Đồ họa máy tính
i
MỤC LỤC
Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HOẠ MÁY TÍNH .......................................... 1
1.1. Các khái niệm tổng quan của kỹ thuật đồ họa máy tính ............................ 1
1.1.1. Kỹ thuật đồ họa máy tính .................................................................... 1
1.1.2.Kỹ thuật đồ họa tƣơng tác .................................................................... 1
1.2. Các kỹ thuật đồ họa ................................................................................... 2
1.2.1.Kỹ thuật đồ hoạ điểm ........................................................................... 3
1.2.2.Kỹ thuật đồ hoạ Vecto ......................................................................... 4
1.2.3. Sự phát triển của kỹ thuật hiển thị ...................................................... 5
1.3. Phân loại các lĩnh vực của kỹ thuật đồ họa .............................................. 7
1.3.1. Phân loại theo mục đích xử lý dữ liệu ................................................ 7
1.3.2. Phân loại theo hệ tọa độ dùng trong kỹ thuật đồ họa .......................... 8
1.4.Giới thiệu một số ứng dụng của kỹ thuật đồ họa ........................................ 8
1.4.1. Hỗ trợ thiết kế ..................................................................................... 8
1.4.2. Biểu diễn thông tin .............................................................................. 9
1.4.3. Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật ................................................................ 9
1.4.4. Điều khiển các quá trình sản xuất ..................................................... 10
1.4.5. Lĩnh vực bản đồ ................................................................................ 10
1.4.5. Giáo dục và đào tạo ........................................................................... 10
1.4.6. Giao tiếp giữa máy tính và ngƣời dùng ............................................ 11
1.5. Hệ đồ họa tƣơng tác ................................................................................. 12
1.5.1. Mô hình hệ tọa độ tƣơng tác ............................................................. 12
1.5.2. Các thành phần của hệ đồ họa tƣơng tác .......................................... 12
1.6. Phần cứng đồ họa ..................................................................................... 15
1.6.1. Các thành phần phần cứng của hệ tọa độ tƣơng tác .......................... 15
1.6.2. Các thiết bị hiển thị (thiết bị ra dữ liệu) ............................................ 15
1.6.3. Các thiết bị vào dữ liệu ..................................................................... 19
CÂU HỎI CHƢƠNG 1 .................................................................................. 20
Chƣơng 2CÁC GIẢI THUẬT XÂY DỰNG CÁC THỰC THỂ CƠ SỞ .......... 22
2.1 Giới thiệu .................................................................................................. 22
2.2. Các đối tƣợng đồ họa cơ sở ..................................................................... 23
Đồ họa máy tính
ii
2.2.1 Điểm ................................................................................................... 23
2.2.2. Đƣờng thẳng, đƣờng gấp khúc ......................................................... 24
2.2.3 Vùng tô .............................................................................................. 25
2.2.4 Kí tự, chuỗi kí tự ................................................................................ 26
2.3. Giải thuật sinh đƣờng thẳng .................................................................... 27
2.3.1 Nguyên lý chung ................................................................................ 27
2.3.2 Thuật toán DDA (Digital Differential Analyzer) .............................. 28
2.3.3 Giải thuật Bresenham ........................................................................ 31
2.3.4 Thuật toán MidPoint .......................................................................... 35
2.4. Giải thuật sinh đƣờng tròn ....................................................................... 37
2.4.1 Nguyên lý chung ................................................................................ 37
2.4.2 Thuật toán MidPoint .......................................................................... 38
2.4.3 Giải thuật Bresenham ........................................................................ 43
2.5. Giải thuật sinh elip ................................................................................... 45
2.5.1. Giải thuật Midpoint ........................................................................... 45
2.5.2. Giải thuật Bresenham ....................................................................... 48
2.6. Giải thuật sinh đa giác ............................................................................. 50
2.7. Giải thuật sinh ký tự ................................................................................ 51
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 2 ........................................................... 55
Hƣớng dẫn giải bài tập ................................................................................... 61
Chƣơng 3CÁC GIẢI THUẬT ĐỒ HOẠ CƠ SỞ .............................................. 64
3.1. Hệ toạ độ và mô hình chuyển đổi ............................................................ 64
3.1.1. Các hệ thống tọa độ trong đồ họa ..................................................... 64
3.1.2. Phép chuyển đổi ................................................................................ 65
3.2. Các giải thuật xén tỉa ............................................................................... 66
3.2.1. Khái niệm .......................................................................................... 66
3.2.2. Các giải thuật xén tỉa đoạn thẳng ...................................................... 66
3.2.3. Giải thuật Hodgman .......................................................................... 76
3.3. Các giải thuật tô miền kín ........................................................................ 77
3.3.1. Giải thuật đƣờng biên ....................................................................... 77
3.3.2. Giải thuật dòng quét cho việc tô màu vùng ...................................... 78
Đồ họa máy tính
iii
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 3 ........................................................... 82
Hƣớng dẫn giải bài tập .................................................................................... 88
Chƣơng 4CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI HÌNH HỌC 2 CHIỀU .................................. 92
4.1.Phƣơng pháp biểu diễn đối tƣợng trong không gian hai chiều ................. 92
4.2. Phép biến đổi Afine 2D ........................................................................... 93
4.3. Các phép biến đổi hình học cơ sở ............................................................ 93
4.3.1. Phép tịnh tiến .................................................................................... 93
4.3.2. Phép biến đổi tỉ lệ.............................................................................. 94
4.3.2. Phép quay .......................................................................................... 95
4.3.3. Phép đối xứng ................................................................................... 96
4.3.4. Phép biến dạng .................................................................................. 96
4.4. Hệ tọa độ thuần nhất và các phép biến đổi .............................................. 97
4.4.1. Hệ tọa độ thuần nhất ......................................................................... 97
4.4.2. Biểu diễn các phép biến đổi dƣới dạng tọa độ thuần nhất ................ 98
4.4.3. Phép biến đổi ngƣợc .......................................................................... 99
4.5. Kết hợp các phép biến đổi ..................................................................... 100
4.5.1. Kết hợp các phép tịnh tiến .............................................................. 100
4.5.2. Kết hợp các phép tỉ lệ ..................................................................... 102
4.5.3. Kết hợp các phép quay .................................................................... 104
4.5.4. Phép quay có tâm quay là điểm bất kỳ ........................................... 104
4.5.5. Phép tỉ lệ giữ nguyên điểm chốt ..................................................... 105
4.6. Phép biến đổi giữa các hệ tọa độ ........................................................... 106
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 4 ......................................................... 108
Hƣớng dẫn giải bài tập .................................................................................. 113
Chƣơng 5CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI HÌNH HỌC 3 CHIỀU ................................ 123
5.1. Giới thiệu đồ họa ba chiều ..................................................................... 123
5.1.1. Tổng quan về đồ họa ba chiều ........................................................ 123
5.1.2. Sơ lƣợc về quy trình hiển thị ........................................................... 124
5.1.3. Mô hình khung nối kết (Wireframe Model) ................................... 126
5.2. Một số khái niệm ................................................................................... 128
5.2.1. Phƣơng pháp biểu diễn điểm trong không gian 3 chiều. ................ 128
Đồ họa máy tính
iv
5.2.2. Phƣơng pháp biểu diễn sử dụng hệ tọa độ đồng nhất. .................... 129
5.2.3. Công thức biến đổi Affine. ............................................................. 130
5.2.4. Các hệ trục tọa độ theo quy ƣớc bàn tay phải và bàn tay trái ......... 131
5.3. Các phép biến đổi hình học 3 chiều cơ sở ............................................. 131
5.3.1. Phép tịnh tiến .................................................................................. 131
5.3.2. Phép biến đổi tỉ lệ ........................................................................... 132
5.3.3. Phép biến dạng ................................................................................ 133
5.3.4. Phép quay ........................................................................................ 134
5.3.5.Phép đối xứng. ................................................................................. 139
5.3.6 Kết hợp các phép biến đổi affine ba chiều....................................... 144
5.4. Các phép chiếu của vật thể trong không gian lên mặt phẳng ................ 144
5.4.1. Định nghĩa chung ............................................................................ 144
5.4.2. Phân loại phép chiếu ....................................................................... 145
5.4.3. Phép chiếu song song ...................................................................... 146
5.4.4. Phép chiếu phối cảnh (Perspective Projection) .............................. 154
5.5. Phép biến đổi mô hình và phép biến đổi hệ trục toạ độ ........................ 158
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 5 ............................................................. 160
Hƣớng dẫn giải bài tập ................................................................................. 168
Chƣơng 6MÀU SẮC TRONG ĐỒ HỌA ........................................................ 175
6.1. Ánh sáng đơn sắc ................................................................................... 175
6.1.1. Cƣờng độ sáng và cách tính ............................................................ 175
6.1.2. Hiệu chỉnh Gama ............................................................................ 176
6.2. Lý thuyết màu sắc trong đồ họa ............................................................ 182
6.2.1. Cảm nhận màu sắc .......................................................................... 182
6.2.2. Yếu tố vật lý .................................................................................... 184
6.2.3. Biểu đồ màu CIE............................................................................. 185
6.3. Giới thiệu về các hệ màu trong màn hình đồ họa .................................. 189
6.3.1. Mô hình màu RGB .......................................................................... 189
6.3.2.Mô hình màu CMY .......................................................................... 192
6.3.3. Mô hình màu YIQ ........................................................................... 193
6.3.4. Mô hình màu HSV .......................................................................... 194
Đồ họa máy tính
v
6.3.5. Mô hình màu HLS........................................................................... 196
6.3.6. Chuyển đổi giữa các hệ màu ........................................................... 197
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 6 ............................................................. 215
Hƣớng dẫn giải bài tập .................................................................................. 220