Bài giảng Lesson 1: Kỹ thuật đồ họa và hiện thực ảo

Chia sẻ: Sinh Nhân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

Thêm vào BST

Báo xấu

107
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Lesson 1: Kỹ thuật đồ họa và hiện thực ảo" giới thiệu tới người đọc các kiến thức tổng quan về kỹ thuật đồ họa, lịch sử kỹ thuật đồ họa, phân loại và các ứng dụng tiêu biểu của kỹ thuật đồ họa, mô hình hệ đồ họa,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Lesson 1: Kỹ thuật đồ họa và hiện thực ảo

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