Đồ họa máy tính

Hình 1.3 Kỹ thuật đồ họa điểm

1.2.2.Kỹ thuật đồ hoạ Vector

Nguyên lý của kỹ thuật này là xây dựng mô hình hình học (geometrical model) cho hình ảnh đối tượng, xác định các thuộc tính của mô hình hình học, sau đó dựa trên mô hình này để thực hiện quá trình tô trát (rendering) để hiển thị từng điểm trên mô hình, hình ảnh của đối tượng.

Mô hình của một hình ảnh phải lột tả một cách chính xác và làm nổi bật những điểm chính nhất của hình ảnh đó. Thông thường quá trình mô hình hóa sử dụng phương pháp thiết kế từ trên xuống (top-down) và kết quả thu được là một sơ đồ phân cấp. Sơ đồ này cần phải chỉ rò những thành phần cơ sở của đối tượng và phương thức kết nối giữa các thành phần này.

Ở kỹ thuật này, ta chỉ lưu trữ mô hình toán học của các thành phần trong mô hình hình học cùng với các thuộc tính tương ứng mà không cần lưu lại toàn bộ tất cả các pixel của hình ảnh đối tượng.

Các thành phần được mô tả trong mô hình hình học của đối tượng được gọi là thực thể cơ sở hình học của mô hình hình học. Hình ảnh được xây dựng từ các thực thể cơ sở sau đó được tô trát theo điểm ảnh nhưng những điểm ảnh này không được lưu trữ như một thành phần của mô hình. Như thế hình ảnh có thể được tô trát từ nhiều điểm nhìn và góc nhìn khác nhau dựa trên cùng một mô hình mẫu.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 240 trang tài liệu này.

Hình 1.4 Ví dụ về hình ảnh đồ họa vector

Hình 1.5 Kỹ thuật đồ họa Vector

1.2.3. Sự phát triển của kỹ thuật hiển thị

Đồ hoạ máy tính là một trong những lĩnh vực quan trọng nhất đóng góp cho quá trình phát triển của môi trường giao diện trong lịch sử phát triển của máy tính. Những phát triển này được nảy sinh như sau:

 Giao diện đồ họa tương tác với người sử dụng.

 Xây dựng các phần mềm trực quan (thiết kế quảng cáo, hiển thị khoa học,...)

Những yêu cầu này đã thúc đẩy sự phát triển của kỹ thuật đồ hoạ, giao diện với người sử dụng càng đẹp, càng phải dễ sử dụng ... càng làm sáng tỏ những kỹ thuật mới trong đồ hoạ

Các kỹ thuật hiển thị đã nảy sinh và phát triển theo những giai đoạn sau:

1) Kỹ thuật hiển thị bằng ký tự

Kỹ thuật này chỉ cho phép hiển thị văn bản và các hình đồ hoạ đơn giản. Giao tiếp với người sử dụng thông qua các lệnh dưới dạng văn bản. Để có thể mã hoá những phương thức hiển thị khác nhau của đối tượng người ta sử dụng những ký tự mã hoá đặc biệt. Tất cả các chương trình và phần mềm được thực hiện đều là đơn nhiệm. Ví dụ: Hệ điều hành MS- DOS- hệ điều hành tiêu biểu của những năm 1980 và đầu những năm 1990 của hãng Microsoft; phần mềm soạn thảo văn bản BKED chạy trên môi trường MS- DOS.

2) Kỹ thuật hiển thị vector

Kỹ thuật này phát triển từ 1963 đến 1980 cho phép hiển thị văn bản và vẽ các đường thẳng, các mô hình mô phỏng đơn giản. Người sử dụng có thể quan sát thấy các hình ảnh 2D và 3D của các đối tượng. Giao tiếp với người sử dụng được thực hiện thông qua các dòng lệnh, các phím ký tự nóng và menu chọn. Ở đây xuất hiện ý tưởng ban đầu về phương thức WYSIWYG (What You See Is What You Get – Bạn nhìn thấy gì thì bạn nhận được cái đó). Môi trường sử dụng (hệ điều hành) là đơn nhiệm hoặc đa nhiệm phân tán.

3) Ảnh hai chiều

Kỹ thuật này cho phép hiển thị các cửa sổ (window), các biểu tượng (icon), và các dòng văn bản (text). Trong giao tiếp với người sử dụng đã hạn chế tối đa việc gò các lệnh (tuy nhiên vẫn cho phép người sử dụng nhập lệnh theo phương thức này). Việc tương tác với người sử dụng được thực hiện thông qua kỹ thuật tiêu biểu sau:

- Thông qua WIWP (Windows, icon,menus, pointer) của giao diện đồ hoạ (Graphics Use Interface): có thể chọn và nhấn vào thực đơn ta muốn mà không phải viết lệnh.

- Xử lý trực tiếp các đối tượng (drag and drop). Ở đây phương thức WYSIWYG được hoàn thiện và phát triển. Môi trường sử dụng thông thường là đa nhiệm (multi-task) hoặc cơ chế Client -Server trên mạng.

Ví dụ điển hình cho các hệ điều hành thuộc kỹ thuật này là các hệ điều hành windows 3x và sau đó là windows 9x của hãng Microsoft.

4) Trạm làm việc đồ hoạ (3D Graphics workstation) và các công nghệ hiển thị tiên tiến khác

Công nghệ này được xây dựng và phát triển trong công ty Sillcon Graphics, một trong những công ty hàng đầu của Mỹ về lĩnh vực đồ hoạ. Công nghệ này cho phép hiển thị các hình ảnh thực và hình ảnh không gian ba chiều của hình ảnh của sự vật dựa trên các cảnh trí (Sence) 3 chiều. Môi trường giao tiếp với người sử dụng được xây dựng trên cơ sở các hình ảnh hai chiều (2D), ba chiều (3D) và mô phỏng thế giới thực. Các thao tác xử lý trực tiếp các đối tượng được xây dựng mạnh hơn. Môi trường làm việc thông thường là đa nhiệm và Client – Server

1.3. Phân loại các lĩnh vực của kỹ thuật đồ họa

1.3.1. Phân loại theo mục đích xử lý dữ liệu

Hình 1.6 Phân loại theo 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 xửlý ảnh sử dụng nhiều các kỹ thuật phức tạp: kỹ thuật khôi phục ảnh, kỹ thuật làm nổi ảnh, kỹ thuật xác định biên ảnh. Ví dụ ảnh chụp vũ trụ, ảnh truyền qua vệ tinh...

- 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 ảnh đã cho thành một tập hợp các ảnh gốc, các ảnh gốc này được lưu trong một thưviện 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 hoạ tập hợp các công cụ, các kỹ thuật trợ giúp cho thiết kế các chi tiết và các hệthống khác nhau: hệ thống cơ, hệ thống điện, hệ thống điện tử….

- Đồ hoạ minh hoạ (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 hoạ hoạt hình và nghệ thuật: bao gồm các công cụ giúp cho các hoạ sĩ, các nhà thiết kế phim hoạt hình chuyên nghiệp làm các kỹ xảo hoạt hình, vẽ tranh... Ví dụ: phần mềm 3D Studio, 3D Animation, 3D Studio Max.

1.3.2. Phân loại theo hệ tọa độ dùng trong kỹ thuật đồ họa

Hình 1.7 Phân loại theo hệ tọa độ

- Kỹ thuật đồ hoạ hai chiều: là kỹ thuật đồ hoạ máy tính sử dụng hệ toạ độ hai chiều (hệ tọa độ phẳng), sử dụng rất nhiều trong kỹ thuật xử lý bản đồ, đồ thị.

- Kỹ thuật đồ hoạ ba chiều: là kỹ thuật đồ hoạ máy tính sử dụng hệ tọa độ ba chiều, đòi hỏi nhiều tính toán và phức tạp hơn nhiều so với kỹ thuật đồ hoạ hai chiều.

1.4.Giới thiệu một số ứng dụng của kỹ thuật đồ họa

1.4.1. Hỗ trợ thiết kế

Một trong những ứng dụng lớn nhất của đồ họa máy tính là hỗ trợ thiết kế (CAD –Computer Aided Design). Ngày nay CAD đã được sử dụng hầu hết trong việc thiết kế các cao ốc, ô tô, máy bay, tàu thủy, tàu vũ trụ, máy tính, trang trí mẫu vải, và rất nhiều sản phẩm khác.

Sử dụng những chương trình này, đầu tiên các đối tượng được hiển thị dưới dạng các phác thảo của phần khung (wireframe outline), từ đó có thể thấy được toàn bộ hình dạng và các thành phần bên trong của đối tượng. Sử dụng kĩ thuật này, người thiết kế sẽ dễ dàng nhận thấy ngay các thay đổi của đối tượng khi tiến hành hiệu chỉnh các chi tiết hay thay đổi góc nhìn,….

Một khi đã thiết kế xong phần khung của đối tượng, các mô hình chiếu sáng, tô màu và tạo bóng bề mặt sẽ được kết hợp để tạo ra kết quả cuối cùng gần với thế giới thực.

Hình 1.8 Phác thảo phần khung và kết quả của thiết kế xy lanh

1.4.2. Biểu diễn thông tin

Đây là các ứng dụng sử dụng đồ họa máy tính để phát sinh các biểu đồ, đồ thị,… dùng minh họa mối quan hệ giữa nhiều đối tượng với nhau. Các ứng dụng này thường được dùng để tóm lược các dữ liệu về tài chính, thống kê, kinh tế, khoa học, toán học,… giúp cho việc nghiên cứu, quản lí, … thêm có hiệu quả.

Hình 1.9 Thông tin tóm lược được biểu diễn qua các biểu đồ

1.4.3. Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật

Trong lĩnh vực nghệ thuật, các chương trình máy tính như Paint Shop Pro, Adobe Photoshop, 3D Studio,… hỗ trợ rất đắc lực cho các họa sĩ, các nhà tạo mẫu

trong việc thiết kế các hình ảnh sống động và rất thực. Với các chương trình này, người họa sĩ được máy tính tạo cho cảm giác như đang làm việc ngoài đời thực bằng cách cung cấp các công cụ như khung vẽ, giá vẽ, bảng pha màu, các hiệu ứng ba chiều,… làm cho họ cảm thấy thoải mái và tiện lợi.

Ngoài ra đồ họa máy tính còn giúp tạo ra các chương trình trò chơi, giải trí; hỗ trợ cho các kĩ xảo điện ảnh, cho các nhà làm phim. Có nhiều bộ phim nổi tiếng nhờ vào kĩ xảo điện ảnh như: Công viên Khủng long kỉ Jura (Jurassic Park), Titanic, Thế giới nước (Water World), …

Hình 1.10 Hình ảnh được tạo ra từ chương trình đồ họa

1.4.4. Điều khiển các quá trình sản xuất

Các chương trình cho phép theo dòi toàn bộ quá trình nào đó xảy ra trong thực tế bằng cách mô phỏng toàn bộ các diễn biến xảy ra trong quá trình này và thông qua các giao thức ghép nối người ta có thể kiểm soát được toàn bộ diễn biến của quá trình thực hiện.

1.4.5. Lĩnh vực bản đồ

Đồ họa máy tính được sử dụng để xây dựng và in các bản đồ địa lý như bản đồ địa hình, bản đồ dân số,... Một trong những ứng dụng hiện nay là hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographical Information System), kết hợp giữa đa phương tiện (Multimedia) và cơ sở dữ liệu (Database)

1.4.5. Giáo dục và đào tạo

Hiện nay các chương trình mô phỏng cấu trúc của các vật thể, tiến trình của các phản ứng hóa học, hoạt động của các gói tin trên mạng máy tính,… được dùng rất nhiều trong việc hỗ trợ giảng dạy.

Trong đào tạo, các ứng dụng mô phỏng được dùng để kiểm tra trình độ người lái, huấn luyện phi công, điều khiển giao thông, …

Hình 1.11 Chương trình học về máy tính

1.4.6. Giao tiếp giữa máy tính và người dùng

Mọi ứng dụng đều phải có giao diện giao tiếp với người dùng. Giao diện đồ họa thực sự là một cuộc cách mạng mang lại sự thuận tiện và thoải mái cho người dùng ứng dụng. Các ứng dụng dựa trên hệ điều hành MS Windows là một minh họa rất trực quan của giao diện đồ họa. Các chức năng của các ứng dụng này được thiết kế cho người dùng làm việc thông qua các biểu tượng mô tả chức năng đó. Ví dụ, chức năng lưu tập tin được hiểu thông qua biểu tượng đĩa mềm, chức năng in ấn được hiểu thông qua biểu tượng máy in,… Để chọn các chức năng, người dùng sử dụng chuột trỏ đến và nhấn vào các biểu tượng tương ứng. Điểm thuận lợi chính khi dùng biểu tượng là kích thước không gian mà nó chiếm ít hơn nhiều so với dùng văn bản để mô tả cho cùng một chức năng, ngoài ra việc nắm bắt các chức năng qua các biểu tượng sẽ dễ dàng hơn rất nhiều khi người dùng gặp trở ngại về mặt ngôn ngữ.Các ứng dụng có giao diện đồ họa còn cho phép người dùng khả năng làm việc dễ dàng với nhiều cửa sổ với nhiều dạng tài liệu khác nhau cùng một lúc.