Tài liệu Nghiên cứu kỹ thuật hiển thị hình ảnh ba chiều

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VŨ THỊ MAI HƯƠNG GIANG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH BA CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2016 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VŨ THỊ MAI HƯƠNG GIANG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH BA CHIỀU Chuyên ngành Mã số : Khoa học máy tính : 60480101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS ĐỖ NĂNG TOÀN THÁI NGUYÊN - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, kết quả của luận văn hoàn toàn là kết quả của tự bản thân tôi tìm hiểu, nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn PGS.TS Đỗ Năng Toàn. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính pháp lý quá trình nghiên cứu khoa học của luận văn này. Thái Nguyên, 16 tháng 5 năm 2016 Học viên Vũ Thị Mai Hương Giang LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS. TS Đỗ Năng Toàn người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn. Con xin gửi lời cảm ơn Ba, Mẹ, anh chị em trong gia đình đã luôn bên con để ủng hộ, động viên và tạo mọi điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình con học tập và nghiên cứu làm luận văn. Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên, các thầy cô Viện Công nghệ thông tin đã truyền đạt những kiến thức và giúp đỡ em trong suốt quá trình học của mình. Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Đại học Y Dược Thái Nguyên, các đồng nghiệp và bạn bè đã tạo điều kiện thuận lợi cho học viên tham gia khóa học và quá trình hoàn thành luận văn. Thái Nguyên,16 tháng 5 năm 2016 Học viên Vũ Thị Mai Hương Giang MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ 3 LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. 4 DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... 6 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... 8 PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................. 1 CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HOẠ 3D VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ 3D . 3 1.1. Khái quát về kỹ thuật đồ hoạ 3D............................................................ 3 1.1.1. Đồ họa 3D là gì? ............................................................................. 3 1.1.2. Lịch sử phát triển ............................................................................ 3 1.1.3. Các kỹ thuật đồ họa ........................................................................ 5 1.1.4. Phần cứng đồ họa (Graphics HardWare) ......................................... 9 1.1.5. Các ứng dụng cơ bản của đồ họa 3D ............................................. 15 1.2. Bài toán hiển thị đối tượng 3D............................................................. 17 1.2.1. Phát biểu bài toán ứng dụng .......................................................... 17 1.2.2. Nguyên lý về 3D (three-Dimension) ............................................. 18 1.2.3. Đặc điểm của kỹ thuật đồ hoạ 3D ................................................. 18 1.2.4. Các phương pháp hiển thị 3D ....................................................... 19 CHƯƠNG 2 ................................................................................................... 21 MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3 CHIỀU .................... 21 2.1. Biểu diến dữ liệu 3D............................................................................ 21 2.1.1. Kỹ thuật biểu diễn bề mặt (Surface rendering - SR) ...................... 21 2.1.2. Kỹ thuật biểu diễn thể tích (volume rendering - VR) ................... 27 2.2. Hiển thị 3D .......................................................................................... 33 2.2.1. Kỹ thuật hiển thị Stereo ................................................................ 33 2.2.2. Kỹ thuật hiển thị hình ảnh thông qua phép chiếu .......................... 42 CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ......................................... 48 3.1. Bài toán ............................................................................................... 48 3.2. Phân tích, lựa chọn công cụ ................................................................. 48 3.2.1. Phân tích ....................................................................................... 48 3.2.2. Lựa chọn công cụ ......................................................................... 49 3.3. Chương trình thử nghiệm..................................................................... 56 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................... 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 63 DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1 Ảnh đồ hoạ điểm ................................................................................. 5 Hình 1. 2. Kỹ thuật đồ họa điểm ......................................................................... 6 Hình 1. 3. Mô hình đồ họa vector ....................................................................... 6 Hình 1. 4.Các thành phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác ................................... 9 Hình 1. 5. Cấu tạo màn hình CRT .................................................................... 10 Hình 1. 6. Tổ chức của bảng tra màu LUT (Look Up Table) ............................ 13 Hình 1. 7. Phép chiếu Stereo .......................................................................... 18 Hình 1. 8. Các cách mô tả đối tượng 3D .......................................................... 19 Hình 1. 9. Các góc nhìn khác nhau của mô hình 3D......................................... 19 Hình 1. 10. Các phương pháp hiển thị 3D ........................................................ 20 Hình 2. 1. Hình ảnh 3D được biểu diễn theo phương pháp SR ........................ 21 Hình 2. 2. Minh họa thuật toán Marching square ............................................ 22 Hình 2. 3. 16 trường hợp Marching Square ..................................................... 22 Hình 2. 4. Minh họa tạo bề mặt từ các đường viền .......................................... 23 Hình 2. 5. Xây dựng bề mặt theo giá trị của các đỉnh ...................................... 24 Hình 2. 6. Các trường hợp một mặt đi qua khối lập phương trong thuật toán Marching Cubes............................................................................................... 24 Hình 2. 7. Một trường hợp lỗi của Marching Cubes ........................................ 25 Hình 2. 8. Chia khối lập phương thành các khối tứ diện.................................. 26 Hình 2. 9. Hai trường hợp mặt phẳng đi qua khối tứ diện trong ...................... 26 Hình 2. 10. Minh họa thuật toán Dividing Cubes để vẽ đường trong mặt phẳng ......................................................................................................................... 26 Hình 2. 11. Minh họa thuật toán Dividing Cubes trong không gian ba chiều .. 27 Hình 2. 12. Hình ảnh 3D biểu diễn theo phương pháp VR ............................... 27 Hình 2. 13. Minh họa kỹ thuật object –order .................................................... 28 Hình 2. 14. Minh họa kỹ thuật image –order.................................................... 28 Hình 2. 15. Mô hình Blinn / Kajiya .................................................................. 30 Hình 2. 16. Sơ đồ tổng quan của rendering MIP.............................................. 32 Hình 2. 17. Tạo một cảnh 3D lập thể ............................................................... 34 Hình 2. 18. Kính Anaglyph 3D ......................................................................... 37 Hình 2. 19. Thiết bị Head - gắn kết .................................................................. 38 Hình 2. 20. Kính màu Anaglyph 3D.................................................................. 39 Hình 2. 21. Quá trình thu nhận ảnh của con người .......................................... 40 Hình 2. 22. Quan sát đối tượng bằng một mắt (mắt phải)................................. 41 Hình 2. 23. Dùng hai camera để tạo ra hai hình ảnh của đối tượng ................. 41 Hình 2. 24. Ví dụ minh họa các phép chiếu phối cảnh ...................................... 42 Hình 2. 25. Điểm triệt tiêu ................................................................................ 42 Hình 2. 26. Phép chiếu phối cảnh một tâm chiếu.............................................. 43 Hình 2. 27. Phép chiếu phối cảnh 2 tâm chiếu.................................................. 44 Hình 2. 28. Phép chiếu phối cảnh 3 tâm chiếu.................................................. 46 Hình 2. 29. Kính xem ảnh stereo cho người một mắt ........................................ 47 Hình 2. 30. Hiển thị stereo với người hai mắt................................................... 47 Hình 3. 1. Hình ảnh Stereo được hiển thị ......................................................... 59 Hình 3. 2. Hình ảnh Stereo khi xoay trái .......................................................... 59 Hình 3. 3. Hình ảnh Stereo khi xoay phải ......................................................... 60 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt 1 2D Two - dimensional Không gian hai chiều 2 3D Three - dimensional Không gian ba chiều 3 CPU Central Processing Unit Bộ xử lí trung tâm 4 GPU Graphic Processing Unit Bộ xử lí đồ họa 5 SR Surface rendering Biểu diễn bề mặt 6 VR Volum rendering Biểu diễn thể tích 7 CRT Cathode ray tube Màn hình CRT 8 MC Marching Cube s Thuật toán Marching Cubes MT Marching Tetrahedra 9 10 11 12 MIP MinIP LCD Phương pháp tạo bố cục cho projection ảnh Minimum intensity Phương pháp tạo bố cục cho projection ảnh Liquid Crystal Display Màn hình DICOM COmmunications in Medicine Standars 14 COP Tetrahedra Maximum intensity Digital Imaging and 13 Thuật toán Marching Centre Of Projection Tiêu chuẩn ảnh số và truyền thông trong y tế Tâm chiếu PHẦN MỞ ĐẦU Hiện nay, ngành công nghệ thông tin đang ngày càng xâm nhập vào mọi lĩnh vực của đời sống xã hội khi những ứng dụng tiến bộ của Tin học đang từng ngày làm cho mọi thứ trở nên hiện đại hơn và dễ sử dụng hơn. Cùng với đà phát triển đó, chúng ta cũng phải kể đến sự phát triển của công nghệ ba chiều, là một trong những công nghệ đang được sử dụng một cách phổ biến hiện nay, tức là những hình ảnh được dựng nên một cách sống động như thật với sự trợ giúp của các phần mềm đồ họa vi tính. Do nhu cầu của con người ngày càng tăng, việc mô phỏng thế giới thực là điều phải được thực hiện. Từ những ứng dụng thiết kế ba chiều phục vụ cho việc chế tạo máy móc thiết bị, xây dựng nhà ở công trình kiến trúc, đến các ứng dụng mô phỏng thử nghiệm tính năng trong công nghiệp chế tạo xe hơi, máy bay,…Điều này cho thấy công nghệ ba chiều không thể thiếu được đối với cuộc sống. Tuy nhiên, tất cả các kỹ thuật đó chỉ làm cho con người có cảm giác dường như cảnh đang xem là thực, con người vẫn không thể cảm nhận được chiều thứ ba của đối tượng. Hiển thị ba chiều hay còn gọi là hiển thị Stereo là một kỹ thuật biểu diễn một đối tượng trong thế giới ba chiều lên mặt phẳng hai chiều mà làm cho con người vẫn cảm nhận được chiều thứ ba của nó. Thông thường, để quan sát được các hình ảnh Stereo cần phải có các thiết bị phần cứng hỗ trợ như: Card màn hình hỗ trợ stereo, kính quan sát stereo, thiết bị Emitter truyền tín hiệu từ card màn hình đến kính quan sát. Trong lĩnh vực biểu diễn, hiển thị hình ảnh 3D có hai phần chính là tạo mô hình bề mặt (Modeling) và tạo sự chuyển động cho mô hình (Animation). Hiển thị hình ảnh ba chiều được coi là các bước khởi đầu cho hệ thống mô phỏng thực tại ảo, góp phần tạo nên hệ thống mô phỏng hoàn chỉnh. Ví dụ như nó có thể tạo ra hình ảnh ba chiều của phong cảnh rộng lớn, hình ảnh ba chiều của các đối tượng sống hoặc thậm chí hình ảnh ba chiều của vật thể chuyển động. Các mô hình cho ảnh ba chiều tổng hợp có thể hoàn toàn ảo, được tạo ra 1 trong một mô hình 3D trong máy tính,…Đây là một trong những lĩnh vực thu hút được sự quan tâm nhiều nhất của giới nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ thông tin trong mấy chục năm qua. Hiển thị hình ảnh ba chiều là đích hướng tới của các kỹ thuật công nghệ thông tin hiện đại nhằm giúp con người có thể tương tác một cách thân thiện với máy tính, lĩnh vực này cũng đang là một xu hướng tất yếu trong thời đại mới, bởi nó đã đáp ứng được những nhu cầu hết sức đa dạng của con người trong xã hội ngày nay. Từ những lý do trên cùng với gợi ý của Thầy hướng dẫn học viên đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3 chiều”. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Mô hình đối tượng 3D trong máy tính. - Phạm vi nghiên cứu: Đối tượng riêng lẻ hay đơn đối tượng. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu, tổng hợp tài liệu, phân tích, đánh giá các phương pháp. - Phương pháp thực nghiệm: xây dựng chương trình cụ thể để thử nghiệm, phân tích, đánh giá kết quả đạt được. Luận văn gồm ba phần chính: Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HOẠ 3D VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ 3D Chương này khái quát về đồ họa 3D, Nguyên lý về 3D và bài toán hiển thị đối tượng 3D. Chương 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3 CHIỀU Chương này giới thiệu về một số vấn đề trong hiển thị hình ảnh ba chiều, bao gồm việc biểu diễn dữ liệu 3D và hiển thị 3D. Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 2 CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HOẠ 3D VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ 3D Nội dung chính của chương sẽ trình bày khái quát về đồ họa ba chiều theo định hướng của đề tài và sơ lược bài toán hiển thị đối tượng 3D. 1.1. Khái quát về kỹ thuật đồ hoạ 3D 1.1.1. Đồ họa 3D là gì? Như nhiều người đã biết, 3 - D thực ra là tên viết tắt của từ 3 - Dimension (3 chiều). Kỹ thuật 3 - D mà người ta vẫn sử dụng một cách phổ biến hiện nay thường đi liền với khái niệm “đồ họa 3D” - tức là những hình ảnh được dựng nên một cách sống động như thật với sự trợ giúp của các phần mềm đồ họa vi tính. Mục đích chính của đồ họa 3D là tạo ra và mô tả các đối tượng, các mô hình trong thế giới thật bằng máy tính sao cho càng giống với thật càng tốt. Việc nghiên cứu các phương pháp các kỹ thuật khác nhau của đồ họa 3D cũng chỉ hướng đến một mục tiêu duy nhất đó là làm sao cho các nhân vật, các đối tượng, các mô hình được tạo ra trong máy tính giống như thật. 1.1.2. Lịch sử phát triển - Thập niên 1960 Lịch sử của đồ họa máy tính vào thập niên 1960 còn được đánh dấu bởi dự án Sketch Pad được phát triển tại học viện công nghệ Massachusetts (MIT) bởi Ivan Sutherland. Các thành tựu thu được đã được báo cáo tại hội nghị Fall joint Computer và đây cũng chính là sự kiện lần đầu tiên người ta có thể tạo mới, hiển thị và thay đổi được dữ liệu hình ảnh trực tiếp trên màn hình máy tính trong thời gian thực [1]. Hệ thống Sketch Pad này được dùng để thiết kế hệ thống mạch điện và bao gồm những thành phần sau:  CRT màn hình  Bút sáng và một bàn phím bao gồm các phím chức năng  Máy tính chứa chương trình xử lý các thông tin 3 Với hệ thống này, người sử dụng có thể vẽ trực tiếp các sơ đồ mạch điện lên màn hình thông qua bút sáng, chương trình sẽ phân tích và tính toán các thông số cần thiết của mạch điện do người dùng vẽ nên. - Thập niên 1970 Kỹ thuật đồ họa đươc liên tục hoàn thiện vào thập niên 1970 với sự xuất hiện của các chuẩn đồ họa làm tăng cường khả năng giao tiếp và tái sử dụng của phần mềm cũng như các thư viện đồ họa. - Thập niên 1980 Sự phát triển vượt bậc của công nghệ vi điện tử và phần cứng máy tính vào thập niên 1980 làm xuất hiện hàng loạt các vi mạch hỗ trợ cho việc truy xuất đồ họa đi cùng với sự giảm giá đáng kể của máy tính cá nhân làm đồ họa ngày càng đi sâu vào cuộc sống thực tế. - Thập niên 1990 Thập niên 90 phát triển đặc biệt về phần cứng, thiết bị hình học đồ họa Silicon. Xuất hiện các chuẩn công nghiệp: PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics Standard) xác định các phương pháp chuẩn cho các mô hình thời gian thực và lập trình hướng đối tượng. Giao diện người máy HumanComputer Interface (HCI) OpenGL API (Application Program Interface - giao diện chương trình ứng dụng). Completely computer-sinh ra ngành điện ảnh phim truyện (Toy Story) rất thành công. Các tiềm tàng phần cứng mới: Texture mapping (dán các ảnh của cảnh thật lên bề mặt của đối tượng), blending (trộn màu)…. - Thập niên 2000 đến nay Ảnh hiện thực, các cạc đồ hoạ cho máy tính (Graphics cards for PCs), game boxes and game players Công nghiệp phim ảnh nhờ vào đồ hoạ máy tính (Computer graphics becoming routine in movie industry): Maya (thế giới vật chất tri giác được)…. 4 1.1.3. Các kỹ thuật đồ họa 1.1.3.1. Kỹ thuật đồ hoạ điểm (Sample based - Graphics) - Các mô hình, hình ảnh của các đối tượng được hiển thị thông qua từng pixel (từng mẫu rời rạc) - Đặc điểm: Có thể thay đổi thuộc tính của từng điểm ảnh rời rạc. + Xoá đi từng pixel của mô hình và hình ảnh các đối tượng. + 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) + Tập hợp tất cả các pixel của grid cho chúng ta mô hình, hình ảnh đối tượng mà chúng ta muốn hiển thị. Hình 1. 1 Ảnh đồ hoạ điểm Phương pháp để tạo ra các pixel: - Phương pháp dùng phần mềm để vẽ trực tiếp từng pixel một. - Dựa trên các lý thuyết mô phỏng (lý thuyết Fractal, v.v) để xây dựng nên hình ảnh mô phỏng của sự vật. - Phương pháp rời rạc hoá (số hoá) hình ảnh thực của đối tượng. - Có thể sửa đổi (image editing) hoặc xử lý (image processing) mảng các pixel thu được theo những phương pháp khác nhau để thu được hình ảnh đặc trưng của đối tượng [1]. 5 Hình 1. 2. Kỹ thuật đồ họa điểm 1.1.3.2. Kỹ thuật đồ họa Vector Mô hình đồ họa Các tham số tô trát Tô trát Thiết bị ra Hình 1. 3. Mô hình đồ họa vector - Mô hình hình học (geometrical model) của đối tượng. - Xác định các thuộc tính của mô hình hình học này - Quá trình tô trát (rendering) để hiển thị từng điểm của mô hình, hình ảnh thực của đối tượng. So sánh giữa Raster và Vector Graphics. Đồ họa điểm (Raster Graphics) Đồ họa Vector (Vector Graphics) - Hình ảnh và mô hình của các vật thể - Không thay đổi thuộc tính của từng được biểu diễn bởi tập hợp các điểm điểm trực tiếp của lưới (grid) - Thay đổi thuộc tính của các pixel sẽ - Xử lý với từng thành phần hình học dẫn đến thay đổi từng phần và từng cơ sở của nó và thực hiện quá trình tô 6 vùng của hình ảnh. trát và hiển thị lại. - Copy được các pixel từ một hình ảnh - Quan sát hình ảnh và mô hình của này sang hình ảnh khác hình ảnh và sự vật ở nhiều góc độ khác nhau bằng cách thay đổi điểm nhìn và góc nhìn. 1.1.3.3. Phân loại của đồ họa máy tính (Phân loại theo hệ tọa độ) - Kỹ thuật đồ họa: + Kỹ thuật đồ họa 2 chiều + Kỹ thuật đồ họa 3 chiều - Kỹ thuật đồ họa 2 chiều: là kỹ thuật đồ họa máy tính sử dụng hệ tọa độ hai chiều (hệ tọa độ thẳng), sử dụng rất nhiều trong kỹ thuật xử lý bản đồ, đồ thị. - Kỹ thuật đồ họa 3 chiều: là kỹ thuật đồ họa máy tính sử dụng hệ tọa độ ba chiều, đòi hỏi rất nhiều tính toán và phức tạp hơn nhiều so với kỹ thuật đồ họa 2 chiều. - Các lĩnh vực của đồ họa máy tính: + Kỹ thuật xử lý ảnh (Computer Imaging): Sau quá trình xử lý ảnh cho ta ảnh số của đối tượng. Trong quá trình xử lý ảnh sử dụng rất nhiều các kỹ thuật phức tạp: Kỹ thuật khôi phục ảnh, kỹ thuật làm nối ảnh, kỹ thuật xác định biên ảnh. + Kỹ thuật nhận dạng (Pattern Recognition): từ những ảnh mẫu có sẵn ta phân loại theo cấu trúc, hoặc theo các tiêu chí được xác định từ trước và bằng các thuật toán chọn lọc để có thể phân tích hay tổng hợp các ảnh gốc, các ảnh gốc này được lưu trong một thư viện và căn cứ vào thư viện này ta xây dựng được các thuật giải phân tích và tổ hợp ảnh. + Kỹ thuật tổng hợp ảnh (Image Synthesis): là lĩnh vực xây dựng mô hình và hình ảnh của các vật thể dựa trên các đối tượng và mối quan hệ giữa chúng. + Các hệ CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacture System): kỹ thuật đồ họa tập hợp các công cụ, các kỹ thuật trợ giúp cho thiết kế 7 các chi tiết và các hệ thống khác nhau: hệ thống cơ, hệ thống điện, hệ thống điện tử... + Đồ họa minh họa (Presentation Graphics): gồm các công cụ giúp hiển thị các số liệu thí nghiệm một cách trực quan, dựa trên các mẫu đồ thị hoặc các thuật toán có sẵn. + Đồ họa hoạt hình và nghệ thuật: bao gồm các công cụ giúp cho các họa sĩ, các nhà thiết kế phim hoạt hình chuyên nghiệp làm các kỹ xảo hoạt hình, vẽ tranh...ví dụ: phần mềm Studio, 3D Animation, 3D Studio Max. 1.1.3.4. Các chuẩn giao diện của hệ đồ hoạ Mục tiêu căn bản của các chuẩn cho phần mềm đồ hoạ là đảm bảo tính tương thích. Khi các công cụ được thiết kế với hàm đồ hoạ chuẩn, phần mềm có thể được di chuyển một cách dễ dàng từ hệ phần cứng này sang hệ phần cứng khác và được dùng trong nhiều cài đặt và ứng dụng khác nhau. GKS (Graphics Kernel System): chuẩn xác định các hàm đồ hoạ chuẩn, được thiết kế như một tập hợp các công cụ đồ hoạ hai chiều và ba chiều. CGI (Computer Graphics Interface System): hệ chuẩn cho các phương pháp giao tiếp với các thiết bị ngoại vi. CGM (Computer Graphics Metafile): xác định các chuẩn cho việc lưu trữ và chuyển đổi hình ảnh. VRML (Virtual Reality Modeling Language): ngôn ngữ thực tại ảo, một hướng phát triển trong công nghệ hiển thị được đề xuất bởi hãng Silicon Graphics, sau đó đã được chuẩn hóa như một chuẩn công nghiệp. PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics Standard): xác định các phương pháp chuẩn cho các mô hình thời gian thực và lập trình hướng đối tượng. OPENGL thư viện đồ họa của hãng Silicon Graphics, được xây dựng theo đúng chuẩn của một hệ đồ họa năm 1993. DIRECTX thư viện đồ hoạ của hãng Microsoft, Direct X/Direct3D 1997. 8 1.1.4. Phần cứng đồ họa (Graphics HardWare) 1.1.4.1. Các thành phần phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác CPU: Thực hiện các chương trình ứng dụng. Bộ xử lý hiển thị (Display Processor): thực hiện công việc hiển thị dữ liệu đồ hoạ. Bộ nhớ hệ thống (System Memory): chứa các chương trình và dữ liệu đang thực hiện. Gói phần mềm đồ hoạ (Graphics Package): cung cấp các hàm đồ hoạ cho chương trình ứng dụng Phần mềm ứng dụng (Application Program): phần mềm đồ hoạ ứng dụng. Bộ đệm (Frame buffer): có nhiệm vụ chứa các hình ảnh hiển thị. Bộ điều khiển màn hình (Video Controller): điều khiển màn hình, chuyển dữ liệu dạng số ở frame buffer thành các điểm sáng trên màn hình. Hình 1. 4.Các thành phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác 1.1.4.2. Máy in Dot size: đường kính của một điểm in bé nhất mà máy in có thể in được Addressability: khả năng địa chỉ hoá các điểm in có thể có trên một đơn vị độ dài (dot perinch) Số lượng màu có thể vẽ trên một điểm: 9 Dot size Point per inch 8 - 20/ 100inch 200, 600 5/1000inch 1500 Máy vẽ 6,15/1000 inch 1000, 2000 1.1.4.3. Màn hình (monitor - display) Màn hình là một thiết bị hoàn chỉnh dùng để hiển thị hình ảnh theo yêu cầu bao gồm tất cả những mạch phụ trợ cần thiết bên trong. Cấu tạo chính gồm có bộ phận kiểm soát (Monitor) và màn hiển thị hình (Display). Ở các màn hình thông dụng CRT (Cathode Ray Tube display) sử dụng bộ phận hiển thị dùng đèn ống phóng tia âm cực CRT(còn gọi là ống tia âm cực) là bộ phận chính của màn hình, CRT có cấu tạo chính là một ống thuỷ tinh kín chứa khí trơ ở áp suất thấp. Một đầu ống có gắn súng điện tử (Electron gun) là cực âm (Cathode). Khi súng điện tử được đốt nóng, ở điện áp cao (khoảng 15000-:-20000V), nó sẽ phát ra chùm điện tử. Chùm điện tử sẽ chạy suốt chiều dài ống, chịu sự điều khiển của các mạch điện bên ngoài và bị hút về cực dương (Anode) ở đầu kia của ống, cuối cùng đập mạnh lên màn hình huỳnh quang phủ photpho tạo ra một chấm sáng màn hiển thị hình. Đối với các màn hình màu thì các chấm phát sáng này được cấu tạo bởi một bộ ba điểm màu RGB. Âm cực Hệ điều chỉnh tiêu điểm Súng điện tử màn hiển thị hình phủ phot pho (bộ ba điểm màu RGB) Hình 1. 5. Cấu tạo màn hình CRT 10 Ngay sát màn hiển thị hình, về phía súng điện tử là một mặt nạ che (shadow). Đó là một tấm kim loại được khoan thủng nhiều lỗ để giúp các tia điện tử bắn vào đúng vị trí. Như vậy, ba chùm tia điện tử chỉ bắn vào một điểm trên màn hiện hình. Có ba súng điện tử ứng với ba màu cơ bản là Đỏ, Lục và Xanh Lam (Red. Green, Blue). Thường có hai kiểu bố trí súng điện tử: tam giác và hàng ngang. Đối diện với súng, ở cuối đường đi của chùm tia điện tử là màn hiển thị hình. Đó là một màn thủy tinh hình chữ nhật, mặt trong có quét một lớp bột Photpho còn gọi là bột huỳnh quang. Ở màn hình đơn sắc, lớp photpho có một loại nên khi chùm tia điện tử đập vào chỉ phát sáng một màu. Đối với màn hình màu, mặt trong màn hiển thị hình gồm nhiều bộ ba điểm màu, ba chấm photpho khác loại nên sẽ phát sáng theo ba màu khác nhau: Đỏ, Lục và Xanh lam. Khi thay đổi cường độ sáng của ba màu cơ bản này sẽ làm màu tổ hợp của bộ ba điểm màu này thay đổi theo. Ta cũng cần chú ý rằng, màn hình hiển thị là một tấm thuỷ tinh có quét lớp huỳnh quang (Photpho) bên trong nên có phản xạ các nguồn sáng bên ngoài giống như gương soi, sẽ gây mỏi mắt nếu ta nhìn lâu. Phần tử nhỏ nhất của một hình được hiển thị là pixel hay còn gọi là điểm ảnh. Ở độ nét tốt nhất, điểm ảnh trên màn hình màu là một bộ ba điểm màu photpho, mỗi điểm màu trong bộ ba này sẽ phát ra một màu khác nhau khi có tia điện tử đập vào. Ở độ nét thấp, một điểm ảnh có thể gồm vài ba điểm ảnh. Độ hội tụ (convergence) được dùng đánh giá độ nét màn hình, độ hội tụ kém có thể nhận biết được khi các hình ảnh trên màn hình có đường viền nhiều màu sắc bao quanh. Mặt nạ che đã giúp các chùm tia điện tử hội tụ đúng chỗ. Ngoài ra còn có hệ điều chỉnh tiêu điểm (system focusing) để điều chỉnh độ hội tụ.Trong quá trình máy tính hoạt động, chùm điện tử không đứng yên một chỗ mà được lấy từ trái sang phải (quét ngang) hoặc từ trên xuống dưới (quét dọc) với tốc độ quét 11 cực nhanh làm cho chúng ta nhìn thấy dường như toàn màn hình đang sáng lên cùng một lúc, các điểm ảnh hiện lên màu khác nhau tạo ra hình ảnh trên màn hình. Phổ biến đối với các thiết bị màn hình là lái tia bằng từ trường. Thành phần cơ bản của bộ lái tia từ trường là các nam châm điện nằm đối diện nhau ở cổ CRT gọi là cuộn lái tia (Deflection Yoke). Khi cho các xung dòng điện răng cưa chạy vào các cuộn dây này, trong ống sẽ hình thành các từ trường tác dụng lên chùm điện tử, làm cho chúng bị lệch hướng chuyển động. Tùy loại màn hình CRT mà việc quét ngang theo các tần số dòng khác nhau, tức là số dòng quét được trong mỗi giây sẽ khác nhau. Các dòng quét lần lượt được rải từ trên xuống dưới màn hình để tạo nên một mành, do tác dụng của các từ trường quét dọc. Số mành tạo nên trong mỗi giây đồng hồ gọi là tần số mành (Vertical frequency) hay tần số quét đứng, có đơn vị là Héc (Hertz) được ký hiệu là HZ. Tần số quét mành là một yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng màn hình. Nếu tần số mành dưới 70 Hz có thể gây ra hiện tượng rung giật hình (flicker) đặc biệt là trong môi trường chiếu sáng của đèn huỳnh quang, làm nhức mắt và đau đầu cho người dùng. Độ phân giải là một chỉ tiêu rất quan trọng vì nó cho biết độ sắc nét mà một màn hiển thị hình có thể biểu hiện được các chi tiết của hình ảnh. Thông thường độ phân giải được biểu hiện bằng số lượng các điểm ảnh, ví dụ: “độ phân giải "800x600” có nghĩa là màn hình có thể hiển thị được 800 điểm ảnh trên chiều ngang và 600 điểm ảnh theo chiều dọc. Đối với màn hình CRT hoạt động ở độ phân giải cao nhất thì điểm ảnh là một cụm ba điểm photpho màu cơ bản. Súng điện tử sẽ bắn tia điện tử vào đúng một điểm photpho thích hợp của nó, làm phát sáng cụm ba này với độ sáng nào đấy, tạo nên một điểm ảnh có màu chính xác. Một đại lượng đo khác rất quan trọng đối với sắc nét của màn hình là bước chấm (dot pitch). Bước chấm là khoảng cách giữa các điểm ảnh tính theo milimét. Thông thường các bước chấm 12