Tài liệu Nghiên cứu một số kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3d từ hình chiếu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ---------------- ĐỖ THÁI HÒA NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU Tiếng anh: (A number of technical studies show 3D images from the slideshow) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ---------------- ĐỖ THÁI HÒA NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU Tiếng anh: (A number of technical studies show 3D images from the slideshow) Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Đỗ Năng Toàn Thái Nguyên - 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................................................................ i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT................................................................... ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................................................... iii PHẦN MỞ ĐẦU ...............................................................................................................................................1 Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ HÌNH ẢNH........ 3 1.1. Khái quát về đồ họa 3D ...............................................................................................................3 1.1.1. Lịch sử phát triển ....................................................................................................................3 1.1.2. Các kỹ thuật đồ họa ...............................................................................................................4 1.1.2.1. Kỹ thuật đồ hoạ điểm (Sample based-Graphics) .......................................4 1.1.2.2. Kỹ thuật đồ họa Vector ..............................................................................................5 1.1.2.3. Các chuẩn giao diện của hệ đồ hoạ .....................................................................6 1.1.3. Phần cứng đồ họa (Graphics HardWare) ................................................................7 1.1.3.1. Các thành phần phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác .................................7 1.1.3.2. Máy in...................................................................................................................................7 1.1.3.3. Màn hình (monitor-display) ....................................................................................8 1.1.3.4. Bảng tra màu LUT (Look Up Table) .............................................................. 11 1.1.3.5. Sự kết nối giữa hệ thống máy tính với các thiết bị hiển thị ............... 13 1.2. Hiển thị hình ảnh 3D .................................................................................................................. 15 1.2.1.Nguyên lý về 3D (three-Dimension) ......................................................................... 15 1.2.2. Đặc điểm của kỹ thuật đồ hoạ 3D .............................................................................. 15 1.2.3. Các phương pháp hiển thị 3D ....................................................................................... 16 1.2.4. Tái tạo cấu trúc ba chiều từ các hình chiếu .......................................................... 16 Chƣơng 2: KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU ............................. 19 2.1. Biểu diễn bề mặt (surface rendering – SR) .................................................................. 19 2.2. Biểu diễn thể tích (volume rendering – VR) ............................................................... 26 Chƣơng 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM............................................................................... 34 3.1. Các công cụ ..................................................................................................................................... 34 3.2. Chương tr ình cài đặt................................................................................................................... 39 3.3. Một số cửa sổ - Kết quả thử nghiệm ................................................................................ 39 3.4. Đánh giá ............................................................................................................................................. 41 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN........................................................................................... 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................................... 45 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu/ Chữ viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa 1 3D 3 Dimentional 3 chiều 2 2D 2 Dimentional 2 chiều 3 VR Volume rendering Biểu diễn thể tích 4 SR surface rendering Biểu diễn bề mặt 5 CRT Cathode ray tube Màn hình CRT 6 MC Marching Cube s Thuật toán Marching Cubes 7 MT Marching Tetrahedra Thuật toán Marching Tetrahedra 8 MIP 9 MinIP 10 LCD Maximum intensity projection Minimum intensity projection Liquid Crystal Display Digital Imaging and 11 DICOM COmmunications in Medicine Standars 12 VTK Visualization Toolkit Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Phương pháp tạo bố cục cho ảnh Phương pháp tạo bố cục cho ảnh Màn hình Tiêu chuẩn ảnh số và truyền thông trong y tế Bộ toolkit có mã nguồn mở http://www.lrc-tnu.edu.vn iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Ảnh đồ hoạ điểm Hình 1.2. Kỹ thuật đồ họa điểm Hình 1.3. Mô hình đồ họa vector Hình 1.4. Các thành phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác Hình 1.5. Cấu tạo màn hình CRT Hình 1.6. Súng điện tử bố trí theo kiểu tam giác Hình 1.7. Dòng quét trong thiết bị Raster Hình 1.8. Tổ chức của bảng tra màu LUT (Look Up Table) Hình 1.9. Tổ chức của một máy Hình 1.10. Nối kết mạng cục bộ Hình 1.11. Các dạng ảnh 2D dùng để tái tạo ảnh 3D thường gặp Hình 2.1. Hình ảnh 3D được biểu diễn theo phương pháp SR Hình 2.2. Minh họa thuật toán Marching Square Hình 2.3. 16 trường hợp Marching Square Hình 2.4. Minh họa tạo bề mặt từ các đường viền Hình 2.5. Xây dựng bề mặt theo giá trị của các đỉnh Hình 2.6. Các trường hợp một mặt đi qua khối lập phương trong thuật toán Marching Cubes Hình 2.7. Một trường hợp lỗi của Marching Cubes Hình 2.8. Chia khối lập phương thành các khối tứ diện Hình 2.9. Hai trường hợp mặt phẳng đi qua khối tứ diện trong thuật toán Marching Tetrahedra Hình 2.10. Minh họa thuật toán Dividing Cubes để vẽ đương trong mặt phẳng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv Hình 2.11. Minh họa thuật toán Dividing Cubes trong không gian ba chiều Hình 2.12. Hình ảnh 3D biểu diễn theo phương pháp VR Hình 2.13. Minh họa kỹ thuật object -order Hình 2.14. Minh họa kỹ thuật image -order Hình 2.15. Mô hình Blinn / Kajiya Hình 2.16. Minh họa kỹ thuật đơn giản hóa tính toán cường độ ánh sáng Hình 2.17. Sơ đồ tổng quan của rendering MIP Hình 3.1. Sơ đồ tương tác của VTK với phần cứng Hình 3.2. Cấu trúc chương trình ứng dụng VTK Hình 3.3. Mô hình đồ họa của VTK Hình 3.4. Mô hình trực quan hóa của VTK Hình 3.5. Các loại tập dữ liệu của VTK Hình 3.6. Cách kết nối VTK và ITK Hình 3.7. Pipeline của chương trình cài đặt Hình 3.8. Chu trình biểu diễn dữ liệu thành hình ảnh Hình 3.9. Giao diện màn hình chính Hình 3.10. Hình ảnh 3D được hiển thị Hình 3.11. Các góc độ khác nhau của hình ảnh 3D được hiển thị Hình 3.12. Hiển thị thêm mô mềm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 PHẦN MỞ ĐẦU Đồ họa máy tính được ra đời bởi sự kết hợp của 2 lĩnh vực thông tin và truyền hình. Đầu tiên kỹ thuật đồ họa được phát triển bởi các nhóm kỹ sư sử dụng máy tính lớn. Trong giai đoạn đầu của sự phát triển người ta phải tốn nhiều tiền cho việc trang bị các thiết bị phần cứng. Ngày nay, nhờ vào sự tiến bộ của vi xử lý, giá thành của máy tính càng lúc càng phù hợp với túi tiền của người sử dụng trong khi các kỹ thuật ứng dụng đồ họa của nó ngày càng cao hơn nên có nhiều người quan tâm nghiên cứu đến lĩnh vực này. Đồ họa máy tính là một lĩnh vực của công nghệ thông tin mà ở đó, việc nghiên cứu, xây dựng và tập hợp các công cụ (mô hình lý thuyết, phần mềm...) khác nhau nhằm kiến tạo, xây dựng, lưu trữ và xử lý các mô hình (models) và hình ảnh (images) của sự vật-hiện tượng trong cuộc sống, trong sản xuất và trong nghiên cứu. Các mô hình và hình ảnh này có thể là các kết quả thu được từ những lĩnh vực khác nhau của rất nhiều ngành khoa học (chẳng hạn như vật lý, toán học, thiên văn học, sinh học, phỏng sinh học, y học, v.v..) và nhiều thể loại phong phú như cấu trúc phân tử, cấu trúc sinh học, mô hình vũ trụ v.v.. Ngày nay, việc sử dụng đồ họa máy tính đã thâm nhập vào rất nhiều lĩnh vực như trong biểu diễn thông tin, in ấn xuất bản, trong thiết kế kỹ thuật, thiết kế kiến trúc, mô phỏng thế giới thực (thực tại ảo-Virtual reality), thiết kế giao diện máy-người sử dụng v.v.. và ngày càng chứng tỏ sự quan trọng không thể thiếu được khi các máy móc thiết bị công nghệ phục vụ cho các lĩnh vực nói trên đang dần chuyển sang sử sụng công nghệ kỹ thuật số và hiện nay thậm chí còn trở thành nghệ thuật số (Digital art). Ở nhóm ứng dụng đồ họa 2 chiều cung cấp các khả năng thể hiện các biểu đồ, đồ thị (hình ảnh 2 chiều); còn ở nhóm ứng dụng đồ họa ba chiều và ảnh động cung cấp các khả năng thể hiện các hình ảnh, mô hình trong không gian ba chiều, kỹ thuật mô phỏng thế giới thực, tạo ra các bức ảnh sống động cho phim Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 ảnh, truyền hình từ các kỹ thuật mô tả chuyển động của các mô hình đó v.v.. Đồ họa máy tính nói chung và tái tạo hình ảnh ba chiều của các vật thể thực từ hình chiếu 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. Hình ảnh tái tạo từ máy tính đã được sử dụng rất có hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau như giáo dục, giải trí, kiến trúc, đặc biệt là chuẩn đoán hình ảnh trong y tế, ...Các kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3D từ hình chiếu là một đề tài mới mẻ và có ứng dụng lớn trong trong lĩnh vực tái tạo, chuẩn đoán và phục đối tượng. Trong luận văn này, tác giả tìm hiểu một số kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3D từ hình chiếu như kỹ thuật biểu diễn bề mặt (surface rendering – SR), kỹ thuật biểu diễn thể tích (volume rendering – VR) và ứng dụng thử nghiệm chương trình hiển thị hình ảnh 3D từ hình chiếu. Nội dung luận văn bao gồm 3 chương: Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ HÌNH ẢNH Chương này khái quát về đồ họa 3D, Nguyên lý về 3D và Đặc điểm của kỹ thuật đồ hoạ 3D. Chương 2: KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU Chương này giới thiệu về một số kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3D từ hình chiếu như kỹ thuật biểu diễn bề mặt (surface rendering – SR), kỹ thuật biểu diễn thể tích (volume rendering – VR). Chương 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 Chƣơng 1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 1.1. Khái quát về đồ họa 3D 1.1.1. Lịch sử phát triển - Graphics những năm 1950-1960 1959 Thiết bị đồ hoạ đầu tiên là màn hình xuất hiện tại Đức. 1960 - SAGE (Semi-Automatic Ground Environment System) xuất hiện bút sáng thao tác với màn hình. Màn hình là thiết bị thông dụng nhất trong hệ đồ hoạ, các thao tác của hầu hết các màn hình đều dựa trên thiết kế ống tia âm cực CRT (Cathode ray tube). Khi đó giá để làm tươi màn hình là rất cao, máy tính xử lý chậm, đắt và không chắc chắn (không đáng tin cậy) [4]. - Graphics: 1960-1970 1963 Ivan Sutherland (hội nghị Fall Joint Computer - lần đầu tiên có khả năng tạo mới, hiển thị và thay đổi được thực hiện trong thời gian thực trên màn CRT). Hệ thống này được dùng để thiết kế mạch điện: CRT, LightPen (bút sáng), computer (chứa chương trình xử lý thông tin). Người sử dụng có thể vẽ mạch điện trực tiếp lên màn hình thông qua bút sáng. - Graphics:1970-1980 Raster Graphics (đồ hoạ điểm). Bắt đầu chuẩn đồ hoạ ví dụ như: GKS(Graphics Kernel System): European effort (kết quả của châu âu), Becomes ISO 2D standard. - Graphics: 1980-1990 Mục đích đặc biệt về phần cứng, thiết bị hình học đồ hoạ Silicon. Xuất hiện các chuẩn công nghiệp: PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 Standard) xác định các phương pháp chuẩn cho các mô hình thời gian thực và lập trình hướng đối tượng. Giao diện người máy Human-Computer Interface (HCI) - Computer Graphics: 1990-2000 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)…. - Computer Graphics: 2000- 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)…. 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) - 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 (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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 Hình 1.1. Ảnh đồ hoạ điểm Hình 1.2. Kỹ thuật đồ họa 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 [4]. 1.1.2.2. Kỹ thuật đồ họa Vector Các tham số tô trát Mô hình đồ họa Tô trát Thiết bị ra Hình 1.3. Mô hình đồ họa vector Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 - Mô hình hình học (geometrical model) 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 1.1.2.3. 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. 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 1.1.3. Phần cứng đồ họa (Graphics HardWare) 1.1.3.1. 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 tƣơng tác 1.1.3.2. 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 hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 Số lượng màu có thể vẽ trên một điểm: Dot size Point per inch 8 - 20/ 100inch 200, 600 5/1000inch 1500 Máy vẽ 6,15/1000 inch 1000, 2000 1.1.3.3. 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 Âm cực Hệ điều chỉnh tiêu điểm khiển của các mạch điện bên màn hiển thị hình ngoài và bị hút về cực dương (Anode) ở đầu kia của ống, cuối Súng điện tử cùng đập mạnh lên màn hình huỳnh quang phủ photpho tạo phủ phot pho (bộ ba điểm màu RGB) Hình 1.5. Cấu tạo màn hình CRT 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 . 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 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 màn hiển thị hình 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. Hình 1.6: Súng điện tử bố trí theo kiểu tam giác 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 trái sang phải (quét ngang) hoặc từ trên xuống dưới (quét dọc) với tốc độ quét 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 các điểm ảnh theo chiều ngang hiện được các chi tiết của hình ảnh. Thông thường độ phân các điểm ảnh giải được biểu hiện bằng số theo chiều dọc dòng quét lượng các điểm ảnh, ví dụ: “độ phân giải "800x600” có nghĩa Hình 1.7. Dòng quét trong thiết bị Raster là màn hình có thể hiển thị được 800 điểm ảnh trên chiều ngang và 600 điểm ảnh theo chiều dọc. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 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 của các màn hình CRT là 0,19mm; 0,28mm; 1,31mm. Bước chấm càng nhỏ thì các điểm ảnh càng sít nhau và độ nét của hình càng cao. Như vậy ba yếu tố quan trọng quyết định độ sắc nét của hình ảnh là: kích thước màn hình, độ phân giải và bước chấm. 1.1.3.4. Bảng tra màu LUT (Look Up Table) Bộ điều khiển video của hệ hiển thị raster thường kèm theo bảng tra màu (LUT). Bảng tra màu có nhiều cổng vào tương ứng với nhiều điểm ảnh. Mỗi giá trị của điểm ảnh không dùng để điểu khiển trực tiếp các tia điện tử mà chỉ số sang bảng tra màu. Giá trị đầu của bảng dùng để điều khiển cường độ hoặc màu của màn hình. Chẳng hạn, ở điểm ảnh có giá trị 33 sẽ có nội dung tương ứng trong LUT với cổng số 33 và dùng để điều khiển các tia điện tử của màn hình. Hoạt động của bảng tìm kiếm này làm cho mỗi điểm ảnh hiển thị trong chu kỳ, x' o K G 33 100110100001 33 B 1001 1010 0001 100110100001 y' điểm ảnh hiển thị tại x' , y' Red Green Blue Vùng nhớ đệm Bảng tra màu Màn hiển thị hình Hình 1.8. Tổ chức của bảng tra màu LUT (Look Up Table) do đó bảng phải được nhận nhanh chóng . Trong hình 1.8 LUT ở giữa vùng nhớ đệm. Vùng nhớ đệm có 8 bit cho một điểm ảnh (8bits**********), do LUT có 28 = 256 đầu vào. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 Hình 1.8 biểu diển tổ chức của bảng tra màu. Điểm ảnh có giá trị 33 (giá trị nhị phân là 100110100001) được biểu diễn trên màn hình với tia hiện màu Đỏ bằng 9/15 giá trị lớn nhất, màu Lục bằng 10/15 giá trị lớn nhất, màu Xanh da trời 1/15 giá trị lớn nhất. Bảng tra màu này có 12 bit. Bảng tra màu chỉ có ý nghĩa đối với chế độ đồ họa 256 màu vì thanh ghi tối đa của bảng tra màu là 256. Ảnh lớn hơn 256 thì màu thì giá trị màu của điểm ảnh được ánh xạ trực tiếp không thông qua bảng tra. Về màu sắc và độ tương phản, khi nhìn một vật, ta thấy nó sáng hơn vật khác là do nó phản xạ ánh sáng mạnh hơn vật khác hay cường độ ánh sáng phản xạ trên bề mặt của nó là lớn hơn. Ở mức mã hóa một màu là 8 bits, mức độ sáng của một thành phần màu trong máy tính có giá trị trong khoảng từ 0 đến 255 (28 = 256). Mỗi màu trong máy tính là tổ hợp của 3 thành phần Red, Green, Blue, Mỗi thành phần có giá trị trong khoảng từ 0 đến 255. Ví dụ : Màu Red tuyệt đối thì có tổ hợp (255,0,0), màu Green tuyệt đối là (0,255,0), màu Blue tuyệt đối là (0,0,255) và màu trắng là (255,255,255). Như vậy độ sáng thực tế được mô phỏng trong máy tính như sau: mỗi một màu có tổ hợp (IR,IG,IB) trong đơn vị tương đối được mô phỏng bằng một tổ hợp (R,G,B): Trong đó, R = round (255*IR) G = round (255*IG) B = round (255*IB) Với mỗi điểm hiển thị, ta tính được cường độ ánh sáng tương đối của 3 thành phần màu là Red (đỏ), Green (Lục) và Blue (Xanh Lam hoặc xanh Da Trời): I R , I G, I B . Còn nguồn sáng thì có cường độ ứng với các thành phần màu đơn sắc là (IPR,IPG,IPB) trong đó cường độ ánh sáng cực đại được quy chuẩn về đơn vị tương đối là 1. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 Màu Red chuẩn thì tổ hợp nguồn có cường độ tương đối là: (IPR,IPG,IPB) = (1,0,0) Màu Blue chuẩn : (IPR,IPG,IPB) = (0,0,1) Màu Green chuẩn : (IPR,IPG,IPB) = (0,1,0) và với màu Trắng thì : (IPR,IPG,IPB) = (1,1,1) 1.1.3.5. Sự kết nối giữa hệ thống máy tính với các thiết bị hiển thị Để có thể cùng làm việc tập thể, theo nhóm, các máy tính (máy trạm) được liên kết nối mạng với nhau thành một hệ thống mạng máy tính cục bộ (LAN_Local Area Network) qua việc điều hành và cung cấp dịch vụ từ máy SERVER (máy phục vụ_thông dụng còn gọi là máy chủ). Trong nhiều năm, CAD sử dụng các Hình 1.9 : Tổ chức của một máy trạm thiết bị đầu cuối kết nối với máy tính trung tâm, trong đó tài nguyên của máy tính trung tâm thường được chia sẽ giữa các thiết bị đầu cuối. Trong nhiều trường hợp, tốc độ giao tiếp các thiết bị đầu cuối và máy tính trung tâm bị giới hạn bởi đặc tính của hệ thống, làm hạn chế khả năng tính toán của các máy tính cục bộ, ảnh hưởng tới điều khiển tương tác đồ hoạ với người sử dụng. Ngày nay, phần lớn máy tính được sử dụng phân tán, trong đó mỗi một người sử dụng đầu cuối có một máy tính riêng. Nó thường là máy tính cá nhân (PC_Personal Computer), và các trạm làm việc (workstation) có công nghệ hiển thị cao, trong đó bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU) là chính và kho lưu trữ trợ giúp kết hợp với đơn vị hiển thị (DPU) để giải quyết với các tính toán phức tạp trong đồ hoạ. Tổ chức của một máy trạm được mô tả trong hình 1.9. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 Hình 1.10. Nối kết mạng cục bộ (LAN) Các máy trạm tăng lên, các máy tính cá nhân được kết nối với nhau cho phép chuyển đổi dữ liệu, chương trình và chia sẻ các thiết bị ngoại vi qua mạng, như trong hình 1.10. Một trạm làm việc đơn không phải lúc nào cũng phù hợp với tất các công việc của CAD. Người sử dụng có thể muốn làm việc trên máy tính lớn cho các việc phân tích tính toán các bài toán lớn và biểu diễn kết quả tại máy trạm. Như vậy, mạng có thể có các máy tính lớn cung cấp tài nguyên lưu trữ và khả năng tính toán cho các máy qua trạm khác. Để đáp ứng cho công việc này, mô hình máy trạm - máy chủ (client-server) được phát triển trong đó tiến trình máy chủ (server process) cung cấp một vài dịch vụ cho các tiến trình máy trạm riêng (client process). Chẳng hạn trong đồ hoạ máy tính, một tiến trình máy chủ có thể biểu diễn ảnh và xử lý các tương tác thay cho máy trạm. Máy trạm và máy chủ có thể là hai tiến trình thực hiện trên cùng một trạm làm việc hoặc thực hiện trên các máy tính khác nhau trong cùng một mạng. Tiến trình máy chủ nhận được các thông báo hoặc yêu cầu (request) từ các tiến trình máy trạm qua mạng, sau đó gửi lại các thông báo mô tả sự kiện hoặc kết quả (events 0, chẳng hạn, là kết quả từ tương tác người sử dụng tới máy trạm). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn