Bài giảng Công nghệ đồ họa và hiện thực ảo - Bài 2: Các hệ thống đồ họa - Trịnh Thành Trung

©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
Bài 2 
CÁC HỆ THỐNG ĐỒ HỌA 
Trịnh Thành Trung 
trungtt@soict.hust.edu.vn 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
- 
NỘI DUNG 
1. Tiến trình xử lý đồ họa 
2. Phần mềm hệ đồ họa 
3. Phần cứng hệ đồ họa 
2 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
- 
TIẾN TRÌNH XỬ LÝ ĐỒ HỌA 
1 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
4 
Tiến trình xử lý đồ họa 
 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 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
Mô hình hóa 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
Tô trát 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• Rời rạc hóa - Rasterizer 
– Chuyển đổi các đối tượng hình học. (vertex) 
thành các biểu diễn ảnh. (fragment) 
• Fragment = image fragment 
– Pixel + associated data: color, depth, stencil, etc. 
– Chấp nhận nội suy tạo các điểm ảnh 
Hiển thị 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
8 
• 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. 
• 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. 
Hệ thống đồ họa 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
- 
PHẦN CỨNG HỆ ĐỒ HỌA 
2 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
- 
PHẦN CỨNG HỆ ĐỒ HỌA 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• 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. 
Chức năng nhiệm vụ 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• 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. 
Chức năng nhiệm vụ 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• GPU: thành phần xử lý chính trên bo mạch đồ họa với 
mục đich tăng tốc và phù hợp với các phần mềm đồ 
họa. 
• Đặc điểm chính 
– Programmability 
– Precision 
– Power 
Vi xử lý đồ họa 
G
F
L
O
P
S
NVIDIA NV30, 35, 40 
ATI R300, 360, 420 
Pentium 4 
July 01 Jan 02 July 02 Jan 03 July 03 Jan 04 
multiplies per second 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
Ưu điểm 
• Modern GPUs có khả năng 
lập trình 
– Lập trình trên pixel, 
vertex, video engines 
– Hỗ trợ lập trình với các 
ngôn ngũ bậc cao 
• Modern GPUs hỗ trợ độ 
chính xác cao 
– Hỗ trợ 32 bit floating 
point trên pipeline 
– Bộ nhớ 
Vi xử lý đồ họa 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
Nhược điểm 
• GPU được thiết kế chuyên cho video games 
– Mô hình lập trình đặc biệt theo hướng computer 
graphics 
– Môi trường lập trình chặt chẽ về cú pháp và câu lệnh 
• Kiến trúc mức thấp: 
– Thường song song 
– Phát triển liên tục 
– Công nghệ bí mật của các hãng 
• Không đơn giản như viết code cho CPU 
Vi xử lý đồ họa 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• GPU trong tiến trình xử lý đồ họa 
– Luồng luôn thay đổi độ và chuyển đổi dũ liệu 
giữa các phần nhiều 
– Nhiều caches, FIFOs, và nhiều vấn đề khác 
Trong tiến trình xử lý đồ họa 
GPU 
CPU 
Application Transform Rasterizer Shade Video 
Memory 
(Textures) 
Vertices 
(3D) 
Xformed, Lit 
Vertices 
(2D) 
Fragments 
(pre-pixels) 
Final 
pixels 
(Color, Depth) 
Graphics State 
Render-to-texture 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
• GPU hiện đại trong tiến trình xử lý đồ họa 
– bổ sung thêm vertex processor và fragment 
processor 
Trong tiến trình xử lý đồ họa 
GPU 
CPU 
Application Transform Rasterizer Shade Video 
Memory 
(Textures) 
Vertices 
(3D) 
Xformed, Lit 
Vertices 
(2D) 
Fragments 
(pre-pixels) 
Final 
pixels 
(Color, Depth) 
Graphics State 
Render-to-texture 
Vertex 
Processor 
Fragment 
Processor 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
18 
• Vùng bộ nhớ chứa dữ liệu cho hình ảnh hiển thị 
• Các mầu sắc đươc lưu trữ độc lập trong bọ đệm - 
framebuffer 
• 24 bits per pixel = 8 bits red, 8 bits green, 8 bits blue 
– 16 bits per pixel = ? bits red, ? bits green, ? bits blue 
Bộ đệm màn hình (Framebuffer) 
DAC 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
19 
• True-color ( 24-bit hoặc 32-bit) framebuffer lưu trữ 
một byte cho red, green hoặc blue 
• Do đó, mỗi pixel có thể có được 224 màu 
Bộ đệm màn hình (Framebuffer) 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
20 
– X : 0  Xmax 2 màu/ 1 bit 
– Y : 0  Ymax 16 màu/ 4 bit 
– 256 màu/ 8bit 
– 216 màu/ 16 bit 
– 224 màu/ 24 bit 
– 640 480 16 Video RAM = 2MB 
– 1024 1024 24 Video RAM = 24MB 
Bộ đệm màn hình (Framebuffer) 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
21 
Các thiết bị hiển thị 
tất cả các thiết bị 
hiển thị đồ họa 
đều là dạng điểm 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
22 
Hiển thị 
SONY Trinitron CRT 
NEC Hybrid Mask Hitachi EDP 
Standard Dot-trio 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
23 
• Plasma display panels 
– Similar in principle to 
fluorescent light tubes 
– Small gas-filled capsules 
are excited by electric field, 
emits UV light 
– UV excites phosphor 
– Phosphor relaxes, emits 
some other color 
Màn hình Plasma 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
24 
• Transmissive & reflective LCDs: 
– LCDs act as light valves, not light emitters, 
and thus rely on an external light source. 
– Laptop screen: backlit, transmissive display 
– Palm Pilot/Game Boy: reflective display 
Display Technology: LCDs 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
25 
•Organic Light-Emitting Diode 
(OLED) Arrays 
– OLEDs hoạt động tương tự cơ 
chế của LEDs bán dẫn 
•Cấu trúc là màng chất dẻo mỏng: 
– Màng film cấu tạo bởi các phần 
tử hữu cơ, các phân tử phát 
sáng bởi sự thăng hoa khí trong 
môi trường chân không 
– Mầu sắc được tạo thành từ các 
lớp mầu gồm các phân tử 
huỳnh quang được kích thích. 
– Mịn, không to như các hạt tinh 
thể và không phát nhiệt 
– Có thể tạo màn hình rộng loại 
OLEDs 
Màn hình hữu cơ (OLED) 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
- 
PHẦN MỀM HỆ ĐỒ HỌA 
3 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
- 
PHẦN MỀM HỆ ĐỒ HỌA 
Application program 
 Graphics system 
Graphics 
hardware 
Input and 
output devices 
Metafiles 
Operating system 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
28 
• 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. 
– GKS Functional Description, ANSI X3.124 - 1985. 
– GKS - 3D Functional Description, ISO Doc 
#8805:1988. 
• 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. 
Các chuẩn giao diện 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
29 
• 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. 
– PHIGS Functional Description, ANSI X3.144 - 1985. 
– PHIGS+ Functional Description, 1988, 1992. 
Các chuẩn giao diện 
©
 C
o
p
yrigh
t Sh
o
w
eet.co
m
30 
Các chuẩn không chính thức 
• OPENGL thư viện đồ họa của hãng Silicon 
Graphics, được xây dựng theo đúng chuẩn của 
một hệ đồ họa. 
– SGI’s OpenGL 1993 
• DIRECTX thư viện đồ hoạ của hãng Microsoft 
– Direct X/Direct3D 1997 
Các chuẩn giao diện