Bài giảng Đồ họa và Hiện thực ảo - Lesson 1: Kỹ thuật đồ họa và Hiện thực ảo - Lê Tấn Hùng

Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email: hunglt@it-hut.edu.vn
Tel: 0913030731
1
1
Lesson 1:
Kỹ thuật đồ họa và Hiện thực ảo
Computer Graphics And Virtual Reality
z Kỹ Thuật đồ họa cơ sở
z Kỹ Thuật đồ họa tiên tiến
z Hiện thực ảo - VRML
Le Tan Hung
hunglt@it-hut.edu.vn
2
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
3
A Brief History of Computer 
Graphics
1926 – J.L. Baird
invents the 
television.
30 line vertical, 
black and red scan.
4
Computer Graphics: 
1960-1970
z 1960 William Fetter (Thuật ngữ kỹ thuật 
đồ hoạ máy tính (Computer Graphics)
z 1960 - SAGE (Semi-Automatic
Ground Environment System) Bút
sáng
z 1960-1963 Dự án Sketchpad tại MIT 
z 1963 Ivan shutherland (hội nghị Fall
Joint Computer - lần đầu tiên khả năng
tạo mới, hiển thị và thay đổi được thực
hiện trong thời gian thực trên màn
CRT)
z Wireframe graphics
z Display Processors
z Storage tube
z Ivan Sutherland’s PhD 
thesis at MIT
– Vấn đề tương tác người 
máy 
– Loop
z Display something
z User moves light pen
z Computer generates new 
display
– Sutherland tạo ra rất nhiều 
thuật toán cho CG
5
A Brief History of Computer 
Graphics
1963
z IBM creates the 360 models
– One of the First General Purpose 
Mainframes
z SRI develops the mouse.
6
A Brief History of Computer 
Graphics
z 1966 Ralph Baer creates 
the 1st comsumer CG 
product:
– Odyssey Pinball
z 1967
– GE introduces first full colour 
real time flight simulator for 
NASA
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email: hunglt@it-hut.edu.vn
Tel: 0913030731
2
7
Lịch sử phát triển
1970-1980
z CG:1970-1980
z Raster Graphics
z Beginning of graphics 
standards
– IFIPS
z GKS: European effort
– Becomes ISO 2D standard
z Core: North American effort
– 3D but fails to become ISO 
standard
8
A Brief History of Computer 
Graphics
1973
z Michael Crichton’s “Westworld” 
uses 2D graphics 
z First time computer is used for image 
manipulation.
z 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. 
9
A Brief History of Computer 
Graphics
1974
z Intel develop the 8080 processor.
1975
z Mandelbrot plots fractals
z Bill Gates starts Microsoft
1976
z Steve Jobs and Steve Wozniak start Apple.
1977
z Academy of Motion Pictures Art and Sciences 
introduces Visual Effects category for Oscars.
10
A Brief History of Computer 
Graphics
z 1977 Star Wars wins oscar for special 
effects.
z 1978 Superman wins oscar for special 
effects
z 1979 Alien wins oscar for visual effects.
z 1980 The Empire Strikes Back wins oscar 
for visual effects.
11
80-90
z CG: 1980-1990
– Special purpose hardware
z Silicon Graphics geometry engine
– VLSI implementation of graphics pipeline
– Industry-based standards
z PHIGS
z RenderMan
– Networked graphics: X Window System
– Human-Computer Interface (HCI)
12
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.
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email: hunglt@it-hut.edu.vn
Tel: 0913030731
3
13
A Brief History of Computer 
Graphics
1982
z The Genesis Effect (ILM) 
for Startrek II is the first all 
computer animated visual 
effects shot for film.
14
A Brief History of Computer 
Graphics
1983
z First Coke Polar Bears 
Commercial
z 1984 PIXAR Opens
15
A Brief History of Computer 
Graphics
1985
z The Last Starfighter is the first live 
action feature film with realistic 
computer animation of highly detailed 
models.
1989
z The Abyss is the first movie to include 
convincing 3D character animation.
16
Lịch sử phát triển
90-00
z CGraphics: 1990-2000
z OpenGL API
z Tạo ra bộ phim hoạt hình hoàn 
chỉnh đầu tiên (Toy Story)
z Khả năng mới của phần 
cứng
– Texture mapping
– Blending
– Accumulation, stencil buffer
z CGraphics: 2000-03
z Photorealism
z Graphics cards for PCs 
dominate market
– Nvidia, ATI, 3DLabs
z Game boxes and game players 
push the market
z CGraphics trở thành công cụ 
cho công nghiệp sản xuất 
phim: Maya, Lightwave
17
A Brief History of Computer 
Graphics
1995
z Quake Released by 
Id Software
z Toy Story becomes 
the first fully 3D 
computer animation 
feature film.
18
A Brief History of Computer 
Graphics
1996
z Independence Day wins 
oscar for visual effects.
1997
z Titanic wins oscar for visual 
effects.
z PIXAR wins oscar for best 
short film: Geri’s Game.
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email: hunglt@it-hut.edu.vn
Tel: 0913030731
4
19
A Brief History of Computer 
Graphics
1998
z Armageddon
z Mouse Hunt
z Bugs Life
1999
z The Matrix
z Star Wars: The Phantom 
Menace
z Disney’s Tarzan
20
A Brief History of Computer 
Graphics
2000
z Sony Playstation II
z Walking with Dinosaurs
z Disney’s Shrek
2002 Microsoft’s XBOX
21
Kỹ thuật đồ họa vi tính.
z Definition (ISO)
– Method and Technologies for converting data to and from a 
graphics devices via a computer
z Computer Graphics (Kỹ thuật đồ hoạ máy tính) là một lĩnh
vực của Công nghệ thông tin mà ở đó nghiên cứu, xây
dựng và tập hợp các công cụ (mô hình lý thuyết và phần
mềm) khác nhau để:
z kiến tạo, lưu trữ, xử lý Các mô hình (model) và hình ảnh
(image) của đối tượng
z Computer graphics deals with all aspects of creating 
images with a computer
Interactive Computer Graphics: - user controls contents, structure, and 
appearance of objects and their displayed images via rapid visual feedback.
22
Kỹ thuật đồ hoạ điểm
(Sample based-Graphics)
z Các mô hình, hình ảnh của các đối tượng được hiển thị
thông qua từng pixel (từng mẫu rời rạc)
z Đặc điểm:
– Có thể thay đổi thuộc tính
– Xoá đi từng pixel của mô hình và hình ảnh các đối tượng.
– Các mô hình hình ảnh được hiển thị như một lưới điểm (grid) các
pixel rời rạc,
– Từng pixel đều có vị trí xác định, được hiển thị với một giá trị rời rạc
(số nguyên) các thông số hiển thị (màu sắc hoặc độ sáng) 
– Tập hợp tất cả các pixel của grid cho chúng ta mô hình, hình ảnh đối
tượng mà chúng ta muốn hiển thị
23
Bitmap
lines,areas,...
SRGP
library
Pascal / C
program
X Window 
System Graphics hardware
Image
image formats, compression, transfer
graphics algorithms
colourpositions
24
Graphical
Model
Rendering
Output 
Device
Rendering
Parameters
Kỹ thuật đồ hoạ vector
z Mô hình hình học (geometrical 
model) cho mô hình hoặc hình ảnh
của đối tượng
z Xác định các thuộc tính của mô
hình hình học này, 
z Quá trình tô trát (rendering) để hiển
thị từng điểm của mô hình, hình
ảnh thực của đối tượng
z Vector = geometrical model + 
rendering
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email: hunglt@it-hut.edu.vn
Tel: 0913030731
5
25
Ví dụ về hình ảnh đồ hoạ Vector
26
Muscle ModelWireframe Model Skeletal Model
Skin Hair Render and Touch up
© Walt Disney and TSL
27
Raster and Vector Graphics
z 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. 
z 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.
28
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
29
Phân loại theo hệ toạ độ
ƒ Kỹ thuật đồ hoạ hai chiều: là kỹ thuật đồ hoạ máy tính sử dụng hệ
toạ độ hai chiều (hệ toạ độ phẳng), sử dụng rất nhiều trong kỹ
thuật xử lý bản đồ, đồ thị.
ƒ Kỹ thuật đồ hoạ ba chiều: là kỹ thuật đồ hoạ máy tính sử dụng hệ
toạ độ ba chiều, đòi hỏi rất nhiều tính toán và phức tạp hơn nhiều
so với kỹ thuật đồ hoạ hai chiều.
Kü thuËt ®å ho¹
Kü thuËt ®å ho¹ 2 chiÒu
Kü thuËt ®å ho¹ ba chiÒu
30
Phân loại theo chức năng
z Kỹ thuật xử lý ảnh (COMPUTER IMAGING)
z Kỹ thuật nhận dạng (Computer Vision techniques 
attempt to provide meaning to computer) images.
z Kỹ thuật tổng hợp ảnh (Computer Graphics)
z Geometry modelling
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email: hunglt@it-hut.edu.vn
Tel: 0913030731
6
31
Các ứng dụng tiêu biểu của kỹ thuật đồ
họa
z Xây dựng giao diện người dùng (User Interface)
z Tạo các biểu đồ trong thương mại, khoa học, kỹ thuật, 
minh họa
z Tự động hoá văn phòng và chế bản điện tử
z Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD_CAM)
z Lĩnh vực giải trí, nghệ thuật và mô phỏng
z Điều khiển các quá trình sản xuất (Process Control)
z Lĩnh vực bản đồ (Cartography) GIS
32
33 34
Pixar: Monster’s Inc.
Square: Final Fantasy
35
Computer Aided Design (CAD)
36
CAD-CAM application
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email: hunglt@it-hut.edu.vn
Tel: 0913030731
7
37 38
Mô hình Hệ đồ họa
ƒ Mô hình hệ thống
ƒ Mô hình chức năng
ƒ Các chuẩn của hệ đồ hoạ
39
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
Mô hình hệ thống đồ họa
40
Hệ thống đồ hoạ
(Graphics System)
z Interface between application software and graphics hardware system
z 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
z 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.
z 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.
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
Thành phần trong chức năng của 
kỹ thuật đồ hoạ
42
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
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email: hunglt@it-hut.edu.vn
Tel: 0913030731
8
43
Các chuẩn giao diện của hệ đồ hoạ
z 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.
z CGI (Computer Graphics Interface System): hệ chuẩn cho các phương pháp
giao tiếp với các thiết bị ngoại vi.
z CGM (Computer Graphics Metafile): xác định các chuẩn cho việc lưu trữ và
chuyển đổi hình ảnh.
z 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.
z 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.
44
Non-official industry standards
Các chuẩn của hệ đồ hoạ
z OPENGL thư viện đồ họa của hãng Silicon 
Graphics, được xây dựng theo đúng chuẩn của một 
hệ đồ họa.
– SGI’s OpenGL 1993
z DIRECTX thư viện đồ hoạ của hãng Microsoft
– Direct X/Direct3D 1997
45
OpenGL
z Software interface to graphics 
hardware
z Client-server model
z 250 distinct commands
z Object specification + image 
generation
z Simple primitives: points, lines, 
polygons (pixels, images, bitmaps)
z 3D rendering
z Commands interpreted using 
client-server model
– Client (Application) issues 
commands
– Server (OpenGL) interprets 
and processes commands
– Frame buffer configuration 
done by the window system
46
z Window tasks
z User input
z Complicated shapes
– OpenGL Utility Library (GLU)
– Window system support libraries
z GLX / WGL / PGL
– OpenGL Utility Toolkit (GLUT)
– OpenInventor
For portability, there are
no commands for these.
OpenGL-related Libraries
47
z Direct control of graphics hardware
z 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
48
OpenGL Design Goals
z SGI’s design goals for OpenGL:
– High-performance (hardware-accelerated) graphics API
– Some hardware independence 
– Natural, terse API with some built-in extensibility
z OpenGL has become a standard (competing with DirectX) because:
– It doesn’t try to do too much
z Only renders the image, doesn’t manage windows, etc.
z No high-level animation, modeling, sound (!), etc.
– It does enough
z Useful rendering effects + high performance
– Open source and promoted by SGI (& Microsoft, half-heartedly)
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email: hunglt@it-hut.edu.vn
Tel: 0913030731
9
49
Màn hình CRT
Raster Displays (early 70s)
like television, scan all pixels in regular pattern
use frame buffer (video RAM) to eliminate sync 
problems RAM
¼ MB (256 KB) cost $2 million in 1971
50
Màn hình CRT
SONY Trinitron CRT
NEC Hybrid Mask Hitachi EDP
Standard Dot-trio
51
Display Technology: 
Raster CRTs
z Raster CRT pros:
– Allows solids, not just wireframes
– Leverages low-cost CRT technology (i.e., TVs)
– Bright! Display emits light
z Cons:
– Requires screen-size memory array
– Discreet sampling (pixels)
– Practical limit on size (call it 40 inches)
– Bulky
– Finicky (convergence, warp, etc)
52
Các thiết bị hiển thị dạng điểm
53
CRT Displays
Advantages
z Fast repsonse (high resolution 
possible)
z Full color (large modulation 
depth of E-beam)
z Saturated and natural colors
z Inexpensive, matured 
technology
z Wide angle, high contrast and 
brightness
Disadvantages
z Large and heavy (typ. 70x70 cm, 
15 kg)
z High power consumption (typ. 
140W)
z Harmful DC and AC electric and 
magnetic fields
z Flickering at 50-80 Hz (no memory 
effect)
z Geometrical errors at edges
54
LCD-Liquid Crystal Display
z A transmissive technology
z Works by letting varying amounts 
of a fixed-intensity white backlight 
through an active filter
z Organnic crystals that lign
themselves together
z When external force is applied 
they realign themselves
z This is used to change 
polarisation and filter light
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email: hunglt@it-hut.edu.vn
Tel: 0913030731
10
55
Display Technology: LCDs
z 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
56
LCD Displays
Advantages
z Small footprint (approx 1/6 of CRT)
z Light weight (typ. 1/5 of CRT)
z Low power consumption (typ. 1/4 of 
CRT)
z Completely flat screen - no 
geometrical errors
z Crisp pictures - digital and uniform 
colors
z No electromagnetic emission
z Fully digital signal processing possible
z Large screens (>20 inch) on desktops
Disadvantages
z High price (presently 3x CRT)
z Poor viewing angle (typ. +/- 50 
degrees)
z Low contrast and luminance (typ. 
1:100)
z Low luminance (typ. 200 cd/m2)
57
Màn hình Plasma 
z 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
58
Display Technology
z Plasma Display Panel 
Pros
– Large viewing angle
– Good for large-format 
displays
– Fairly bright
z Cons
– Expensive
– Large pixels (~1 mm versus 
~0.2 mm)
– Phosphors gradually 
deplete
– Less bright than CRTs, 
using more power
59
Display Technology: DMDs
z Digital Micromirror Devices (projectors)
– Microelectromechanical (MEM) devices, fabricated 
with VLSI techniques
60
Display Technology: DMDs
z DMDs are truly digital pixels
z Vary grey levels by modulating pulse length
z Color: multiple chips, or color-wheel
z Great resolution
z Very bright
z Flicker problems
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email: hunglt@it-hut.edu.vn
Tel: 0913030731
11
61
Màn hình hữu cơ
Organic LED Arrays
z Organic Light-Emitting Diode 
(OLED) Arrays
– The display of the future? 
– OLEDs hoạt động tương tự cơ chế 
của LEDs bán dẫn
z 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
62
Display Technologies: 
Organic LED Arrays
z OLED pros:
– Transparent
– Flexible
– Light-emitting, and quite 
bright (daylight visible)
– Large viewing angle
– Fast (< 1 microsecond off-
on-off)
– Can be made large or small
63
Display Technologies: 
Organic LED Arrays
z OLED cons:
– Not quite there yet (96x64 displays) except niche markets
z Cell phones (especially back display)
z Car stereos
– Not very robust, display lifetime a key issue
– Currently only passive matrix displays
z Passive matrix: Pixels are illuminated in scanline order (like a raster 
display), but the lack of phosphorescence causes flicker
z Active matrix: A polysilicate layer provides thin film transistors at each 
pixel, allowing direct pixel access and constant illumination
See  for more info
– Hard to compete with LCDs, a moving target
64
DAC
Direct Color Framebuffer
z Store the actual intensities of R, G, and B individually in the 
framebuffer
z 24 bits per pixel = 8 bits red, 8 bits green, 8 bits blue
– 16 bits per pixel = ? bits red, ? bits green, ? bits blue
65
Color Lookup Framebuffer
z Store indices (usually 8 bits) in framebuffer
z Display controller looks up the R,G,B values before triggering 
the electron guns
Frame Buffer
DAC
Pixel color = 14
Color Lookup
Table
0
1024
14
R G B
66
Framebuffers: True-Color 
z A true-color ( 24-bit or 32-bit) framebuffer stores one byte 
each for red, green, and blue
z Each pixel can thus be one of 224 colors
z Pay attention to
Endian-ness
z How can 24-bit 
and 32-bit mean 
the same thing 
here?
Khoa CNTT - ĐHBK Hà nội
Email: hunglt@it-hut.edu.vn
Tel: 0913030731
12
67
Framebuffers: Indexed-Color
z An indexed-color (8-bit or PseudoColor) framebuffer stores one byte per 
pixel (also: GIF image format)
z This byte indexes into a color map: 
z How many colors
can a pixel be?
z Still common on 
low-end displays 
(cell phones, PDAs,
GameBoys)
z Cute trick: 
color-map animation
68
Framebuffers: Hi-Color
z Hi-Color was a popular PC SVGA standard
z Packs pixels into 16 bits:
– 5 Red, 6 Green, 5 Blue 
– Sometimes just 5,5,5
z Each pixel can be one of 216 colors
z Hi-color images can exhibit worse quantization artifacts 
than a well-mapped 8-bit image
69
– 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