Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính (Phần 2)

i tiết thật, sau đó áp lên bề mặt của đa giác. Thay vì các vật liệu có màu sắc đơn giản, có thể dùng gỗ, vải, gạch... kỹ thuật này áp một bức ảnh lên đa giác để cung cấp thêm chi tiết gọi là texture mapping. Bức ảnh cung cấp gọi là texture, các thành phần riêng của texture gọi là texels. Quá trình co dãn hoặc nén texels trên bề mặt của đối tượng gọi là filtering. Hình 4.9 cho thấy khối đa giác được áp texture trên mỗi bề mặt. Hình 4.9. Texture mapping  Fog Sương mù là một hiệu ứng khí quyển làm mờ mờ các đối tượng trong hoạt cảnh. Hình 1.10 cho thấy demo GLUT của skyfly. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 71 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 4.10. Hiệu ứng sương mù cung cấp một ảo ảnh có sức thuyết phục với không gian rộng  Blending and Transparency (phối hợp và độ trong suốt) Blending là sự kết hợp màu sắc hoặc các đối tượng trên màn hình, bạn có thể kết hợp các hiệu ứng với nhiều mục đích khác nhau. Hình 4.11 cho thấy: đầu tiên, khối lập phương được tạo ra lộn ngược phía dưới sàn nhà. Sau đó, sàn đá cẩm thạch được phối hợp với khung cảnh cho phép khối lập phương hiển thị qua mặt sàn. Cuối cùng, khối lập phương được vẽ lại phía trên bên phải và lơ lửng trên sàn. Kết quả là sự xuất hiện phản xạ trên bề mặt đá cẩm thạch sáng bóng. Hình 4.11. Sử dụng kết hợp để tạo hiệu ứng phản chiếu. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 72 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông  Antialiasing (khử răng cƣa) Là một hiệu ứng có thể nhìn thấy trên màn hình do thực tế một bức ảnh gồm các pixel rời rạc. Hình 1.13 có thể thấy rằng các đường tạo ra khối lập phương bên trái có cạnh răng cưa. Bằng việc kết hợp các cạnh với màu nền đằng sau có thể loại bỏ các cạnh lởm chởm và tạo ra các cạnh mịn hơn. Kỹ thuật pha trộn này gọi là khử răng cưa. Cũng có thể áp dụng khử răng cưa với các cạnh đa giác để làm cho đối tượng hoặc cảnh nhìn giống thực tế hơn. Hình 4.12. Khối lập phương với các cạnh lởm chởm so với khối lập phương cạnh trơn mịn 4.3. Ứng dụng của đồ họa 3D 3D là công nghệ được xây dựng từ các phần mềm máy tính, giúp người sử dụng có thể quan sát hình ảnh trong không gian ba chiều. Ứng dụng của công nghệ này được sử dụng trong một số lĩnh vực đạt hiệu quả cao như Y học, xây dựng, kiến trúc, phim, trò chơi... Tại Việt Nam công nghệ này chỉ mới được sử dụng phần lớn trong quảng cáo và kiến trúc.  Ứng dụng đồ hoạ 3D trong y tế Ứng dụng công nghệ hình ảnh 3D thu hút sự chú ý của nhiều người trong lĩnh vực y học. Nhiều bác sĩ cũng tận dụng công nghệ mới này phục vụ điều trị bệnh nhân giúp tăng độ chính xác và hiệu quả. Với phương pháp chụp cắt lớp điện toán (CT) hay chụp cộng hưởng từ (MRI). Bác sĩ phải theo dõi hình ảnh 2D trên màn hình, vừa phải tưởng tượng hình ảnh trong không gian 3 chiều đã gặp không ít khó khăn. Ứng dụng công nghệ hình ảnh 3D, bác sĩ nhìn được các hình ảnh 3 chiều rõ nét ngay lập tức và tập trung hơn vào phẫu thuật.  Ứng dụng đồ hoạ 3D trong xây dựng kiến trúc Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 73 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đối với người thiết kế: có thể vẽ lên không gian 3 chiều, ứng dụng vật liệu thật vào không gian, phối trí và phân tích ánh sáng, thông gió hợp lý nhất cho công trình thiết kế xây dựng làm cho sự kết hợp giữa các yếu tố, bố trí các vật dụng trở nên hài hoà. Tính toán tải trọng kết cấu chính xác nhất, đưa ra giải pháp tiết kiệm vật tư và chi phí nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh. - Đối với khách hàng: ứng dụng 3D trong kiến trúc làm cho người xem như đứng ngay trong không gian trong thực tế.  Ứng dụng đồ hoạ 3D trong phim, trò chơi Công nghệ 3D trong phim ảnh đang là xu hướng phát triển của điện ảnh thế giới. Ứng dụng tạo hình 3D mang đến cho người xem những trải nghiệm thực sự, những hình ảnh sống động và hấp dẫn. Nó cũng được sử dụng để tạo các hiệu ứng phim và thực tại ảo, khán giả sẽ trải nghiệm những hành động, cử chỉ sống động như thật. Trong game, ứng dụng công nghệ 3D để xây dựng mô hình và chuyển động cho hình ảnh sắc nét giúp người chơi bao quát được toàn bộ góc nhìn với chất lượng hình ảnh tốt nhất và không bị gián đoạn.  Ứng dụng đồ hoạ 3D trong mô phỏng, đào tạo Hệ thống phần mềm mô phỏng các thí nghiệm bằng hình ảnh minh họa sống động, giúp học sinh dễ nhận biết, tiếp thu và tạo sự hứng thú với môn học. Cho phép học sinh, sinh viên được quan sát trực quan các mô hình cụ thể, thấy được những hoạt động, chuyển động của các sự vật, sự kiện được giảng viên trình bày. Học sinh được hình dung một cách rõ ràng và đầy đủ các khái niệm về hình học không gian, địa lý vũ trụ, mô hình sinh học hoặc các khái niệm khó tưởng tượng ra trong thế giới hai chiều.  Ứng dụng đồ hoạ 3D trong lĩnh vực quốc phòng và an ninh Những sản phẩm mô phỏng sẽ được áp dụng trong giảng dạy các môn khoa học như Giáo dục quốc phòng, quân sự. Người học có thể quan sát chi tiết các hoạt động của các bộ phận cơ khí,quy trình hoạt động và tương tác, những hiện tượng xảy ra trong các hoạt động của vũ khí. Công nghệ mô phỏng 3D mô tả chi tiết cụ thể hiện tượng bắn, quá trình chuyển vận của các bộ phận trong tương tác sự vật, hiện tượng giúp cho học sinh dễ nhận biết, tiếp thu tạo sự hứng thú với môn học. Có thể nói các ứng dụng tiềm năng của công nghệ hình ảnh 3D là vô hạn và để làm được điều đó ta phải nắm được quy trình hiển thị ảnh 3D. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 74 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông 4.4. Quy trình hiển thị đối tƣợng 3 chiều Các đối tượng trong thế giới thực phần lớn là các đối tượng 3 chiều còn thiết bị hiển thị chỉ 2 chiều. Do vậy muốn có hình ảnh ba chiều ta cần phải giả lập. Chiến lược cơ bản là biến đổi từng bước. Hình ảnh sẽ được hình thành từ từ, ngày càng chi tiết hơn. Quy trình hiển thị ảnh ba chiều như sau: Quy trình xử lý thông tin trong đồ họa ba chiều là một chuỗi các bước nối tiếp nhau, kết quả của mỗi bước sẽ là đầu vào của bước tiếp theo. Hình 4.13. Quy trình hiển thị đối tượng ba chiều Các bước trong quy trình hiển thị:  Bước đầu tiên trong quy trình hiển thị là biến đổi đối tượng từ không gian đối tượng (object space) vào một không gian chung gọi là không gian thực (world space). Trong không gian này các đối tượng, nguồn sáng, và người quan sát cùng tồn tại. Bước này gọi là giai đoạn biến đổi mô hình (modeling transformation).  Loại bỏ các đối tượng không nhìn thấy được (trivial rejection): Loại bỏ các đối tượng hoàn toàn không thể nhìn thấy trong cảnh. Thao tác này giúp loại bỏ bớt các đối tượng không cần thiết do đó giảm bớt chi phí xử lý. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 75 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông  Chiếu sáng đối tượng (illumination): Gán cho các đối tượng màu sắc dựa trên các đặc tính của các chất tạo nên chúng và các nguồn sáng tồn tại trong cảnh.  Chuyển từ world space sang eye space (Viewing transformation): Thực hiện một phép biến đổi tọa độ để đặt vị trí quan sát về gốc tọa độ và mặt phẳng quan sát về một vị trí mong ước. Hình ảnh hiển thị phụ thuộc vào vị trí quan sát và góc nhìn. Hệ qui chiếu có gốc đặt tại vị trí quan sát và phù hợp với hướng nhìn sẽ thuận lợi cho các xử lý thật.  Loại bỏ phần nằm ngoài (Clipping): Thực hiện việc xén đối tượng trong cảnh để cảnh nằm gọn trong một phần không gian hình chóp cụt giới hạn vùng quan sát mà ta gọi là Viewing frustum. Viewing frustum có trục trùng với tia nhìn, kích thước giới hạn bởi vùng ta muốn quan sát.  Chiếu từ không gian nhìn xuống không gian màn hình (Projection): Thực hiện việc chiếu cảnh 3 chiều từ không gian quan sát xuống không gian màn hình. Có hai phương pháp chiếu là phép chiếu song song và phép chiếu phối cảnh. Khi chiếu ta phải tiến hành khử mặt khuất để có thể nhận được hình ảnh trung thực. Khử mặt khuất cho phép xác định vị trí (x, y) trên màn hình thuộc về đối tượng nào trong cảnh.  Chuyển đối tượng sang dạng pixel (Rasterization)  Hiển thị đối tượng (Display). 4.5. Các phép chiếu Định nghĩa về phép chiếu Một cách tổng quát, phép chiếu là phép chuyển đổi những điểm của đối tượng trong hệ thống tọa độ n chiều thành những điểm trong hệ thống tọa độ có số chiều nhỏ hơn n. Định nghĩa về hình chiếu Ảnh của đối tượng trên mặt phẳng chiếu được hình thành từ phép chiếu bởi các đường thẳng gọi là tia chiếu (projector) xuất phát từ một điểm gọi là tâm chiếu (center of projection) đi qua các điểm của đối tượng giao với mặt chiếu (projection plan). Các bước xây dựng hình chiếu 1. Đối tượng trong không gian 3D với tọa độ thực được cắt theo một không gian xác định gọi là view volume. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 76 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông 2. View volume được chiếu lên mặt phẳng chiếu. Diện tích chiếu bởi view volume trên mặt phẳng chiếu đó sẽ cho chúng ta khung nhìn. 3. Là việc ánh xạ khung nhìn vào trong một cổng nhìn bất kỳ cho trước trên màn hình để hiển thị hình ảnh. Hình 4.14. Mô hình nguyên lý của tiến trình biểu diễn đối tượng 3D Hình 4.15. Phân loại các phép chiếu Trong đồ họa hai chiều, các thao tác quan sát biến đổi các điểm hai chiều trong mặt phẳng tọa độ thế giới thực thành các điểm hai chiều trong mặt phẳng hệ tọa độ thiết bị. Sự định nghĩa đối tượng, bị cắt bởi một cửa sổ, được ánh xạ vào một vùng Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 77 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông quan sát. Các hệ tọa độ thiết bị chuẩn hóa này sau đó được biến đổi sang các hệ tọa độ thiết bị và đối tượng được hiển thị lên thiết bị kết xuất. Đối với đồ họa ba chiều, việc làm này phức tạp hơn một chút, vì bây giờ có vài chọn lựa để có thể quan sát ảnh như thế nào. Chúng ta có thể quan sát ảnh từ phía trước, từ phía trên, hoặc từ phía sau. Hoặc chúng ta có thể tạo ra quang cảnh về những gì chúng ta có thể thấy nếu chúng ta đang đứng ở trung tâm của một nhóm các đối tượng. Ngoài ra, sự mô tả các đối tượng ba chiều phải được chiếu lên bề mặt quan sát của thiết bị xuất. Trong chương này, trước hết chúng ta sẽ thảo luận các cơ chế của phép chiếu. Sau đó, các thao tác liên quan đến phép biến đổi cách quan sát, và đầy đủ các kỹ thuật quan sát ảnh ba chiều sẽ được phát triển. Có hai phương pháp cơ bản để chiếu các đối tượng ba chiều lên bề mặt quan sát hai chiều. Tất cả các điểm của đối tượng có thể được chiếu lên bề mặt theo các đường thẳng song song hoặc các điểm có thể được chiếu theo các đường hội tụ về một điểm được gọi là tâm chiếu (the center of projection). Hai phương pháp này được gọi là phép chiếu song song (parallel projection)và phép chiếu phối cảnh (perspective projection). Trong cả hai trường hợp, giao điểm của đường chiếu với bề mặt quan sát xác định các tọa điểm của điểm được chiếu lên mặt phẳng chiếu này. Chúng ta giả sử rằng mặt phẳng chiếu là mặt z = 0 của hệ tọa độ bàn tay trái (left handed coordinate system). Hình 4.16. Hai phương pháp chiếu một đoạn thẳng lên bề mặt của mặt phẳng chiếu Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 78 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 4.16. Ví dụ minh họa các phép chiếu phối cảnh 4.5.1. Phép chiếu song song Phép chiếu song song (Parallel Projections) là phép chiếu mà ở đó các tia chiếu song song với nhau hay xuất phát từ điểm vô cùng. Phân loại phép chiếu song song dựa trên hướng của tia chiếu (Direction Of Projection) và mặt phẳng chiếu (projection plane). Phép chiếu song song bảo tồn mối quan hệ về chiều của các đối tượng, và đây là kỹ thuật được dùng trong việc phác thảo để tạo ra các bức vẽ tỷ lệ của các đối tượng ba chiều. Phương pháp này được dùng để thu các hình ảnh chính xác ở các phía khác nhau của một đối tượng. Tuy nhiên, phép chiếu song song không cho một hình ảnh thực tế của các đối tượng ba chiều. Ngược lại, phép chiếu phối cảnh tạo ra các hình ảnh thực nhưng không bảo tồn các chiều liên hệ. Các đường ở xa được chiếu sẽ nhỏ hơn các đường ở gần mặt phẳng chiếu, như trong hình. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 79 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 4.17. Hai đoạn thẳng dài bằng nhau trong phép chiếu phối cảnh Các hình ảnh được hình thành bằng phép chiếu song song có thể được xác định dựa vào góc hợp bởi hướng của phép chiếu hợp với mặt phẳng chiếu. Khi hướng của phép chiếu vuông góc với mặt phẳng, ta có phép chiếu trực giao (hay phép chiếu vuông góc - orthographic projection). Một phép chiếu có thể không vuông góc với mặt phẳng chiếu được gọi là phép chiếu xiên (oblique projection). Các phép chiếu trực giao hầu như được dùng để tạo ra quang cảnh nhìn từ phía trước, bên sườn, và trên đỉnh của đối tượng (xem hình ). Quang cảnh phía trước, bên sườn, và phía sau của đối tượng được gọi là “mặt chiếu” (elevation), và quang cảnh phía trên được gọi là “mặt phẳng” (plane). Các bản vẽ trong kỹ thuật thường dùng các phép chiếu trực giao này, vì các chiều dài và góc miêu tả chính xác và có thể đo được từ bản vẽ. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 80 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 4.16. Ba phép chiếu trực giao của một đối tượng 4.5.2. Phép chiếu phối cảnh Phép chiếu phối cảnh là phép chiếu mà các tia chiếu không song song với nhau mà xuất phát từ một điểm gọi là tâm chiếu. Phép chiếu phối cảnh tạo ra hiệu ứng về luật xa gần tạo cảm giác về độ sâu của đối tượng trong thế giới thật mà phép chiếu song song không lột tả được. Các đoạn thẳng song song của mô hình 3D sau phép chiếu hội tụ tại một điểm gọi là điểm triệt tiêu (vanishing point). Phân loại phép chiếu phối cảnh dựa vào tâm chiếu - Centre Of Projection (COP) và mặt phẳng chiếu projection plane. Bài giảng Cơ sở đồ họa máy tính – Ngành CNTRT, TKĐH 81 Bộ môn Truyền thông Đa phương tiện – Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Hình 4.17. Phép biến đổi phối cảnh Hình 4.18. Phép chiếu với tâm chiếu trên trục z