Bài giảng Đồ họa hiện thực ảo - Bài 1: Kỹ thuật đồ họa và hiện thực ảo - Lê Tấn Hưng

ton’s „ Intel develop the 8080 processor.
 “Westworld” uses 2D graphics 
„ First time computer is used for image 
 manipulation.
„ Featured scenes that showed 1975
 audiences the world viewed by the 
 eye circuitry of a synthetic human „ Mandelbrot plots fractals
 (played by a very real Yul Brenner) in 
 a future Western theme park. This 
 effect was achieved with 2D 
 computer graphics tools mostly 
 derived from image processing 
 techniques. „ Bill Gates starts Microsoft
 (c) SE/FIT/HUT 2003 9 (c) SE/FIT/HUT 2003 10
 A Brief History of Computer A Brief History of Computer 
 Graphics Graphics
1976 1977
„ Steve Jobs and Steve Wozniak start „ Star Wars wins oscar for 
 Apple. special effects.
1977
„ Academy of Motion Pictures Art 1978
 and Sciences introduces Visual •Superman wins oscar for 
 Effects category for Oscars. special effects.
 (c) SE/FIT/HUT 2003 11 (c) SE/FIT/HUT 2003 12
 2
 Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
 Email: hunglt@it-hut.edu.vn
 Tel: 0913030731
 A Brief History of Computer A Brief History of Computer 
 Graphics Graphics
1979 1980
 „ Alien wins oscar for visual „ Disney’s TRON is the first 
 effects. live action film with over 
 20 mins of computer 
 animations.
 1980 „ Seagate Technology 
 •The Empire Strikes Back releases the HDD for PCs
 wins oscar for visual effects.
 (c) SE/FIT/HUT 2003 13 (c) SE/FIT/HUT 2003 14
 A Brief History of Computer A Brief History of Computer 
 Graphics Graphics
 1982
1981 IBM introduces the first IBM PC (16 bit 
 „ The Genesis Effect (ILM) 
 8088 chip)
 for Startrek II is the first 
 all computer animated 
 •Raiders of the visual effects shot for 
 Lost Ark wins film.
 an oscar for 
 visual effects.
 (c) SE/FIT/HUT 2003 15 (c) SE/FIT/HUT 2003 16
 A Brief History of Computer A Brief History of Computer 
 Graphics Graphics
 1983 „ 1984 PIXAR Opens 1985
 „ First Coke Polar Bears 
 Commercial „ The Last Starfighter is the 
 first live action feature film 
 with realistic computer 
 animation of highly detailed 
 models.
 (c) SE/FIT/HUT 2003 17 (c) SE/FIT/HUT 2003 18
 3
 Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
 Email: hunglt@it-hut.edu.vn
 Tel: 0913030731
 A Brief History of Computer A Brief History of Computer 
 Graphics Graphics
1989 1990
„ The Abyss is the first „ Windows 3.0 ships
 movie to include 
 convincing 3D character 1993
 animation. „ Myst
 1994
 „ Playstation and N64 released
 (c) SE/FIT/HUT 2003 19 (c) SE/FIT/HUT 2003 20
 A Brief History of Computer A Brief History of Computer 
 Graphics Graphics
1995 1996
„ Quake Released by „ Independence Day 
 Id Software wins oscar for visual 
 effects.
„ Toy Story becomes 
 the first fully 3D 
 computer animation 
 feature film.
 (c) SE/FIT/HUT 2003 21 (c) SE/FIT/HUT 2003 22
 A Brief History of Computer A Brief History of Computer 
 Graphics Graphics
1997 1998
„ Titanic wins oscar „ Armageddon
 for visual effects. „ Mouse Hunt
 „ Bugs Life
„ PIXAR wins oscar 
 for best short film: 1999
 Geri’s Game. „ The Matrix
 „ Star Wars: The Phantom Menace
 „ Disney’s Tarzan
 (c) SE/FIT/HUT 2003 23 (c) SE/FIT/HUT 2003 24
 4
 Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
 Email: hunglt@it-hut.edu.vn
 Tel: 0913030731
 A Brief History of Computer 
 Graphics Kỹ thuật đồ họa vi tính.
 „ Definition (ISO)
 2000 2002 Microsoft’s XBOX
 „ Sony Playstation II „ Computer Graphics (Kỹ thuật đồ hoạ máy tính)
 „ Walking with Dinosaurs „ Computer graphics deals with all aspects of 
 „ Disney’s Shrek creating images with a computer
 model –
 Interactive Computer Graphics: 
 (c) SE/FIT/HUT 2003 25 (c) SE/FIT/HUT 2003 26
 Kỹ thuật đồ hoạđiểm
 Pascal / C
 (Sample based-Graphics) Bitmap program
 SRGP
 „ Các mô hình, hình ảnh củacácđốitượng đượchiểnthị library
 thông qua từng pixel (từng mẫurờirạc) graphics algorithms
 positions
 „ Đặc điểm: lines,areas,... colour
 „ Phương pháp để tạo ra các pixel
 X Window 
 System Graphics hardware
 Image
 image formats, compression, transfer
 (c) SE/FIT/HUT 2003 27 (c) SE/FIT/HUT 2003
 Kỹ thuật đồ hoạ vector Ví dụ về hình ảnh đồ hoạ Vector
 „ Vector = geometrical 
Graphical Rendering
 Model Parameters model + rendering
 Rendering
 Output 
 Device
 (c) SE/FIT/HUT 2003 29 (c) SE/FIT/HUT 2003 30
 5
 Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
 Email: hunglt@it-hut.edu.vn
 Tel: 0913030731
 Raster and Vector Graphics
 „ Raster
 „ Hình ảnh và mô hình của các vật thể được biểu diễn bởi tập hợp các 
 điểm của grid
Wireframe Model Skeletal Model Muscle Model „ Thay đổi thuộc tính của các pixel => thay đổi từng phần và từng vùng 
 của hình ảnh. 
 „ Copy được các pixel từ một hình ảnh này sang hình ảnh khác. 
 „ Vector
 „ Không thay đổithuộctínhcủatừng điểmtrựctiếp
 „ Xử lý vớitừng thành phần hình họccơ sở củanóvàthựchiện quá
 trìnhtôtrátvàhiểnthị lại.
 „ Quan sát hình ảnh và mô hình củahìnhảnh và sự vật ở nhiềugóc
 độ khác nhau bằng cách thay đổi điểm nhìn và góc nhìn.
 © Walt Disney and TSL
 Skin Hair Render and Touch up
 (c) SE/FIT/HUT 2003 31 (c) SE/FIT/HUT 2003 32
 Phân loại các lĩnh vựccủa
 Computer Graphics Phân loạitheohệ toạđộ
 Kü thuËt ®å ho¹ 2 chiÒu
 CAD/CAM System
 KiÕn t¹o ®å
 ho¹ §å ho¹ minh ho¹ Kü thuËt ®å ho¹
 §å ho¹ ho¹t h×nh vµ Kü thuËt ®å ho¹ ba chiÒu
 Kü thuËt ®å nghÖ thuËt
 ho¹
 Xö lý ¶nh
 Xö lý ®å Kü thuËt nhËn d¹ng
 ho¹
 Kü thuËt ph©n tÝch vµ
 t¹o ¶nh
 (c) SE/FIT/HUT 2003 33 (c) SE/FIT/HUT 2003 34
 Các ứng dụng tiêu biểucủakỹ
 Phân loạitheochứcnăng thuật đồ họa
 „ Xây dựng giao diệnngười dùng (User Interface)
 „ Kỹ thuậtxử lý ảnh (COMPUTER IMAGING)
 „ Tạocácbiểu đồ trong thương mại, khoa học, kỹ thuật
 „ Kỹ thuậtnhậndạng (Computer Vision techniques „ Tựđộng hoá văn phòng và chế bản điệntử
 attempt to provide meaning to computer) images. „ Thiếtkế vớisự trợ giúp của máy tính (CAD_CAM)
 „ Lĩnh vựcgiải trí, nghệ thuậtvàmôphỏng
 „ Kỹ thuậttổng hợp ảnh (Computer Graphics)
 „ Điều khiển các quá trình sảnxuất (Process Control)
 „ Geometry modelling „ Lĩnh vựcbản đồ (Cartography)
 (c) SE/FIT/HUT 2003 35 (c) SE/FIT/HUT 2003 36
 6
 Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
 Email: hunglt@it-hut.edu.vn
 Tel: 0913030731
 (c) SE/FIT/HUT 2003 37 (c) SE/FIT/HUT 2003 38
 CAD-CAM application Hệđồhọatương tác
 ƒ Mô hình hệ đồ hoạ tương tác
 ƒ Các thành phần của hệ đồ hoạ tương tác
 ƒ Bộ xử lý tương tác với người sử dụng
 ƒ Các chuẩncủahệđồhoạ
 (c) SE/FIT/HUT 2003 39 (c) SE/FIT/HUT 2003 40
 Thành phần trong chứcnăng của
 kỹ thuật đồ hoạ Các thành phần của hệ đồ hoạ tương tác
 G U I
 MODELING RENDERING DISPLAYING
 ( to describe) (to capture) (to show)
 to the computer the description the image
 Application Application Graphics
 what is create 2D image generate Data
 a table, a car, • from 2D / 3D image on Structure Program System
 •• models screen
 Geometric Engine Rendering Engine Raster & Display Engine
concerned with:
 concerned with :
- modeling - viewing & projection concerned with:
 - drawing & clipping - hardware 
- modeling transf. primitives
- color models - local illumination & - how to display Computer
 shading Graphics Devices
- material property - texture mapping (rasterization) 
- lighting property - global rendering
 (c) SE/FIT/HUT 2003 41 (c) SE/FIT/HUT 2003 42
 7
 Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
 Email: hunglt@it-hut.edu.vn
 Tel: 0913030731
 3D Graphics Over World Wide 
 Model of RGP Web
 Animation
 VRML
 output pipeline Drawing Pascal / C
 packages program 3D Graphics WWW
 output primitives
 transformation projections
 output attributes
 of objects SRGP lighting,shading
 Application Application Canvascontrol library
 model program SRGP
 copyPixel graphics algorithms
 Input device control positions lines,areas,...
 Display Hardware colour
 Input device measures
 X Window 
 input pipeline System Graphics hardware
 WWW Image
 (c) SE/FIT/HUT 2003 43 Video (c)image SE/FIT/HUT formats, 2003 compression, transfer
 Bộ xử lý tương tác vớingườisử
 Thành phầnthư viện đồ hoạ dụng
 „ Các thựcthể cơ sở
 „ Hệ thống đồ hoạ thông thường phảichứamộttậphợp các thủ tục
 ƒ Điểm (pixel)
 ƒ Đường thẳng (line) (chương trình con) để xử lý với các thiếtbị vào ra (I/O System). 
 ƒ
 Đường tròn (circle) „ hệ thống đồ hoạ sinh ra các thiếtbị ngoại vi lôgic để tương tác
 „ Đagiác(polygon) ..v..v.
 giữangườisử dụng và thiếtbị ngoạivi này.
 „ Các thuộctính
 „
 ƒ Màu sắc (color) Mộtchutrìnhđiểnhìnhcủa các chương trình ứng dụng quảnlý
 ƒ Kiểu đường vẽ (line style) các thiếtbị ngoạivi đượcgọilàvònglặpsự kiệntừ thiếtbị
 ƒ Kiểuvănbản (text style) (event-driven loop )
 „ Mẫutô(pattern).
 (c) SE/FIT/HUT 2003 45 (c) SE/FIT/HUT 2003 46
 Hệ thống đồ hoạ Giao diện hệthống đồhọa
 (Graphics System) Interface of Graphics System
„ Interface between application software and graphics hardware system
 Core,
„ Consists of input subroutines and output subroutines accepting input data or 
 GKS, GKS-3D
 commands from a user and converting internal representations into external 
 CGI (device interface) Application program
 pictures on screen, respectively
 CGM (metafile)
„ Phầnmềm đồ hoạ hệ thống:
 PHIGS (3D and realtime)
 „ Là tậphợp các lệnh đồ hoạ củahệ thống (graphics output commands), X-window Graphics system
 „ Thựchiện công việchiểnthị cái gì (what object) và chúng sẽđượchiểnthị như PHIGS+ (PEX)
 thế nào (how).
 IGES Operating system
 „ Phầnmềm đồ hoạ hệ thống là phầnmềmxâydựng trên cơ sở mộtthể loạiphần OpenGL
 cứng nhất định và phụ thuộcvàophầncứng. DirectX
„ Input and Graphics
 Phầncứng đồ hoạ: Metafiles
 „ Là tậphợp các thiếtbịđiệntử (CPU, bộ nhớ màn hình) giúp cho việcthựchiện output devices hardware
 các phầnmềm đồ hoạ.
 (c) SE/FIT/HUT 2003 47 (c) SE/FIT/HUT 2003 48
 8
 Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
 Email: hunglt@it-hut.edu.vn
 Tel: 0913030731
 Non-official industry standards
 Các chuẩn giao diện củahệđồhoạ Các chuẩncủahệđồhoạ
„ GKS (Graphics Kernel System): „ OPENGL SGI’s OpenGL 1993
 „ GKS Functional Description, ANSI X3.124 - 1985. „ DIRECTX Direct X/Direct3D 1997
 „ GKS - 3D Functional Description, ISO Doc #8805:1988.
„ CGI (Computer Graphics Interface System):
„ CGM (Computer Graphics Metafile):
„ VRML (Virtual Reality Modeling Language):
„ PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive
 „ PHIGS Functional Description, ANSI X3.144 - 1985.
 „ PHIGS+ Functional Description, 1988, 1992.
„ IGES 
 (c) SE/FIT/HUT 2003 49 (c) SE/FIT/HUT 2003 50
 OpenGL DirectX
„ Software interface to graphics „ Commands interpreted „ Direct control of graphics hardware
 hardware using client-server model „ Direct control of input/output devices, and sound
„ Client-server model „ Client (Application) issues 
 commands ApplicationApplication programprogram
„ 250 distinct commands
 „ Server (OpenGL) interprets 
„
 Object specification + image and processes commands Direct sound X Direct
 generation Direct input
 „ Frame buffer configuration Windows API Direct draw
„ Simple primitives: points, lines, done by the window system Windows API
 Direct 3D
 polygons (pixels, images, bitmaps) ..
„ 3D rendering
 WindowsWindows systemsystem
 (c) SE/FIT/HUT 2003 51 (c) SE/FIT/HUT 2003 52
 Phầncứng đồ hoạ (Graphics 
 Các thiếtbị vào ra dữ liệu Hardware)
 „ Máy in
 „ Các thành phầnphầncứng củahệđồhoạ tương
 ƒ Dot size: đường kính củamột điểminbénhấtmàmáy tác
 in có thể in được
 ƒ Addressability: khả năng địachỉ hoá các điểmincóthể
 có trên một đơnvịđộdài (dot per inch)
 ƒ Số lượngmàucóthể vẽ trên một điểm
 „ Dot size Point per inch
 „ InkJet 8 - 20/ 100 inch 200 ÷600
 „ Laser 5/1000 inch 1500
 „ Máy vẽ 6 ÷ 15/1000 inch 1000 ÷ 2000
 (c) SE/FIT/HUT 2003 53 (c) SE/FIT/HUT 2003 54
 9
 Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
 Email: hunglt@it-hut.edu.vn
 Tel: 0913030731
 Màn hình CRT Màn hình CRT
 Standard Dot-trio SONY Trinitron CRT
 NEC Hybrid Mask Hitachi EDP
 (c) SE/FIT/HUT 2003 55 (c) SE/FIT/HUT 2003 56
 Các thiếtbị hiểnthị dạng vector Graphics Devices
 „ MOVE 10,15
 „ LINE 400,300 
  (Display commands) Interface to
 „ LINE 600,800 MOVE
 10 host computer
 (interaction data)
 „ Refesh Buffer 15
 LINE Display
 100 processor
 25
 CHAR
 B
DrawLine(A, B): LU CRT
Turn beam off, CY
 LINE
move to A.
  Stylus
Turn beam on, A 
move to B. JMP
 Refresh buffer memory Alphanumeric keyboard Data tablet
 (c) SE/FIT/HUT 2003 57 (c) SE/FIT/HUT 2003 58
 Typical raster graphics display 
 showing a house and a star Các thiếtbị hiểnthị dạng điểm
 Interface to host computer
 (Display commands) (interaction data)
 Display Keyboard
 processor
 00000000000000000000000001000000 Data input
 00000000000000000000000001000000
 00000000000000000000000111110000
 00000000011000000001111111111111
 00000000111100000000000111110000
 00000011111111000000000001000000 CRT
 00001111111111110000000001000000
 00111111111111111100000000000000
 00011111111111111000000000000000
 00011111111111111000000000000000
 00011111111111111000000000000000
 00000000000000000000000000000000
 Bitmap refresh buffer
 (the 1’s are accentuated
 for contrast)
 (c) SE/FIT/HUT 2003 59 (c) SE/FIT/HUT 2003 60
 10
 Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
 Email: hunglt@it-hut.edu.vn
 Tel: 0913030731
 LCD-Liquid Crystal Display CRT Displays
„ A transmissive technology Advantages Disadvantages
„ Works by letting varying „ Fast repsonse (high „ Large and heavy (typ. 70x70 
 amounts of a fixed-intensity resolution possible) cm, 15 kg)
 white backlight through an 
 „ Full color (large modulation „ High power consumption (typ. 
 active filter depth of E-beam) 140W)
„ Organnic crystals that lign
 „ Saturated and natural colors „ Harmful DC and AC electric 
 themselves together
 „ Inexpensive, matured and magnetic fields
„ When external force is applied 
 technology „ Flickering at 50-80 Hz (no 
 they realign themselves
 „ Wide angle, high contrast memory effect)
„ This is used to change 
 and brightness „ Geometrical errors at edges
 polarisation and filter light
 (c) SE/FIT/HUT 2003 61 (c) SE/FIT/HUT 2003 62
 Future Research Areas
 LCD Displays Hướng nghiên cứu
Advantages
 Disadvantages „ Graphics accelerators „ Rendering
„ Small footprint (approx 1/6 of CRT) „ High price (presently 3x CRT)
 „ parallel processing „ photo-realism
„ Light weight (typ. 1/5 of CRT) „ Poor viewing angle (typ. +/- 50 
„ Low power consumption (typ. 1/4 of degrees) „ Geometric modeling „ real-time
 CRT) „ physically-based 
 „ Low contrast and luminance (typ. „ image-based rendering
„ Completely flat screen - no 1:100) modeling
 geometrical errors „ „ non-photorealistic 
 „ Low luminance (typ. 200 cd/m2) level of detail
„ Crisp pictures - digital and uniform 
 „ Motion control / rendering
 colors synthesis
„ No electromagnetic emission „ Scientific visualization
 „
„ Fully digital signal processing kinematics / dynamics „ Geometric algorithms
 possible „ motion capture/ „ User interface
„ Large screens (>20 inch) on desktops modification
 (c) SE/FIT/HUT 2003 63 (c) SE/FIT/HUT 2003 64
 11