geometrical errors
(cid:132) photo-realism (cid:132) real-time (cid:132) image-based rendering (cid:132) non-photorealistic
(cid:132) Low luminance (typ. 200 cd/m2)
(cid:132) Crisp pictures - digital and uniform
rendering
modeling (cid:132) level of detail (cid:132) Motion control /
colors
(cid:132) No electromagnetic emission (cid:132) Fully digital signal processing
possible
(cid:132) Scientific visualization (cid:132) Geometric algorithms (cid:132) User interface
synthesis (cid:132) kinematics / dynamics (cid:132) motion capture/ modification
(cid:132) Large screens (>20 inch) on desktops
(c) SE/FIT/HUT 2003
(c) SE/FIT/HUT 2003
11
63 64