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

Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 1 (c) SE/FIT/HUT 2002 Lesson 1: Kỹ thuật đồ họa và Hiện thực ảo Computer Graphics And Virtual Reality „ Kỹ Thuật đồ họa cơ sở „ Kỹ Thuật đồ họa tiên tiến „ Hiện thực ảo - VRML Le Tan Hung hunglt@it-hut.edu.vn (c) SE/FIT/HUT 2003 2 Tổng quan về kỹ thuật đồ hoạ ‰ Các khái niệm tổng quan của kỹ thuật đồ hoạ máy tính ‰ Các kỹ thuật đồ hoạ ‰ Phân loại các lĩnh vực của kỹ thuật đồ hoạ ‰ Hệ đồ họa tương tác (interactive) ‰ Phần cứng đồ hoạ (Graphics Hardware) (c) SE/FIT/HUT 2003 3 A Brief History of Computer Graphics 1885 - CRT (Cathode Ray Tube) 1887 - Edison patents motion picture camera 1888 - Edison and Dickson record motion picture photos on a wax cylinder (c) SE/FIT/HUT 2003 4 A Brief History of Computer Graphics 1926 – J.L. Baird invents the television. 30 line vertical, black and red scan. (c) SE/FIT/HUT 2003 5 A Brief History of Computer Graphics 1963 „ IBM creates the 360 models „ One of the First General Purpose Mainframes „ SRI develops the mouse. (c) SE/FIT/HUT 2003 6 A Brief History of Computer Graphics 1966 „ Ralph Baer creates the 1st comsumer CG product: Odyssey Pinball Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 2 (c) SE/FIT/HUT 2003 7 A Brief History of Computer Graphics 1967 „ GE introduces first full colour real time flight simulator for NASA (c) SE/FIT/HUT 2003 8 A Brief History of Computer Graphics 1968 „ John Whitney: Permutations In "Permutations," (1968) he delineates a marvellous and exciting new world. One senses a choreographer. The movements are reminiscent of traditional ballet. The shapes follow the dictates of formal geometry more than those of abstract painting. Movement is three- dimensional and the ambition for a more polished three-dimensional shaded space is apparent. (c) SE/FIT/HUT 2003 9 A Brief History of Computer Graphics 1973 „ Michael Crichton’s “Westworld” uses 2D graphics „ First time computer is used for image manipulation. „ Featured scenes that showed audiences the world viewed by the eye circuitry of a synthetic human (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. (c) SE/FIT/HUT 2003 10 A Brief History of Computer Graphics 1974 „ Intel develop the 8080 processor. 1975 „ Mandelbrot plots fractals „ Bill Gates starts Microsoft (c) SE/FIT/HUT 2003 11 A Brief History of Computer Graphics 1976 „ Steve Jobs and Steve Wozniak start Apple. 1977 „ Academy of Motion Pictures Art and Sciences introduces Visual Effects category for Oscars. (c) SE/FIT/HUT 2003 12 A Brief History of Computer Graphics 1977 „ Star Wars wins oscar for special effects. 1978 •Superman wins oscar for special effects. Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 3 (c) SE/FIT/HUT 2003 13 A Brief History of Computer Graphics 1979 „ Alien wins oscar for visual effects. 1980 •The Empire Strikes Back wins oscar for visual effects. (c) SE/FIT/HUT 2003 14 A Brief History of Computer Graphics 1980 „ Disney’s TRON is the first live action film with over 20 mins of computer animations. „ Seagate Technology releases the HDD for PCs (c) SE/FIT/HUT 2003 15 A Brief History of Computer Graphics 1981 IBM introduces the first IBM PC (16 bit 8088 chip) • Raiders of the Lost Ark wins an oscar for visual effects. (c) SE/FIT/HUT 2003 16 A Brief History of Computer Graphics 1982 „ The Genesis Effect (ILM) for Startrek II is the first all computer animated visual effects shot for film. (c) SE/FIT/HUT 2003 17 A Brief History of Computer Graphics 1983 „ First Coke Polar Bears Commercial „ 1984 PIXAR Opens (c) SE/FIT/HUT 2003 18 A Brief History of Computer Graphics 1985 „ The Last Starfighter is the first live action feature film with realistic computer animation of highly detailed models. Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 4 (c) SE/FIT/HUT 2003 19 A Brief History of Computer Graphics 1989 „ The Abyss is the first movie to include convincing 3D character animation. (c) SE/FIT/HUT 2003 20 A Brief History of Computer Graphics 1990 „ Windows 3.0 ships 1993 „ Myst 1994 „ Playstation and N64 released (c) SE/FIT/HUT 2003 21 A Brief History of Computer Graphics 1995 „ Quake Released by Id Software „ Toy Story becomes the first fully 3D computer animation feature film. (c) SE/FIT/HUT 2003 22 A Brief History of Computer Graphics 1996 „ Independence Day wins oscar for visual effects. (c) SE/FIT/HUT 2003 23 A Brief History of Computer Graphics 1997 „ Titanic wins oscar for visual effects. „ PIXAR wins oscar for best short film: Geri’s Game. (c) SE/FIT/HUT 2003 24 A Brief History of Computer Graphics 1998 „ Armageddon „ Mouse Hunt „ Bugs Life 1999 „ The Matrix „ Star Wars: The Phantom Menace „ Disney’s Tarzan Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 5 (c) SE/FIT/HUT 2003 25 A Brief History of Computer Graphics 2000 „ Sony Playstation II „ Walking with Dinosaurs „ Disney’s Shrek 2002 Microsoft’s XBOX (c) SE/FIT/HUT 2003 26 Kỹ thuật đồ họa vi tính. „ Definition (ISO) „ Computer Graphics (Kỹ thuật đồ hoạ máy tính) „ Computer graphics deals with all aspects of creating images with a computer model – Interactive Computer Graphics: (c) SE/FIT/HUT 2003 27 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: „ Phương pháp để tạo ra các pixel (c) SE/FIT/HUT 2003 Bitmap lines,areas,... SRGP library Pascal / C program X Window System Graphics hardware Image image formats, compression, transfer graphics algorithms colourpositions (c) SE/FIT/HUT 2003 29 Graphical Model Rendering Output Device Rendering Parameters Kỹ thuật đồ hoạ vector „ Vector = geometrical model + rendering (c) SE/FIT/HUT 2003 30 Ví dụ về hình ảnh đồ hoạ Vector Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 6 (c) SE/FIT/HUT 2003 31 Muscle ModelWireframe Model Skeletal Model Skin Hair Render and Touch up © Walt Disney and TSL (c) SE/FIT/HUT 2003 32 Raster and Vector Graphics „ Raster „ Hình ảnh và mô hình của các vật thể được biểu diễn bởi tập hợp các điểm của grid „ 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 đổi thuộc tính của từng điểm trực tiếp „ Xử lý với từng thành phần hình học cơ sở của nó và thực hiện quá trình tô trát và hiển thị lại. „ Quan sát hình ảnh và mô hình của hình ảnh và sự vật ở nhiều góc độ khác nhau bằng cách thay đổi điểm nhìn và góc nhìn. (c) SE/FIT/HUT 2003 33 Phân loại các lĩnh vực của Computer Graphics Kü thuËt ph©n tÝch vµ t¹o ¶nh §å ho¹ ho¹t h×nh vµ nghÖ thuËt Kü thuËt nhËn d¹ng Xö lý ¶nh §å ho¹ minh ho¹ CAD/CAM System Kü thuËt ®å ho¹ KiÕn t¹o ®å ho¹ Xö lý ®å ho¹ (c) SE/FIT/HUT 2003 34 Phân loại theo hệ toạ độ Kü thuËt ®å ho¹ Kü thuËt ®å ho¹ 2 chiÒu Kü thuËt ®å ho¹ ba chiÒu (c) SE/FIT/HUT 2003 35 Phân loại theo chức năng „ Kỹ thuật xử lý ảnh (COMPUTER IMAGING) „ Kỹ thuật nhận dạng (Computer Vision techniques attempt to provide meaning to computer) images. „ Kỹ thuật tổng hợp ảnh (Computer Graphics) „ Geometry modelling (c) SE/FIT/HUT 2003 36 Các ứng dụng tiêu biểu của kỹ thuật đồ họa „ Xây dựng giao diện người dùng (User Interface) „ Tạo các biểu đồ trong thương mại, khoa học, kỹ thuật „ Tự động hoá văn phòng và chế bản điện tử „ Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD_CAM) „ Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật và mô phỏng „ Điều khiển các quá trình sản xuất (Process Control) „ Lĩnh vực bản đồ (Cartography) Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 7 (c) SE/FIT/HUT 2003 37 (c) SE/FIT/HUT 2003 38 (c) SE/FIT/HUT 2003 39 CAD-CAM application (c) SE/FIT/HUT 2003 40 Hệ đồ họa tương 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 chuẩn của hệ đồ hoạ (c) SE/FIT/HUT 2003 41 concerned with: - hardware - how to display (rasterization) concerned with: - modeling - modeling transf. - color models - material property - lighting property G U I MODELING RENDERING DISPLAYING what is a table, a car, • • • ( to describe) to the computer Geometric Engine (to capture) the description create 2D image from 2D / 3D models Rendering Engine generate image on screen (to show) the image Raster & Display Engine concerned with : - viewing & projection - drawing & clipping primitives - local illumination & shading - texture mapping - global rendering Thành phần trong chức năng của kỹ thuật đồ hoạ (c) SE/FIT/HUT 2003 42 Các thành phần của hệ đồ hoạ tương tác Application Data Structure Application Program Graphics System Computer Graphics Devices Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 8 (c) SE/FIT/HUT 2003 43 Model of RGP Application model Application program SRGP Display Hardware output pipeline input pipeline output primitives output attributes Canvascontrol copyPixel Input device measures Input device control (c) SE/FIT/HUT 2003 3D Graphics Over World Wide Web SRGP library Pascal / C program X Window System Graphics hardware Image image formats, compression, transfer graphics algorithms colour Drawing packages transformation of objects 3D Graphics projections lighting,shading lines,areas,...positions Video WWW Animation WWW VRML (c) SE/FIT/HUT 2003 45 Thành phần thư viện đồ hoạ „ Các thực thể cơ sở ƒ Điểm (pixel) ƒ Đường thẳng (line) ƒ Đường tròn (circle) „ Đa giác (polygon) ..v..v. „ Các thuộc tính ƒ Màu sắc (color) ƒ Kiểu đường vẽ (line style) ƒ Kiểu văn bản (text style) „ Mẫu tô (pattern). (c) SE/FIT/HUT 2003 46 Bộ xử lý tương tác với người sử dụng „ Hệ thống đồ hoạ thông thường phải chứa một tập hợp các thủ tục (chương trình con) để xử lý với các thiết bị vào ra (I/O System). „ hệ thống đồ hoạ sinh ra các thiết bị ngoại vi lôgic để tương tác giữa người sử dụng và thiết bị ngoại vi này. „ Một chu trình điển hình của các chương trình ứng dụng quản lý các thiết bị ngoại vi được gọi là vòng lặp sự kiện từ thiết bị (event-driven loop ) (c) SE/FIT/HUT 2003 47 Hệ thống đồ hoạ (Graphics System) „ Interface between application software and graphics hardware system „ Consists of input subroutines and output subroutines accepting input data or commands from a user and converting internal representations into external pictures on screen, respectively „ Phần mềm đồ hoạ hệ thống: „ Là tập hợp các lệnh đồ hoạ của hệ thống (graphics output commands), „ Thực hiện công việc hiển thị cái gì (what object) và chúng sẽ được hiển thị như thế nào (how). „ Phần mềm đồ hoạ hệ thống là phần mềm xây dựng trên cơ sở một thể loại phần cứng nhất định và phụ thuộc vào phần cứng. „ Phần cứng đồ hoạ: „ Là tập hợp các thiết bị điện tử (CPU, bộ nhớ màn hình) giúp cho việc thực hiện các phần mềm đồ hoạ. (c) SE/FIT/HUT 2003 48 Application program Graphics system Graphics hardware Input and output devices Core, GKS, GKS-3D CGI (device interface) CGM (metafile) PHIGS (3D and realtime) X-window PHIGS+ (PEX) IGES OpenGL DirectX Metafiles Operating system Giao diện hệ thống đồhọa Interface of Graphics System Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 9 (c) SE/FIT/HUT 2003 49 Các chuẩn giao diện của hệ đồ hoạ „ GKS (Graphics Kernel System): „ GKS Functional Description, ANSI X3.124 - 1985. „ 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 50 Non-official industry standards Các chuẩn của hệ đồ hoạ „ OPENGL SGI’s OpenGL 1993 „ DIRECTX Direct X/Direct3D 1997 (c) SE/FIT/HUT 2003 51 OpenGL „ Software interface to graphics hardware „ Client-server model „ 250 distinct commands „ Object specification + image generation „ Simple primitives: points, lines, polygons (pixels, images, bitmaps) „ 3D rendering „ Commands interpreted using client-server model „ Client (Application) issues commands „ Server (OpenGL) interprets and processes commands „ Frame buffer configuration done by the window system (c) SE/FIT/HUT 2003 52 „ Direct control of graphics hardware „ Direct control of input/output devices, and sound Application programApplication progra Windows systemindows syste Direct sound Direct draw Direct 3D Direct input Windows APIindows API Direct X .. DirectX (c) SE/FIT/HUT 2003 53 Các thiết bị vào ra dữ liệu „ Máy in ƒ Dot size: đường kính của một điểm in bé nhất mà máy in có thể in được ƒ Addressability: khả năng địa chỉ hoá các điểm in có thể có trên một đơn vị độ dài (dot per inch) ƒ Số lượng màu có thể 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 54 Phần cứng đồ hoạ (Graphics Hardware) „ Các thành phần phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 10 (c) SE/FIT/HUT 2003 55 Màn hình CRT (c) SE/FIT/HUT 2003 56 Màn hình CRT SONY Trinitron CRT NEC Hybrid Mask Hitachi EDP Standard Dot-trio (c) SE/FIT/HUT 2003 57 Các thiết bị hiển thị dạng vector „ MOVE 10,15 „ LINE 400,300 „ LINE 600,800 „ Refesh Buffer DrawLine(A, B): Turn beam off, move to A. Turn beam on, move to B. A B (c) SE/FIT/HUT 2003 58 Graphics Devices Display processor CRT Alphanumeric keyboard Stylus Data tablet Interface to host computer MOVE 10 15 LINE 100 25 CHAR LU CY LINE JMP Refresh buffer memory (Display commands) (interaction data) (c) SE/FIT/HUT 2003 59 Display processor CRT Interface to host computer (Display commands) (interaction data) Keyboard Data input00000000000000000000000001000000 00000000000000000000000001000000 00000000000000000000000111110000 00000000011000000001111111111111 00000000111100000000000111110000 00000011111111000000000001000000 00001111111111110000000001000000 00111111111111111100000000000000 00011111111111111000000000000000 00011111111111111000000000000000 00011111111111111000000000000000 00000000000000000000000000000000 Bitmap refresh buffer (the 1’s are accentuated for contrast) Typical raster graphics display showing a house and a star (c) SE/FIT/HUT 2003 60 Các thiết bị hiển thị dạng điểm Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội Email: hunglt@it-hut.edu.vn Tel: 0913030731 11 (c) SE/FIT/HUT 2003 61 LCD-Liquid Crystal Display „ A transmissive technology „ Works by letting varying amounts of a fixed-intensity white backlight through an active filter „ Organnic crystals that lign themselves together „ When external force is applied they realign themselves „ This is used to change polarisation and filter light (c) SE/FIT/HUT 2003 62 CRT Displays Advantages „ Fast repsonse (high resolution possible) „ Full color (large modulation depth of E-beam) „ Saturated and natural colors „ Inexpensive, matured technology „ Wide angle, high contrast and brightness Disadvantages „ Large and heavy (typ. 70x70 cm, 15 kg) „ High power consumption (typ. 140W) „ Harmful DC and AC electric and magnetic fields „ Flickering at 50-80 Hz (no memory effect) „ Geometrical errors at edges (c) SE/FIT/HUT 2003 63 LCD Displays Advantages „ Small footprint (approx 1/6 of CRT) „ Light weight (typ. 1/5 of CRT) „ Low power consumption (typ. 1/4 of CRT) „ Completely flat screen - no geometrical errors „ Crisp pictures - digital and uniform colors „ No electromagnetic emission „ Fully digital signal processing possible „ Large screens (>20 inch) on desktops Disadvantages „ High price (presently 3x CRT) „ Poor viewing angle (typ. +/- 50 degrees) „ Low contrast and luminance (typ. 1:100) „ Low luminance (typ. 200 cd/m2) (c) SE/FIT/HUT 2003 64 Future Research Areas Hướng nghiên cứu „ Graphics accelerators „ parallel processing „ Geometric modeling „ physically-based modeling „ level of detail „ Motion control / synthesis „ kinematics / dynamics „ motion capture/ modification „ Rendering „ photo-realism „ real-time „ image-based rendering „ non-photorealistic rendering „ Scientific visualization „ Geometric algorithms „ User interface