Tài liệu Nghiên cứu kỹ thuật số hóa hiện vật sử dụng công nghệ 3d

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐINH THỊ HƯƠNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT SỐ HÓA HIỆN VẬT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ 3D LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu kỹ thuật số hóa hiện vật sử dụng công nghệ 3D” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi tìm hiểu, nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của PGS.TS ĐỖ NĂNG TOÀN. Các kết quả là hoàn toàn trung thực, toàn bộ nội dung nghiên cứu của luận văn, các vấn đề được trình bày đều là những tìm hiểu và nghiên cứu của chính cá nhân tôi hoặc là được trích dẫn từ các nguồn tài liệu được trích dẫn và chú thích đầy đủ. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Đinh Thị Hương ii LỜI CẢM ƠN Học viên xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô giáo Viện công nghệ thông tin, các thầy cô giáo Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã mang lại cho học viên kiến thức vô cùng quý giá và bổ ích trong suốt quá trình học tập chương trình cao học tại trường. Đặc biệt học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS ĐỖ NĂNG TOÀN đã định hướng khoa học và đưa ra những góp ý, gợi ý, chỉnh sửa quý báu, quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận văn này. Cuối cùng, học viên xin chân thành cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp, gia đình và người thân đã quan tâm, giúp đỡ và chia sẻ với học viên trong suốt quá trình học tập. Do thời gian và kiến thức có hạn nên luận văn chắc không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Học viên rất mong nhận được những sự góp ý quý báu của thầy cô và các bạn. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2016 HỌC VIÊN Đinh Thị Hương MỤC LỤC iii LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC .................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................... v MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TOÁN SỐ HÓA HIỆN VẬT ............................................................................................................................ 3 1.1 Khái quát về đồ họa 3D ........................................................................................ 3 1.1.1 Đồ họa 3D ......................................................................................................... 3 1.1.2 Các kỹ thuật đồ họa ........................................................................................... 6 1.1.2.1 Kỹ thuật đồ hoạ điểm (Sample based-Graphics) ........................................... 6 1.2.2.2 Kỹ thuật đồ họa Vector .................................................................................. 8 1.1.3 Các chuẩn giao diện của hệ đồ hoạ. ................................................................ 10 1.1.4 Phầ n mề m đồ hoa ̣ (Graphics Software). ......................................................... 10 1.1.5 Phầ n cứng đồ hoa ̣ (Graphics Hardware) ......................................................... 12 1.1.6 Các ứng dụng cơ bản của đồ hoạ 3D .............................................................. 13 1.2 Bài toán số hóa hiện vật 3D ............................................................................... 14 1.2.1 Giới thiệu bài toán số hóa .............................................................................. 14 1.2.2 Quy trình số hóa .............................................................................................. 17 1.2.3 Ưu điểm và hạn chế................................................................................ 18 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT SỐ HÓA 3D ................................................ 20 2.1 Các da ̣ng hinh ho ̣c cơ bản .................................................................................. 20 ̀ 2.1.1 Shape ............................................................................................................... 20 2.1.2 Cube ................................................................................................................ 20 2.1.3 Cylinder ........................................................................................................... 20 2.1.4 Cone ................................................................................................................ 21 2.1.5 Sphere .............................................................................................................. 21 2.1.6 Ưu và nhược điểm ........................................................................................... 22 2.2 Kỹ thuật sử dụng máy quét 3 chiều .................................................................... 22 2.2.1 Khái niệm máy quét 3 chiều............................................................................ 22 2.2.2 Ý tưởng........................................................................................................... 24 iv 2.2.3 Sử dụng máy quét với Planmeca Romexis ..................................................... 24 2.3 Kỹ thuật sử dụng phần mề m chuyên dụng ......................................................... 25 2.4 Kỹ thuật Marching cubes .................................................................................. 28 2.4.1 Ý tưởng ............................................................................................................ 28 2.4.2 Cách thức thực hiện ........................................................................................ 29 2.4.3 Ưu và nhược điểm của thuật toán Marching Cubes ....................................... 33 2.5 Kỹ thuật Shear-warp ........................................................................................... 34 2.5.1 Ý tưởng ............................................................................................................ 34 2.5.2 Cách thức thực hiện ......................................................................................... 34 2.5.3 Ưu và nhược điểm .......................................................................................... 37 2.6 Các phương pháp biểu diễn bề mặt đa giác trong 3D ........................................ 37 2.6.1 Bề mặt đa giác ................................................................................................. 37 2.6.1.1 Biểu diễn lưới đa giác .................................................................................. 38 2.6.1.2 Phương trình mặt phẳng ............................................................................... 41 2.6.2 Đơn giản bề mặt - Thuật toán “độ đo sai số bậc hai QEM” (Quadric Error Metric) ...................................................................................................................... 44 2.6.2.1 Một số khái niệm và giả thiết ban đầu của thuật toán .................................. 45 2.6.2.2 Ý tưởng và các bước của thuật toán ............................................................ 50 2.6.2.3 Kiểm tra tính toàn vẹn .................................................................................. 52 CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM .................................................. 54 3.1 Bài toán xây dựng phòng truyền thống ảo trường THPT chuyên tỉnh Bắc Kạn.54 3.2 Phân tích và lưa ̣ cho ̣n công cu............................................................................ 54 ̣ 3.2.1 Số hóa .............................................................................................................. 54 3.2.2 Đặc tả yêu cầu ................................................................................................ 55 3.2.3 Mô hình ca sử dụng ......................................................................................... 55 3.2.4 Mô tả các ca sử dụng và tác nhân tương ứng ................................................. 55 3.2.5 Về công cụ ...................................................................................................... 59 3.3 Kết quả thử nghiệm ............................................................................................ 59 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 65 Tiếng Việt ................................................................................................................. 65 v Tiếng Anh ................................................................................................................. 65 Internet ............................................................................................................ 66 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 William Fetter kĩ thuật đồ họa máy tính năm 1960. ................................... 3 Hình 1.2 William Fetter xây dựng mô hình buồng lái máy bay cho hãng Boeing. .. 4 vi Hình 1.3 Bề mặt được chiếu sáng bởi cả hai loại nguồn sáng. .................................. 6 Hình 1.4. Ảnh đồ hoạ điểm. ....................................................................................... 7 Hình 1.5.Kỹ thuật đồ hoạ điểm. ................................................................................. 7 Hình 1.6. Mô hình đồ hoạ vector. .............................................................................. 8 Hình 1.7. Ví dụ về đồ hoạ vector. .............................................................................. 9 Hình 1.8. Giao diện phần mềm 3Ds Max. ............................................................... 11 Hình 1.9. Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D ......................... 11 Hình 1.10 Các thành phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác. ...................................... 12 Hình 1.11 Các ứng dụng của kỹ thuật đồ hoạ. ........................................................ 14 Hình 1.12 Số hóa tài liệu .......................................................................................... 15 Hình1.13 Quy trình số hóa ....................................................................................... 17 Hình 2.1. Đinh nghiã cá c thà nh phầ n củ a mô ̣t Cube 3D. ......................................... 20 ̣ Hình 2.2 Đinh nghiã cá c thà nh phầ n củ a mô ̣t Cylinder 3D. .................................... 21 ̣ Hình 2.3. Đinh nghiã cá c thà nh phầ n củ a mô ̣t Cone 3D. ......................................... 21 ̣ Hình 2.4 Đinh nghiã cá c thà nh phầ n củ a mô ̣t Sphere 3D. ....................................... 22 ̣ Hình 2.5 Máy quét 3 chiều ....................................................................................... 23 Hình 2.6 Số hóa hiện vật 3D dựa vào phần mềm..................................................... 28 Hình 2.7 Chọn một tế bào từ khối dữ liệu ................................................................ 29 Hình 2.8 So sánh giá trị tại đỉnh với isovalue ......................................................... 30 Hình 2.9Đánh dấu những đỉnh nằm trong mặt phẳng .............................................. 30 Hình 2.10 Xây dựng bề mặt theo giá trị của các đỉnh .............................................. 30 Hình 2.11 Các trường hợp đối xứng......................................................................... 31 Hình 2.1215 trường hợp sau khi đã giản ước ........................................................... 31 Hình 2.13 Tạo chỉ số cho các đỉnh và cạnh ............................................................. 31 Hình 2.14 Nội suy tính vị trí đỉnh của tam giác ...................................................... 32 Hình 2.15Hai mặt giao nhau tạo ra lỗ. ..................................................................... 32 Hình 2.16 Những mặt khác nhau của cùng một trường hợp .................................... 33 Hình 2.17 Minh họa thuật toán Shear-warp. ........................................................... 34 Hình 2.18 Các lát cắt của khối dữ liệu được dịch chuyển ........................................ 35 Hình 2.19 Ma trận xem ........................................................................................... 36 Hình. 2.20 Lưới đa giác xác định bằng các chỉ số trong danh sách các đỉnh .......... 39 vii Hình 2.21 Lưới đa giác xác định bởi danh sách các cạnh cho mỗi đa giác ( λ biểu diễn giá trị rỗng). ...................................................................................................... 40 Hình 2.22 Biểu diễn mặt cầu bằng lưới đa giác ....................................................... 41 Hình 2.23 Một vật thể gồm nhiều khối hộp đặt sát nhau được giảm thiểu theo 2 cách........................................................................................................................... 46 Hình 2.24 Đơn giản hóa bề mặt ............................................................................... 47 Hình 2.25 Sau khi loại bỏ một cặp thì xuất hiện 1 mặt bị ngược............................. 52 Hình 2.26 Giải pháp của QEM ................................................................................ 52 Hình 3.1 Ảnh phòng trưng bày ảo nhìn từ ngoài vào.............................................. 60 Hình 3.2 Ảnh một góc phòng trưng bày ảnh cán bộ lãnh đạo, tiêu biểu. ............... 61 Hình 3.3 Ảnh phòng trưng bày 3D các hiện vật bàn ghế, cờ thi đua, ti vi... ......... 61 Hình 3.4 Ảnh phòng trưng bày với các hiện vật nhìn từ trong ra ngoài. ................ 62 Hình 3.5. Ảnh góc phòng trưng bày ......................................................................... 62 DANH MỤC CÁC BẢNG Bả ng 1.1. Đồ hoạ điểm và đồ hoạ vector ................................................................... 9 Bảng 2.1. Phần mềm hình ảnh Planmeca Romexis®: ............................................. 26 Bả ng 2.2. Cài đặt phầ n mề m .................................................................................... 27 viii 1 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây việc sử dụng nhập vai trong thực tại ảo là một xu hướng công nghệ tương đối mới và thích thú của cộng đồng nghiên cứu và phát triển khoa học, quân sự và công nghiệp. Tuy nhiên như các công nghệ VR chính thức, nghiên cứu được mở rộng trong quân sự, khoa học và áp dụng vào nhiều lĩnh vực như giáo dục, nghệ thuật, văn hóa.... Nghiên cứu công nghệ thực tại ảo trong bảo tàng, tái tạo không gian cổ xưa giúp người dùng có cái nhìn trực quan hơn, gìn giữ phát huy những giá trị tốt đẹp của nhân loại, hay những bài toán trong công nghiệp áp dụng công nghệ 3D có thể tạo ra các sản phẩm có hình dạng phức tạp, giá thành rẻ mà trước đây chỉ thủ công mới làm được. Ứng dụng công nghệ thực tại ảo khối công việc được chia làm hai mảng chính là: Mô hình hóa và điều khiển. Để có một ứng dụng tốt, đẹp mắt và chân thực nhiệm vụ mô hình hóa là việc hết sức quan trọng nó là bước được đánh giá còn quan trọng hơn nhiều so với việc lập trình điều khiển, nhất là đối với những ứng dụng đòi hỏi độ chân thực cao như trong lĩnh vực bảo tàng hay những lĩnh vực liên quan đến bảo tồn lưu trữ. Nó đòi hỏi độ chính xác cao về kích thước và hình dáng, màu sắc... Học viên nhận thấy công việc mô hình hóa hay số hóa các đối tượng 3D là rất quan trọng vì vậy luận văn lựa chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật số hóa hiện vật sử dụng công nghệ 3D” nhằm hệ thống hóa các quy trình, các phương pháp số hóa hiện vật thông dụng nhất hiện nay đồng thời nghiên cứu cũng nhằm đạt kết quả của mô hình có thể sử dụng cho các ứng dụng tiếp theo đảm bảo yêu cầu về thời gian thực trong các ứng dụng thực tại ảo. Cấu trúc của luận văn bao gồm “Phần mở đầu”, “Phần kết luận” và ba chương nội dung, cụ thể: Chương 1: “Khái quát về đồ họa 3D và bài toán số hóa hiện vật”. Nội dung chính của “Chương 1” là những vấn đề cơ bản về đồ họa 3D, đồng thời cũng nêu lên bài toán số hóa hiện vật vai trò của nó trong các ứng dụng thực tại ảo. 2 Chương 2: “Một số kỹ thuật số hóa 3D”. Đây là nội dung chính của luận văn, nó tập trung trình bày các phương pháp số hóa 3D, các vấn đề liên quan đến xử lý để tối ưu hóa mô hình để cho kết quả tốt về bề mặt cũng như đảm bảo tốc độ tính toán . Chương 3:“Chương trình thử nghiệm”. Đây là chương học viên trình bày kết quả thử nghiệm số hóa Phòng truyền thống của Trường THPT Chuyên Bắc Kạn. Đây là một sản phẩm thể hiện những kết quả đã được trình bày, tổng hợp trong luận văn. 3 CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TOÁN SỐ HÓA HIỆN VẬT 1.1 Khái quát về đồ họa 3D 1.1.1 Đồ họa 3D Đồ họa máy tính là một lĩnh vực nghiên cứu về cơ sở toán học, các thuật toán cũng như các kĩ thuật để cho phép tạo, hiển thị và điều khiển hình ảnh trên màn hình máy tính. Đồ họa máy tính có liên quan ít nhiều đến một số lĩnh vực như đại số, hình học giải tích, hình học họa hình, quang học,... và kĩ thuật máy tính, đặc biệt là chế tạo phần cứng (các loại màn hình, các thiết bị xuất, nhập, các vỉ mạch đồ họa...). Theo nghĩa rộng hơn, đồ họa máy tính là phương pháp và công nghệ dùng trong việc chuyển đổi qua lại giữa dữ liệu và hình ảnh trên màn hình bằng máy tính. Đồ họa máy tính hay kĩ thuật đồ họa máy tính còn được hiểu dưới dạng phương pháp và kĩ thuật tạo hình ảnh từ các mô hình toán học mô tả các đối tượng hay dữ liệu lấy được từ các đối tượng trong thực tế. Thuật ngữ "đồ họa máy tính" (computer graphics) được đề xuất bởi một chuyên gia người Mĩ tên là William Fetter vào năm 1960. Khi đó ông đang nghiên cứu xây dựng mô hình buồng lái máy bay cho hãng Boeing. Hình 1.1 William Fetter kĩ thuật đồ họa máy tính năm 1960 William Fetter đã dựa trên các hình ảnh 3 chiều của mô hình người phi công trong buồng lái để xây dựng nên mô hình buồng lái tối ưu cho máy bay Boeing. Đây là phương pháp nghiên cứu rất mới vào thời kì đó. Phương pháp này cho phép các nhà 4 thiết kế quan sát một cách trực quan vị trí của người lái trong khoang buồng lái. William Fetter đã đặt tên cho phương pháp của mình là computer graphics... Hình 1.2 William Fetter xây dựng mô hình buồng lái máy bay cho hãng Boeing Hệ đồ họa bao giờ cũng có hai thành phần chính đó là phần cứng và phần mềm [3]. Phần cứng gồm thiết bị hiển thị và nhập dữ liệu, … Phần mềm gồm công cụ lập trình và các trình ứng dụng đồ họa. Công cụ lập trình cung cấp tập các hàm đồ họa có thể được dùng trong các ngôn ngữ lập trình cấp cao như C, Pascal, ... Các hàm cơ sở của đồ hoạ bao gồm việc tạo đối tượng cơ sở của hình ảnh như đoạn thẳng, đa giác, đường tròn, …, thay đổi màu sắc, chọn khung nhìn, áp dụng các phép biến đổi, …Ứng dụng đồ họa được thiết kế cho những người dùng không phải là lập trình viên tạo được đối tượng, hình ảnh, … mà không cần quan tâm tới việc chúng được tạo ra như thế nào. Ví dụ như là Photoshop, AutoCAD, … 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 [5]. Bề mặt đối tượng có thể được xây dựng bởi 5 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 3D Có hai phương pháp biểu diễn tượng ba chiều là phương pháp biểu diễn bề mặt B-reps (Boundary representations) và biểu diễn theo phân hoạch không gian (spacepartitioning representation). Phương pháp B-reps mô tả đối tượng bằng một tập hợp các bê mặt giới hạn phần bên trong của đối tượng với môi trường bên ngoài. Thông thường ta xấp xỉ các bề mặt phức tạp bời các mảnh nhỏ hơn gọi là các mặt vá (patch). Các mảnh này có thể là các đa giác hoặc các mặt cong. Phương pháp phân hoạch không gian thường dùng để mô tả các thuộc tính bên trong của đối tượng. + Các phép biến đổi hình học: Khi ta áp dụng một dãy các phép biến đổi hình học ta có thể tạo ra nhiều phiên bản của cùng một đối tượng. Do đó ta có thể quan sát vật thể ở nhiều vị trí, nhiều góc độ khác nhau và cảm nhận của chúng ta về các hình vẽ ba chiều sẽ trực quan hơn, sinh động hơn. Các phép biến đổi thường sử dụng là phép tịnh tiến, phép quay, phép biến dạng. Các phép biến đổi được mô tả bằng các ma trận. Ma trận của mỗi phép biến đổi có dạng khác nhau. + Vấn đề chiếu sáng (illumination) Tác dụng của việc làm này là làm cho đối tượng trong máy tính giống với vật thể mà ta nhìn trong thế giới thực. Để thực hiện công việc này ta cần các mô hình tạo sáng. Vật thể được chiếu sáng nhờ vào các ánh sáng đến từ nguồn sáng sau khi phản xạ nhiều lần qua các vật thể xung quanh vật thể ta đang quan sát. Do vậy ánh sáng đến được vật là ánh sáng tổ hợp từ khắp mọi hướng, ta gọi là ánh sáng xung quanh (ambient light) hay ánh sang nền (background light). Trên các bề mặt có hai loại hiệu ứng phát sáng là khuếch tán (diffuse light - ánh sáng phát đi theo mọi hướng) và phản xạ gương (specular light). 6 Nguồn sáng tự phát Nguồn sáng phản xạ Mặt người Hình 1.3 Bề mặt được chiếu sáng bởi cả hai loại nguồn sáng + Vấn đề tạo bóng (Shading) Để tạo bóng, có thể ứng dụng các mô hình xác định cường độ sáng theo nhiều kiểu khác nhau tùy thuộc bài toán cụ thể. Đối với các vật có bề mặt phẳng ta có thể chỉ cần tính một cường độ sáng chung cho một bề mặt là có thể hiển thị đối tượng tương đối thật. Các vật có bề mặt cong ta phải tính cường độ sáng cho từng pixel trên bề mặt của nó. Để tăng tốc độ ta có thể xấp xỉ các mặt cong bởi một tập hợp các mặt phẳng. Với mỗi mặt phẳng này ta có thể áp dụng mô hình cường độ không đổi (Flat shading) hoặc cường độ nội suy (Gouraud shading, Phong shading) để tạo bóng. + Trực quan hóa (Visualization) Trực quan hóa trong đồ họa máy tính là sử dụng máy tính để tính toán dữ liệu sau đó sử dụng đồ họa máy tính, đặc biệt là đồ họa 3D để minh họa, biểu diễn dữ liệu thành những hình ảnh mà con người có thể hiểu được dễ dàng và giúp cho con người có thể tương tác với dữ liệu. Dữ liệu đó có thể là các dữ liệu phát sinh do mô phỏng hoặc do đo đạc trong thực tế. Kết quả biểu diễn phải biểu diễn chính xác tính chất của tập dữ liệu. 1.1.2 Các kỹ thuật đồ họa 1.1.2.1 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) 7 - Đặc điểm: Có thể thay đổi thuộc tính + 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 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 1.4. Ảnh đồ hoạ điểm Hình 1.5.Kỹ thuật đồ hoạ điểm 8 - 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. 1.2.2.2 Kỹ thuật đồ họa Vector Đồ họa vector sử dụng các đối tượng hình học cơ bản như điểm, đường thẳng, đường cong hoặc đa giác, đường tròn, elip dựa vào các công thức toán học để biểu diễn hình học. Đồ họa vector dựa trên các hình ảnh được tạo bởi các vector (còn được gọi là các đường hoặc nét) được định nghĩa bằng các điểm điều khiển. Mỗi điểm đều có tọa độ x và y trên mặt phẳng làm việc và hướng của vector (còn gọi là track). Mỗi track có thể được gán cả màu sắc, hình dáng, độ dày nét và nền tô bên trong hình. Ảnh vector khi zoom to không bị nứt nét hoặc nhòe và không ảnh hưởng đến kích thước của file dữ liệu bởi vì các thông tin được lưu dưới dạng cấu trúc chứ không phải điểm ảnh như đồ họa mành (raster graphics). Khi in ấn, các file đồ họa vector được in dưới dạng ảnh bitmap sau khi chuyển từ dạng vector sang bitmap. Các phần mềm CAD đều dùng đồ họa vector. Hình 1.6. Mô hình đồ hoạ vector 9 - Mô hình hình học cho mô hình hoặc hình ảnh 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. Có thể định nghĩa đồ hoạ vector: Đồ hoạ vector = geometrical model + rendering. Đồ hoạ điểm (Raster Graphics) - Hình ảnh và mô hình của các vật Đồ hoạ vector (Vector Graphics) - Không thay đổi thuộc tính của thể được biểu diễn bởi tập hợp các từng điểm trực tiếp điểm của lưới (grid) - Xử lý với từng thành phần hình - Thay đổi thuộc tính của các pixel học cơ sở của nó và thực hiện quá trình => thay đổi từng phần và từng vùng tô trát và hiển thị lại. của hình ảnh. - Quan sát hình ảnh và mô hình của - Copy được các pixel từ một hình hình ảnh và sự vật ở nhiều góc độ khác ảnh này sang hình ảnh khác. nhau bằng cách thay đổi điểm nhìn và góc nhìn. Bả ng 1.1. Đồ hoạ điểm và Đồ hoạ vector Ví dụ về hình ảnh đồ hoạ Vector Hình 1.7. Ví dụ về đồ hoạ vector 10 1.1.3 Các chuẩn giao diện của hệ đồ hoạ Mục tiêu căn bản của phần mềm đồ hoạ được chuẩn là 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. GKS Functional Description, ANSI X3.124 - 1985.GKS - 3D Functional Description, ISO Doc #8805:1988. 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. PHIGS Functional Description, ANSI X3.144 - 1985.+ Functional Description, 1988, 1992. 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. 1.1.4 Phầ n mề m đồ hoa ̣ (Graphics Software) * 3Ds Max. Autodesk® 3ds Max® đã từng được biết đến với tên 3D Studio MAX là một phần mềm đồ họa vi tính ba chiều (3D graphics application) của công ty Autodesk Media & Entertainment, hoạt động trên hệ điều hành Windows Win32 hoặc Win64. Phiên bản của 3ds Max vào năm 2006 là 3ds Max 9. 11 Hình 1.8. Giao diện phần mềm 3Ds Max Hình 1.9. Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D * Thư viện xử lý đồ họa OpenGL OpenGL là một tiêu chuẩn kỹ thuật đồ họa nhằm mục đích tạo ra một giao diện lập trình ứng dụng đồ họa 3D được phát triển đầu tiên bởi Silicon Graphic, Inc. OpenGL đã trở thành một chuẩn công nghiệp và các đặc tính kỹ thuật của OpenGL do Uỷ ban kỹ thuật ARB. OpenGL cho phép phát triển các ứng dụng đồ họa sử dụng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau như C/C++, Java, Delphi, v.v…, tuy