Giáo trình Kỹ thuật đồ họa - Trịnh Thị Vân Anh

173 trang hapham 2590

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật đồ họa - Trịnh Thị Vân Anh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_ky_thuat_do_hoa_trinh_thi_van_anh.pdf

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật đồ họa - Trịnh Thị Vân Anh

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KỸ THUẬT ĐỒ HỌA (Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa) Lưu hành nội bộ HÀ NỘI - 2006
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KỸ THUẬT ĐỒ HỌA Biên soạn : THS. TRỊNH THỊ VÂN ANH
Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay đồ hoạ máy tính (Computer Graphics) là một trong những chương trình thông dụng nhất, nó đã góp phần quan trọng làm cho giao tiếp giữa con người và máy tính trở nên thân thiện hơn. Thật vậy, giao diện kiểu văn bản (text) đã được thay thế hoàn toàn bằng giao diện đồ hoạ, cùng với công nghệ đa phương tiện (multimedia) đã đưa ngành Công Nghệ Thông Tin sang một phiên bản mới. Cuốn tài liệu giảng dạy này, tôi muốn mang lại cho bạn đọc các cơ sở lý thuyết về đồ hoạ máy tính từ đơn giản nhất như các thuật toán vẽ đường thẳng, đường tròn, đa giác, ký tự Tiếp đến các kỹ thuật xén tỉa, các phép biến đổi đồ hoạ trong không gian 2D và 3D Chúng ta lần lượt làm quen với thế giới màu sắc thông qua các hệ màu: RGB, CMYK, HSV Phức tạp hơn nữa là các phép chiếu, các phương pháp xây dựng đường cong và mặt cong cho đối tượng. Tài liệu gồm bảy chương, trong đó chương một giúp bạn có cái nhìn tổng quan về kỹ thuật đồ hoạ từ trước đến giờ cùng định hướng tương lai cho lĩnh vực này. Các chương tiếp theo, mỗi chương sẽ là một vấn đề từ đơn giản đến phức tạp. Cuối mỗi chương đều có phần bài tập cho chúng ta kiểm tra lại kiến thức vừa đọc được. Bài tập gồm hai dạng: dạng tính toán và dạng lập trình, đối với dạng lập trình bạn có thể viết bằng C/C++ hay BC thậm chí bằng VB đều được. Cuối cùng là phần phụ lục gồm các hướng dẫn để chúng ta làm bài tập lập trình, ngôn ngữ hay dùng ở đây là C/C++ hay BC. Bố cục rõ ràng, hình ảnh phong phú, đa dạng. Dù cho bạn chưa từng biết về đồ hoạ máy tính hay bạn đã nhiều năm làm việc trong lĩnh vực này, bạn đều có thể nhận thấy rằng cuốn sách này là một bộ tham khảo đầy đủ các thông tin hữu ích và có tính chất thực tiễn cao. Trong quá trình biên soạn mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng vẫn không tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được sự đóng góp chân thành từ quý bạn đọc. Xin chân thành cám ơn. Tác giả 3
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật đồ họa CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐỒ HOẠ 1. CÁC KHÁI NIỆM TỔNG QUAN CỦA KỸ THUẬT ĐỒ HOẠ MÁY TÍNH (COMPUTER GRAPHICS) 1.1. L ịch sử phát triển - Graphics những năm 1950-1960 1959 Thiết bị đồ hoạ đầu tiên là màn hình xuất hiện tại Đức. 1960 - SAGE (Semi-Automatic Ground Environment System) xuất hiện bút sáng thao tác với màn hình. 1960 William Fetter nhà khoa học người Mỹ, ông đang nghiên cứu xây dựng mô hình buồng lái máy bay cho hãng Boeing của Mỹ. Ông đã dựa trên hình ảnh 3 chiều của mô hình người phi công trong buồng lái của máy bay để xây dựng nên một mô hình tối ưu cho buồng lái máy bay. Phương pháp này cho phép các nhà thiết kế quan sát một cách trực quan vị trí của người lái trong khoang. Ông đặt tên cho phương pháp này là đồ hoạ máy tính (Computer Graphics) . Màn hình là thiết bị thông dụng nhất trong hệ đồ hoạ, các thao tác của hầu hết các màn hình đều dựa trên thiết kế ống tia âm cực CRT (Cathode ray tube). Khi đó giá để làm tươi màn hình là rất cao, máy tính xử lý chậm, đắt và không chắc chắn (không đáng tin cậy). - Graphics: 1960-1970 1963 Ivan Sutherland (hội nghị Fall Joint Computer - lần đầu tiên có khả năng tạo mới, hiển thị và thay đổi được thực hiện trong thời gian thực trên màn CRT). Hệ thống này được dùng để thiết kế mạch điện: CRT, LightPen (bút sáng), computer (chứa chương trình xử lý thông tin). Người sử dụng có thể vẽ mạch điện trực tiếp lên màn hình thông qua bút sáng. - Graphics:1970-1980 Raster Graphics (đồ hoạ điểm). Bắt đầu chuẩn đồ hoạ ví dụ như: GKS(Graphics Kernel System): European effort (kết quả của châu âu), Becomes ISO 2D standard. - Graphics: 1980-1990 Mục đích đặc biệt về phần cứng, thiết bị hình học đồ hoạ Silicon. Xuất hiện các 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. Giao diện người máy Human-Computer Interface (HCI) - Computer Graphics: 1990-2000 OpenGL API (Application Program Interface – giao diện chương trình ứng dụng). Completely computer-sinh ra ngành điện ảnh phim truyện (Toy Story) rất thành công. Các tiềm tàng phần cứng mới: Texture mapping (dán các ảnh của cảnh thật lên bề mặt của đối tượng),blending (trộn màu) . - Computer Graphics: 2000- nay 4
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật đồ họa Ảnh hiện thực.các cạc đồ hoạ cho máy tính (Graphics cards for PCs), game boxes and game players Công nghiệp phim ảnh nhờ vào đồ hoạ máy tính (Computer graphics becoming routine in movie industry): Maya (thế giới vật chất tri giác được) . 1.2. Kỹ thuật đồ họa vi tính. Definition (ISO): Phương pháp và công nghệ chuyển đổi dữ liệu từ thiết bị đồ hoạ sang máy tính. Computer Graphics là phương tiện đa năng và mạnh nhất của giao tiếp giữa con người và máy tính. 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: kiến tạo, xây dựng, lưu trữ, xử lý Các mô hình (model) và hình ảnh (image) của đối tượng. Các mô hình (model) và hình ảnh này có thể là kết quả thu được từ những lĩnh vực khác nhau của rất nhiều ngành khoa học (vật lý, toán học, thiên văn học ) Computer graphics xử lý tất cả các vấn đề tạo ảnh nhờ máy tính. 2. CÁC KỸ THUẬT ĐỒ HOẠ 2.1. 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: 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. Hình 1.1 Ảnh đồ hoạ điểm 5
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật đồ họa Bitmap Pascal C program SRP library graphics algorithms positions colour X Window System Graphics hardware Image image formats, compression, transfer Hình 1.2 Kỹ thuật đồ hoạ điểm Phương pháp để tạo ra các pixel - Phương pháp dùng phần mềm để vẽ trực tiếp từng pixel một. - Dựa trên các lý thuyết mô phỏng (lý thuyết Fractal, v.v) để xây dựng nên hình ảnh mô phỏng của sự vật. - Phương pháp rời rạc hoá (số hoá) hình ảnh thực của đối tượng. - Có thể sửa đổi (image editing) hoặc xử lý (image processing) mảng các pixel thu được theo những phương pháp khác nhau để thu được hình ảnh đặc trưng của đối tượng. 2.2. Kỹ thuật đồ hoạ vector Mô hình Các tham số đồ họa tô trát Tô trát Thiết bị ra Hình 1.3 Mô hình đồ hoạ vector - Mô hình hình học (geometrical model) cho mô hình hoặc hình ảnh của đối tượng - Xác định các thuộc tính của mô hình hình học này, 6
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật đồ họa - Quá trình tô trát (rendering) để hiển thị từng điểm của mô hình, hình ảnh thực của đối tượng Có thể định nghĩa đồ hoạ vector: Đồ hoạ vector = geometrical model + rendering So sánh giữa Raster và Vector Graphics Đồ hoạ điểm(Raster Graphics) Đồ hoạ vector(Vector Graphics) - Hình ảnh và mô hình của các vật thể - Không thay đổi thuộc tính của từng được biểu diễn bởi tập hợp các điểm của lưới điểm trực tiếp (grid) - Xử lý với từng thành phần hình học cơ - Thay đổi thuộc tính của các pixel => sở của nó và thực hiện quá trình tô trát và hiển thay đổi từng phần và từng vùng của hình ảnh. thị lại. - Copy được các pixel từ một hình ảnh - Quan sát hình ảnh và mô hình của hình này sang hình ảnh khác. ảnh và sự vật ở nhiều góc độ khác nhau bằng cách thay đổi điểm nhìn và góc nhìn. Ví dụ về hình ảnh đồ hoạ Vector Wireframe Skeletal Muscle Model Skin Hair Render and Touch Hình 1.4 Ví dụ về đồ hoạ vector 7
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật đồ họa 2.3. Phân loại của đồ hoạ máy tính Phân loại theo các lĩnh vực của đồ hoạ máy tính CAD/CAM System Kiến tạo đồ Đồ hoạ minh hoạ hoạ Đồ hoạ hoạt hình và nghệ thuật Kỹ thuật đồ hoạ Xử lý ảnh Xử lý đồ hoạ Kỹ thuật nhận dạng Kỹ thuật phân tích và tạo ảnh Phân loại theo hệ toạ độ Kỹ thuật đồ hoạ 2 chiều Kỹ thuật đồ hoạ Kỹ thuật đồ hoạ 3 chiều - 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. - 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. Các lĩnh vực của đồ hoạ 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 xử lý ảnh sử dụng rất nhiều các kỹ thuật phức tạp: kỹ thuật khôi phục ảnh, kỹ thuật làm nổi ảnh, kỹ thuật xác định biên ảnh. - Kỹ thuật nhận dạng (Pattern Recognition): từ những ảnh mẫu có sẵn ta phân loại theo cấu trúc, hoặc theo các tiêu trí 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 thư viện 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 hệ thống 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. 8
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật đồ họa - 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. 2.4. Các ứng dụng tiêu biểu của kỹ thuật đồ họa Đồ hoạ máy tính là một trong những lĩnh vực lý thú nhất và phát triển nhanh nhất của tin học. Ngay từ khi xuất hiện nó đã có sức lôi cuốn mãnh liệt, cuốn hút rất nhiều người ở nhiều lĩnh vực khác nhau như khoa học, nghệ thuật, kinh doanh, quản lý Tính hấp dẫn của nó có thể được minh hoạ rất trực quan thông qua các ứng dụng của nó. - Xây dựng giao diện người dùng (User Interface) Giao diện đồ hoạ thực sự là cuộc cách mạng mang lại sự thuận tiện và thoải mái cho người dùng ứng dụng. Giao diện WYSIWYG và WIMP đang được đa số người dùng ưu thích nhờ tính thân thiện, dễ sử dụng của nó. - Tạo các biểu đồ trong thương mại, khoa học, kỹ thuật 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 nghiên cứu, quản lý một cách có hiệu quả. - 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) - Giáo dục và đào tạo Một số ví dụ của ứng dụng kỹ thuật đồ hoạ: 9
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật đồ họa Hình 1.5 Các ứng dụng của kỹ thuật đồ hoạ Hình 1.6 Hệ ứng dụng CAD - CAM 10
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật đồ họa 2.5. Các chuẩn giao diện của hệ đồ hoạ Mục tiêu căn bản của phần mềm đồ hoạ được chuẩn là tính tương thích. Khi các công cụ được thiết kế với hàm đồ hoạ chuẩn, phần mềm có thể được di chuyển một cách dễ dàng từ hệ phần cứng này sang hệ phần cứng khác và được dùng trong nhiều cài đặt và ứng dụng khác nhau. 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. 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.+ Functional Description, 1988, 1992. OPENGL thư viện đồ họa của hãng Silicon Graphics, được xây dựng theo đúng chuẩn của một hệ đồ họa năm 1993. DIRECTX thư viện đồ hoạ của hãng Microsoft, Direct X/Direct3D 1997 3. PHẦN CỨNG ĐỒ HOẠ (GRAPHICS HARDWARE) 3.1. Các thành phần phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác 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. Gói phần mềm đồ hoạ (Graphics Package): cung cấp các hàm đồ hoạ cho chương trình ứng dụng Phần mềm ứng dụng (Application Program): phần mềm đồ hoạ ứng dụng. 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. 11
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật đồ họa Hình 1.7 Các thành phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác 3.2. Máy in Dot size: đường kính của một điểm in bé nhất mà máy in có thể in được Addressability: khả năng địa chỉ hoá các điểm in có thể có trên một đơn vị độ dài (dot per inch) Số lượng màu có thể vẽ trên một điểm: Dot size Point per inch 8 - 20/ 100inch 200, 600 5/1000inch 1500 Máy vẽ 6,15/1000 inch 1000, 2000 3.3. Màn hình CRT Một chùm các tia điện tử (tia âm cực) phát ra từ một súng điện tử, vượt qua cuộn lái tia dẫn đến vị trí xác định trên màn hình được phủ một lớp phosphor. Tại mỗi vị trí tương tác với tia điện tử hạt phosphor sẽ phát lên một chấm sáng nhỏ. Nhưng chấm sáng sẽ mờ dần rất nhanh nên cần có cách nào nó duy trì ảnh trên màn hình. Một trong các cách là: lặp đi lặp lại nhiều lần việc vẽ lại ảnh thật nhanh bằng cách hướng các tia điện tử trở lại ví trí cũ. Gọi là làm tươi (refresh CRT). Số lượng tối đa các điểm có thể hiển thị trên một CRT được gọi là độ phân giải (Resolution). Hay độ phân giải là số lượng các điểm trên một cm mà có thể được vẽ theo chiều ngang và chiều dọc (được xem như tổng số điểm theo mỗi hướng). 12
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật đồ họa NEC Hybrid Hitachi EDP Standard Dot-trio SONY Trinitron Hình 1.8 Công nghệ màn hình CRT Kích thước vật lý của màn hình đồ hoạ được tính từ độ dài của đường chéo màn hình. Thường dao động từ 12-27 inch, hoặc lớn hơn. Thuộc tính khác của màn hình là tỷ số phương (aspect ratio). Nó là tỷ lệ của các điểm dọc và các điểm ngang cần để phát sinh các đoạn thẳng có độ dài đơn vị theo cả hai hướng trên màn hình. Màn hình có tỷ số phương khác một, thì hình vuông hiển thị trên đó thành hình chữ nhật còn hình tròn thành hình ellipse. Màn hình dạng điểm (Raster Display): thường gặp nhất trong số các dạng màn hình sử dụng CRT trên công nghệ truyền hình. Mỗi điểm trên màn hình được gọi là pixel. Các thông tin về ảnh hiển thị trên màn hình được lưu trữ trong một vùng bộ nhớ gọi là vùng đệm làm tươi (Refresh buffer) hay là vùng đệm khung (Frame Buffer). Vùng lưu trữ tập các giá trị cường độ sáng của toàn bộ các điểm trên màn hình và luôn tồn tại một cách song ánh giữa mỗi điểm trên màn hình và mỗi phần tử trong vùng này. 13
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật đồ họa Để tạo ra hình ảnh đen trắng, đơn giản chỉ cần lưu thông tin của mỗi Pixel là một bít (0,1) (xem hình 1.9). Trong trường hợp ảnh nhiều màu thì cần nhiều bít hơn, nếu thông tin mỗi pixel được lưu bằng b bít thì ta có thể có 2b giá trị mầu phân biệt cho pixel đó. Trong các màn hình màu, người ta định nghĩa tập các màu làm việc trong một bảng tra (LookUp Table - LUT). Mỗi phần tử của LUT được định nghĩa một bộ ba giá trị (RGB) mô tả một màu nào đó. Khi cần sử dụng một màu, ta chỉ cần chỉ định số thứ tự (index) tương ứng của màu đó trong LUT, số phần tử trong bảng LUT chính là số màu có thể được hiển thị cùng một lúc trên màn hình. Ví dụ mô hình đồ hoạ điểm ngôi nhà và ngôi sao. Interface to host computer (interaction data) (Display commands) Keyboard Display processo Data input CRT 000000000000000 000000000010000 00 000000000000000 Bitmap refresh buffer (the 1’s are accentuated for contrast) Hình 1.9 Song ánh giữa vùng đệm khung và màn hình X: 0 ¸ Xmax2 màu/ 1 bit 640 x 480 x 16 → Video RAM = 2MB Y: 0 ¸ Ymax16 màu/ 4 bit ;256 màu/ 8bit 1024 x 1024 x 24 → Video RAM = 24MB 16 24 2 màu/ 16 bit ; 2 màu/ 24 bit Việc làm tươi trên màn hình dạng này được thực hiện ở tốc độ 60 - 80 frame/giây. Đôi khi tốc độ làm tươi còn được biểu diễn bằng đơn vị Hertz (Hz - số chu kỳ trên/giây), trong đó một chu kỳ tương ứng với một frame. Vậy tốc độ làm tươi 60 frame/giây đơn giản là 60 Hz. Khi đạt đến cuối mỗi dòng quét, tia điện tử quay trở lại bên trái của màn hình để bắt đầu dòng quét kế tiếp. Việc quay trở về bên trái màn hình sau khi làm tươi mỗi dòng quét được gọi là tia hồi ngang (Horizontal retrace). Và tới cuối mỗi frame, tia điện tử (tia hồi dọc - Vertical retrace) quay trở lại góc bên trái của màn hình để chuẩn bị bắt đầu frame kế tiếp. 14
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật đồ họa Hình 1.10 Quét mành và quét dòng của màn hình CRT Ví dụ về việc tia quét trên màn hình CRT: 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. 3.4. Màn hình tinh thể lỏng (Liquid Crystal Display – LCD) Dựa vào công nghệ truyền ánh sáng qua điện cực mà đặt giữa là cuộn dây xoắn. Khi chưa có từ trường (chưa có dòng điện) ở cuộn dây thì ánh sáng truyền thẳng, khi có từ trường thì ánh sáng truyền đổi chiều. Hình 1.11 Công nghệ truyền ánh sáng trong màn hình tinh thể lỏng 15
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật đồ họa CRT Displays (màn hình CRT) Advantages (ưu điểm) Disadvantages (nhược điểm) Đáp ứng nhanh (có độ phân giải cao) Lớn và nặng (typ. 70x70 cm, 15 kg) Màu sắc đa dạng (Có độ sâu và rộng) Tiêu tốn nguồn điện cao (typ. 140W) Màu sắc bão hoà và tự nhiên Có hại cho sức khoẻ vì trường điện từ và từ tính Công nghệ không quá đắt và hoàn thiện Màn hình nhấp nháy (at 50-80 Hz) Góc nhìn rộng, tương phản và độ sáng cao Hình hay bị méo tại 4 góc LCD Displays (màn hình tinh thể lỏng) Advantages (ưu điểm) Disadvantages (nhược điểm) Hình dáng nhỏ, trọng lượng nhẹ (approx 1/6 of Giá thành cao (presently 3x CRT) CRT, typ. 1/5 of CRT) Góc nhìn hẹp hơn (typ. +/- 50 degrees) Tiêu tốn nguồn thấp (typ. 1/4 of CRT) độ tương phản thấp (typ. 1:100) Màn hình phẳng tuyệt đối nên không méo tại độ chói (độ ngời) thấp hơn (typ. 200 cd/m2) các góc Màu sắc đều, ảnh sinh động Không bị hiệu ứng điện từ trường Có thể màn hình vừa lớn vừa rộng (>20 inch) Tóm tắt chương: Sự ra đời của đồ hoạ máy tính thực sự là cuộc cách mạng trong giao tiếp giữa người dùng và máy tính. Với lượng thông tin trực quan, đa dạng và phong phú được truyền tải qua hình ảnh. Các ứng dụng đồ hoạ máy tính đã lôi cuốn nhiều người nhờ tính thân thiện, dễ dùng, kích thích khả năng sáng tạo và tăng đáng kể hiệu suất làm việc. Đồ hoạ máy tính ngày nay được được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khao học, kỹ thuật, nghệ thuật, kinh doanh, quản lý Các ứng dụng đồ hoạ rất đa dạng, phong phú và phát triển liên tục không ngừng. Ngày nay, hầu như không có chương trình ứng dụng nào mà không sử dụng kỹ thuật đồ hoạ để làm tăng tính hấp dẫn cho mình. Một hệ thống đồ hoạ bao giờ cũng gồm hai phần chính đó là phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồm các thiết bị hiển thị (thiết bị xuất) và các thiết bị nhập. Tiêu biểu nhất là màn hình, có hai loại thông dụng là CRT và LCD. Bài tập: 1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của màn hình dạng điểm. Nêu các khái niệm vùng đệm khung, độ phân giải, tỷ số phương của màn hình loại này? 2. Ý nghĩa và hoạt động của bảng tra LUT? 16
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật đồ họa 3. Tính Video Ram của các màn hình lần lượt có độ phân giải là 640x480, 1024x768, 1280x1024 mà có mỗi pixel được mô tả là 8bít, 12 bit, 24 bit. 4. Nếu chúng ta dùng các giá trị 12bit cho mỗi pixel trong một bảng tham chiếu lookup table, có bao nhiêu hạng mục mà lookup table có được? 5. Tại sao phải chuẩn hoá các phần mềm? Liệt kê và tìm hiểu các chuẩn hó phần mềm đồ hoạ. Bài tập trắc nghiệm: 1. Tỷ số phương (aspect ratio) của màn hình là 1,4 vậy một hình tròn khi hiển thị trên màn hình đó sẽ cho: a. Hình tròn b. Hình ellipse nằm ngang (bán kính theo trục x dài hơn bán kính theo trục y) c. Hình ellipse đứng (bán kính theo trục x ngắn hơn bán kính theo trục y) d. Hình thoi 2. Cho màn có độ phân giải 1024x1024 và mỗi pixel được mô tả 24bít vậy video RAM của màn hình là: a. 1048576 bít b. 2MB c. 3MB d. 4MB 3. Nếu ta dùng các giá trị 24 bit cho mỗi pixel trong một bảng LUT. Thì bảng LUT có số màu là: a. 24 màu b. 1024 màu c. 16777216 màu d. 16000000 màu 17
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở CHƯƠNG 2: CÁC GIẢI THUẬT SINH THỰC THỂ CƠ SỞ 1. CÁC ĐỐI TƯỢNG ĐỒ HOẠ CƠ SỞ 1.1. Hệ toạ độ thế giới thực và hệ toạ độ thiết bị a. Hệ toạ độ thế giới thực (WCS: World Coordinate System) WCS hay hệ toạ độ thực là hệ toạ độ được dùng mô tả các đối tượng trong thế giới thực. Một trong hệ toạ độ thực được dùng nhiều nhất là hệ toạ độ Descartes. Bất kì điểm nào trong mặt phẳng được mô tả bằng cặp toạ độ (x,y) trong đó x,y ∈R. Gốc toạ độ là điểm O có toạ độ (0,0), Ox,Oy lần lượt là trục hoành và trục tung và x,y là hoành độ và tung độ. Các toạ độ thế giới thực cho phép người sử dụng bất kì một thứ nguyên (dimension) qui ước: foot, cm, nm, km, inch tuỳ ý. b. Hệ toạ độ thiết bị (DCS: Device Coordinate System) Hệ toạ độ thiết bị là hệ toạ độ được dùng bởi một thiết bị xuất cụ thể nào đó như máy in, màn hình Các điểm được biểu diễn bởi cặp toạ độ (x,y), nhưng x,y ∈N. Điểm trong toạ độ thực được định nghĩa liên tục, còn trong toạ độ thiết bị thì rời rạc do tính chất của tập các số tự nhiên. Các toạ độ (x,y) có giới hạn trong một khoảng nào đó. 1.2. Điểm và đoạn thẳng a. Điểm Trong hệ toạ độ hai chiều (x,y), ngoài ra nó còn có tính chất màu sắc. b. Đoạn thẳng + Biểu diễn tường minh: y = f(x) Một đoạn thẳng được xác định nếu biết 2 điểm thuộc nó. Phương trình đoạn thẳng đi qua 2 điểm P (x1,y1) và Q(x2,y2) như sau: (y-y1)/( x-x1) = ( y2-y1)/( x2-x1) (y-y1)(x2-x1)=(x-x1)(y2-y1) Q(x , y ) (x2-x1)y=(y2-y1)x + y1(x2-x1) - x1(y2-y1) 2 2 y = ((y2-y1)/(x2-x1))x + y1 - ((y2-y1)/(x2-x1))x1 y = kx + m k = (y2-y1)/(x2-x1) Độ dốc hay hệ số góc của đường P(x1, y1) m = y1- kx1Đoạn chắn trên trục y Δy = kΔx (tức là khi x thay đổi thì y thay đổi theo) m Hình 2.1 Vẽ đoạn thẳng PQ + Biểu diễn không tường minh: ax+by+c=0 18
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở Ta có (y2-y1)x - (x2-x1)y + (x2-x1)y1 - (y2-y1)x1 = 0 (y2-y1)x - (x2-x1)y + x2y1 - x1y2 = 0 hay rx + sy + t = 0 s = -(x2-x1 ) r = (y2-y1) và t = x2y1 - x1y2 + Biểu diễn thông qua tham số: P(u) = P1 + u(P2 - P1)u ∈[0,1] x(u) = x1 + u( x2 - x1 ) y (u)= y1 + u( y2 - y1 ) 2. CÁC GIẢI THUẬT XÂY DỰNG THỰC THỂ CƠ SỞ 2.1. Giải thuật vẽ đoạn thẳng thông thường Nguyên lý chung: cho một thành phần toạ độ x hay y biến đổi theo từng đơn vị và tính độ nguyên còn lại sao cho gần với toạ độ thực nhất. y2 − y1 Ta có y = ()x − x1 − y1 x2 − x1 Cho x thay đổi tìm y, trong bài này cho x1 thay đổi tiến tới x2 ta chọn đơn vị nhỏ nhất của màn hình Δx=1. Giải thuật thông thường: void dline(int x1,int y1, int x2,int y2, int color) { float y; int x; for (x=x1; x<=x2; x++) { y = y1 + (x-x1)*(y2-y1)/(x2-x1) ; putpixel(x, Round(y), color ); } } 2.2. Thuật toán DDA (Digital Differential Analizer) Tiến hành tính tại mỗi bước vốn sử dụng kết quả từ bước trước đó. Giả sử bước i đã tính (xi,yi), bước tiếp (xi+1,yi+1) sẽ nghiệm đúng với Δy/Δx=k. Δy = yi+1 -yi Δx = xi+1-xi Vậy:yi+1 =yi +kΔxvà xi+1 =xi + Δy/k - 0 < k < 1 (đảm bảo sự thay đổi của x trên trục toạ độ sẽ lớn hơn y) - Bắt đầu x=x1 (x1<x2) và y=y1 xi+1 = xi + 1 đặt Δx=1 (gia số theo x) yi+1= yi + k cứ như thế đến x2 19
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở - Khi k>1 bắt đầu y=y1 (y1<y2) và x=x1 - đặt Δy =1 (gia số theo y) xi+1 =xi + 1/k tiếp tục đến y2 Thuật toán void ddaline (int x1,int y1,int x2,int y2,int c) { int x=x1; float y=y1; float k=(float)(y2-y1)/(x2-x1); Begin putpixel(x,round(y),c); for(int i=x1;i<=x2;i++) { m=dy/dx; x++; x=x1; y=y+k; putpixel(x,round(y),c); y=y1; } } x<x2 Chú ý: - y=y+k nhanh hơn hẳn y=k*x+m (khử được phép nhân với số thực) x=x+1; - Hạn chế về tốc độ vì cộng số thực và làm tròn y=y+m; - Bài tập: viết thuật toán cho cả 4 trường hợp k. End Hình 2.2 Sơ đồ khối thuật toán DDA 2.3. Giải thuật Bresenham 1960 Bresenham thuộc IBM theo nguyên lý tìm ra các điểm gần với đường thẳng dựa trên độ phân giải hữu hạn. Giải thuật này loại bỏ được các phép toán chia và phép toán làm tròn như ta đã thấy trong giải thuật DDA. Xét đoạn thẳng với 0 < k < 1 y +1 i d2 d1 yi xi x i+1 Hình 2.3 Mô tả giải thuật Bresenham 20
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở Gọi (xi+1,y) là điểm thuộc đoạn thẳng, ta có y=k(xi+1)+b d1 = y - yi = k(xi +1) + b - yi d2 = yi+1 - y = yi + 1 - k(xi + 1) - b - Nếu d1 yi+1 = yi - Ngược lại d1 > d2 => yi+1 = yi +1 Đặt D = d1 - d2= 2k(xi + 1) - 2yi + 2b - 1 Có k=Δy/Δx Đặt Pi = ΔxD = Δx (d1 - d2) Pi = Δx(2Δy/Δx(xi +1)- 2yi +2b-1) = 2Δyxi +2Δy -2Δxyi + 2bΔx -Δx Ta tính bước tiếp: Pi+1 = 2Δyxi+1 +2Δy -2Δxyi+1 + 2bΔx -Δx Pi+1 - Pi = -2Δx(yi+1 -yi) + 2Δy(xi+1 -xi) Có xi+1 =xi+1 nên: Pi+1 - Pi = - 2Δx(yi+1 -yi) + 2Δy = 2Δy - 2Δx(yi+1 -yi) Nếu Pi 0 thì yi+1 = yi +1 Pi+1 = Pi + 2Δy - 2Δx Tính giá trị đầu: P1? P1 = Δx(d1 - d2) = Δx(2Δy/Δx(x1 +1)- 2y1 +2b-1) = 2Δyx1 +2Δy -2Δxy1 + 2bΔx -Δx Có y1=kx1 + b = Δy/Δx x1 +b P1 = 2Δyx1 +2Δy -2Δx((Δy/Δx)x1 +b) + 2bΔx -Δx = 2Δyx1 +2Δy -2Δyx1 - 2bΔx + 2bΔx -Δx P1 = 2Δy - Δx 21
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở /*Thuat toan Bresenham ve dthang (0 0 for (x=x1; x 0 A A B Hình 2.5 Mô tả giải thuật Midpoint So sánh hay kiểm tra M sẽ được thay bằng việc xét giá trị d. - d > 0 điểm B được chọn khi đó yi+1 = yi 22
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở - nếu d 0) thì M sẽ tăng theo x di+1=f(xi+2,yi+1/2) = a(xi+2) +b(yi +1/2) +c di+1 - di = a Hay di+1 = di + dy Tính d1 ? d1 = f(x1+1,y1+1/2) = a(x1+1) +b(y1 +1/2) +c = ax1 +by1 +c +a +1/2 b = f(x1,y1) +a +b/2 Có (x1,y1) là điểm bắt đầu, nằm trên đoạn thẳng nên f(x1,y1) = 0 Vậy d1 = a+ b/2 = dy - dx/2 23
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở /* Thuat toan Midpoint de ve doan thang B¾t ®Çu (0<k<1) */ void Mid_line(int x1, int y1, int x2, int y2, int c) x = x1 ; y = y1; { int x, y, dx, dy,d; dx = x2 - x1; y = y1; dy = y2 - y1; d = dy - dx/2; dx = x2 - x1; dy = y2 - y1; Putpixel (x ,y); d= dy - dx/2; for (x=x1; x<=x2; x++) No { d <= 0 putpixel(x, y, c); d = d + dy - dx x = x + 1 yes if (d <= 0) d = d + dy; d = d + dy y = y + 1 else { yes x < x2 y ++; d = d + dy - dx; no }} KÕt thóc } Hình 2.6 Sơ đồ khối giải thuật Midpiont cho đoạn thẳng 2.5. Giải thuật sinh đường tròn (Scan Converting Circles)(Bresenham) - Phương trình đường tròn đi qua tâm có toạ độ (xc,yc) là: 2 2 2 (x - xc) + (y - yc) = r Hình tròn là hình đối xứng tám cách Hình 2.7 Hình tròn đối xứng 8 phần Để đơn giản ta xét tâm trùng gốc 0:x2 + y2 = r2 Ta xét các điểm tạo ra từ góc phần tư thứ 2: từ 900 đến 450 , thực hiện theo hướng +x, -y Giả sử bắt đầu xi vậy xi+1 = xi +1 2 2 2 y = r - (xi +1) 2 2 2 2 2 d1 = yi - y = yi - r - (xi +1) 24
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở 2 2 2 2 2 d2 = y - (yi - 1) = r - (xi +1) - (yi - 1) 2 2 2 2 pi = d1 - d2 = 2(xi +1 ) + yi + (yi - 1) -2r Xét: pi =0 (d1>=d2) chọn điểm nằm trong đường tròn yi+1 = yi +1 2 2 2 pi = 2(xi +1 ) + 2yi - 2yi 1 - 2r 2 2 2 pi+1 = 2(xi +2 ) + 2yi+1 - 2yi+1 + 1 - 2r 2 2 pi+1 = pi + 4xi +6 + 2yi+1 - 2yi - 2yi+1 + 2yi 2 2 pi+1 = pi + 4xi +6 + 2(yi+1 - yi )- 2(yi+1 - yi ) + Nếu pi =0 hay yi+1 = yi -1 pi+1 = pi + 4xi +6 - 4yi + 2 + 2 pi+1 = pi + 4(xi - yi ) + 10 + Tính P1 ? khi đó ứng với x1=0 và y1 =r 2 2 2 2 p1 = 2(x1 +1) + y1 + (y1 - 1) -2r = 2 + r2 + (r-1)2 - 2r2= 3 - 2r Giải thuật là: Bắt đầu void Bre_circle(int xc, int yc, int Radius, int color) { X=0; y=r; int x, y, p; p=3-2r; x = 0; y = Radius; Putpixel(x,y,c); p = 3 - 2 * Radius; while (x <= y) { X++ putpixel(xc + x, yc + y, color); p<0 if (p < 0) p=p-4y+4x+10 p += 4 * x + 6; p=p+4x+6; else y { p += 4 * (x-y) + 10; X<r y ; } x++;} d2 } Hình 2.9 Sơ đồ khối giải thuật Bresemham cho đường tròn 25
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở Câu hỏi: lúc sử dụng tính đối xứng cho tám cách để vẽ một đường tròn đầy đủ từ các toạ độ pixel được tạo ứng với góc phần tư thứ hai. Một vài Pixel được vẽ hai lần, hiện tượng này gọi là Overstrike. Hãy chỉ định xem nơi nào xảy ra hiện tượng đó? Trả lời: Tại (r,0) hoặc (0,r) và vị trí đường chéo: (αr, αr) trong đó α = 1/√2 ≈ 0.7071 /* Thuat toan Bresenham de ve duong tron */ #include #include #define pc(xc,yc,x,y) { putpixel(xc + x, yc + y, color); putpixel(xc - x, yc - y, color); putpixel(xc -y, yc +x, color); putpixel(xc +y, yc -x, color); } void Bresenham_Circle(int xc, int yc, int Radius, int color){ int x, y, p; x = 0; y = Radius; p = 3 - 2 * Radius; pc(xc,yc, Radius,0); //ve 4 diem dac biet while (x 0 thì nằm bên ngoài đường tròn f(x,y) < 0thì nằm bên trong đường tròn Thực hiện giải thuật trên 1/8 đường tròn và lấy đối xứng cho các góc còn lại. Với M là điểm giữa của AB Với di là giá trị của đường tròn tại một điểm bất kỳ 26
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở 2 2 2 Ta có: di = f(xi+1,yi - 1/2) = (xi +1 ) + (yi - 1/2) - r + di = 0 chọn B thì điểm kế cận sẽ dịch chuyển theo x 1 đơn vị, theo y -1 đơn vị di+1 = f(xi +2, yi -3/2) 2 2 2 = (xi +2) + (yi - 3/2) - r di+1 - di = 2xi - 2yi +5 di+1 = di + 2xi - 2yi +5 Tính d1? tại điểm (0, r) 2 2 2 d1 =f(1,r-1/2)= 1 + (r-1/2) - r d1 = 5/4 -r Thuật toán như sau: Bắt đầu void Mid_circle(int xc, int yc, int Radius, int color) { X=0; y=r; d=1-r; int x, y, d; x = 0; y = Radius; Putpixel(x,y,c); d = 1- Radius; while (x <= y) { X++ putpixel(xc + x, yc + y, color); d<0 if (d< 0) d=d+2x-2y+5 d +=2 * x + 3; d=d+2x+3; else { y d += 2 * (x-y) + 5; X<r y ; } x++; End } } Hình 2.10 Sơ đồ khối giải thuật Midpoint vẽ đường tròn 2.8. Giải thuật sinh đường ellipse Tính đối xứng được thực hiện trên 4 cách Fxybxayab(, )=+−=22 22 22 0 27
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở A M tiep tuyen = -1 B gradient B C M i Hình 2.11 Mô tả giải thuật sinh đường ellipse Vector ⊥ với tiếp tuyến gradient =1 Ta có tiếp tuyến với cung tròn (độ dốc) = -1= dy/dx = - fx/fy Trong đó fx=2b2x đạo hàm riêng phần của f(x,y) với x Và fy=2a2y đạo hàm riêng phần của f(x,y) với y Giả sử ta chỉ xét trên góc phần tư thứ nhất: giả sử ta chia cung từ (0,b) đến (a,0) tại Q, có độ dốc -1 Trên phần 1: x thay đổi thì y thay đổi theo Trên phần 2: y thay đổi thì x thay đổi theo + Xét trên phần 1: Bắt đầu từ (0,b), bước thứ i (xi,yi) chọn tiếp A(xi+1, yi) B(xi+1,yi-1) Tham số quyết định: 2 2 2 2 2 2 Pi = f(xi+1,yi-1/2) = b (xi+1) + a (yi-1/2) -a b 2 2 2 2 2 2 Pi+1 = f(xi+1+1,yi+1-1/2) = b (xi+1+1) + a (yi+1-1/2) -a b 2 2 2 2 2 2 Pi+1 - Pi = b ((xi+1+1) - (xi+1) )+ a ((yi+1-1/2) - (yi-1/2) ) 2 2 2 2 2 Pi+1 = Pi + 2b xi+1+ b + a ((yi+1-1/2) - (yi-1/2) ) - Nếu Pi =0 chọn B xi+1=xi+1 yi+1=yi -1 2 2 2 2 2 Pi+1 = Pi + 2b xi(xi+1) +b + a ((yi-1 -1/2) - (yi-1/2) ) 2 2 2 = Pi + 2b xi +3b +a (-3yi +9/4 +yi -1/4) 2 2 2 = Pi + 2b xi +3b +a (-2yi +2) 2 2 Hay Pi+1 = Pi + b (2xi +3) + a (-2yi +2) 28
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở - Tính P1? tại (0,b) 2 2 2 2 2 P1 = f(x1+1,y1-1/2) = b + a (b-1/2) -a b 2 2 2 P1 = b - a b +a /4 + Xét trên phần 2: Ta lấy toạ dộ của Pixel sau cùng trong phần 1 của đường cong để tính giá trị ban đầu cho phần 2. Giả sử pixel (xk,yk) vừa chuyển quét cuối cùng của phần 1 nhập vào bước j cho phần 2 (xj,yj). Pixel kế tiếp có thể là: C(xj,yj-1) D(xj+1, yj-1) Tham số quyết định: 2 2 2 2 2 2 qj = f(xj+1/2,yj-1) = b (xj+1/2) + a (yj-1) -a b 2 2 2 2 2 2 qj+1 = f(xj+1+1/2,yj+1-1) = b (xj+1+1/2) + a (yj+1-1) -a b 2 2 2 2 2 2 qj+1 - qj = b ((xj+1+1/2) - (xj+1/2) )+ a ((yj+1-1) - (yj-1) ) 2 2 2 2 2 qj+1 = qj + b ((xj+1+1/2) - (xj+1/2) )+ a - 2a yj+1 - Nếu qj =0 chọn C yj+1=yj -1 xj+1= xj 2 2 qj+1 = qj + a - 2a (yj-1) 2 Hay qj+1 = qj + a (3 - 2yj ) - Tính q1? 2 2 2 2 2 2 q1 = f(xk+1/2,yk -1) = b (xk+1/2) + a (yk-1) -a b Câu hỏi: lúc lấy đối xứng 4 cách để tìm 1 Ellipse hoàn chỉnh từ các toạ độ pixel được tạo ra với cung phần tư thứ 1. Có hiện tượng overstrike xảy ra hay không? Trả lời: hiện tượng overstrike xảy ra tại: (0,b); (0,-b); (a,0); (-a,0) Thuật toán #include #include #define ROUND(a) ((long)(a+0.5)) void plot(int xc, int yc, int x, int y, int color){ putpixel(xc+x, yc+y, color); 29
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở putpixel(xc-x, yc+y, color); putpixel(xc+x, yc-y, color); putpixel(xc-x, yc-y, color); } void Mid_ellipse(int xc, int yc, int a, int b, int color){ long x, y, fx, fy, a2, b2, p; x = 0; y = b; a2 = a * a; //a2 b2 = b * b; // b2 fx = 0; fy = 2 * a2 * y; // 2a2y plot(xc, yc, x,y, color); p = ROUND(b2-(a2*b)+(0.25*a)); // p=b2 - a2b + a2/4 while (fx 0){ y ; fy -= 2*a2; // 2a2 if (p>=0) p+=a2*(3 - 2*y); p =p + a2(3-2y) else{ x++; fx += 2*b2; // 2b2 p += b2*(2*x+2) + a2*(-2*y +3); //p=p + b2(2x +2) +a2(-2y +3) } plot(xc, yc, x, y, color); } } void main(){ int gr_drive = DETECT, gr_mode; initgraph(&gr_drive, &gr_mode, ""); Mid_Ellipse(getmaxx() / 2, getmaxy() / 2, 150, 80, 4); getch(); closegraph(); } 2.9. Giải thuật sinh ký tự Trong màn hình text, truy xuất các ký tự trên màn hình được hỗ trợ bởi phần cứng. Các ký tự được lưu trữ trong bộ nhớ ROM, dưới dạng bitmap hay các ma trận ảnh. Phần cứng sẽ đưa ký tự lên màn hình tại ví trí xác định, tính toán cuốn trang và xuống dòng. 30
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở Trong đồ hoạ: + Vector: định nghĩa các ký tự theo những đường cong mềm bao ngoài của chúng, tốn kém về mặt tính toán. - phức tạp (tính toán phương trình) - lưu trữ gọn nhẹ - các phép biến đổi dựa vào công thức biến đổi - Kích thước phụ thuộc vào môi trường (không có kích thước Hình 2.12 Ký tự vector cố định) + Bitmap: định nghĩa mỗi ký tự với 1 font chữ cho trước là 1 ảnh bitmap hình chữ nhật nhỏ. - Đơn giản trong việc sinh ký tự (copypixel) - Lưu trữ lớn - Các phép biến đổi(I,B,U, scale) đòi hỏi lưu trữ thêm - Kích thước không đổi Hình 2.13 Ký tự bitmap + bitmap: sử dụng hàm copypixel (copy điểm ảnh) được lưu trữ trong bộ nhớ cố định - Fontcache, đưa vào bộ nhớ đệm hiển thị. Mỗi 1 ký tự như 1 ma trận 2 chiều của các điểm ảnh - mặt nạ. Hàm_sinh_ki_tu (mask) {xmax, ymax, xmin, ymin //các giới hạn của mặt nạ xo, yo//điểm gốc trên bộ đệm hiển thị for (i=ymin;i 0) copypixel ((mask(i,j), pixel(xo+j, yo+i)); } Ký tự fontcache bitmap đơn giản của SRGP lưu trữ các ký tự theo chuỗi liên tiếp nhau trong bộ nhớ. Nhưng độ rộng các ký tự khác nhau, truy nhập các fontcache thông qua bản ghi về cấu trúc cho từng kí tự. Cấu trúc font chữ typedef struct { int leftx; int width; } Charlocation; //Vị trí của text struct { int CacheId; int Height; // Độ rộng chữ int CharSpace; // Khoảng cách giữa các ký tự Charlocation Table [128]; //bng ch ci } fontcache; + Ký tự vector 31
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở Xây dựng theo phương pháp định nghĩa các ký tự bởi đường cong mềm bao ngoài của chúng dễ dàng thay đổi kích thước của kí tự cũng như nội suy ra các dạng của kí tự. Hoàn toàn độc lập với thiết bị. + Tối ưu nhất: lưu trữ font dưới dạng đường bao. Khi các chương trình ứng dụng sử dụng là bitmap tương ứng với chúng. 2.10. Giải thuật sinh đa giác (Polygon) a. Thuật giải vẽ đường bao đa giác Việc biểu diễn đa giác thông qua: - Tập các đoạn thẳng - Tập các điểm thuộc đa giác Các loại đa giác: triangular convex non-convex self-intersecting religious Hình 2.14 Các loại đa giác Đa giác lồi: là đa giác có đường thẳng nối bất ký 2 điểm bên trong nào của đa giác đều nằm trọn trong đa giác. Đa giác không lồi là đa giác lõm. Các đường thẳng bao đa giác - cạnh của đa giác. Các điểm giao của cạnh - đỉnh của đa giác. Thông tin cần thiết để xác định đa giác: - Số cạnh - Toạ độ các đỉnh của đa giác Giải thuật: Polygon (arrayx, arrayy,n) { if (n<3//không phải đa giác exit; for (i=1 ; i<= n-1; i++) line(arrayx[i],arrayy[i], arrayx[i+1], arrayy[i+1]); line(arrayx[i+1],arrayy[i+1], arrayx[1], arrayy[1]); } b. Các thuật toán tô miền kín đa giác Lợi thế của hiển thị raster là: khả năng lưu trữ, copy, tô màu một vùng Có hai dạng vùng tô thường gặp đó là: tô bằng một màu thuần nhất (solid fill), tô theo mẫu tô (fill pattern) nào đó. Còn thiết bị vector thì hạn chế do các vùng tô màu tạo ra bởi một tập các đoạn thẳng sát nhau - làm chậm quá trình làm tươi. + Giải thuật đường biên (Boundary - fill Algorithm) - Bắt đầu từ 1 điểm (x,y) trong vùng cần được tô màu: + Xác định màu điểm: getpixel(x,y,c) + Tô màu putpixel(x,y,c) 32
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở - Bước tiếp: kiểm tra thuộc tính màu các điểm lân cận + điểm lân cận đã tô màu (exit) + trùng với màu đường biên(exit) + Nếu không thì tô màu Các phương pháp xác định điểm lân cận 4-connected 8-connected Hình 2.15 Phương pháp tịnh tiến giải thuật Giải thuật tô màu đường biên: #include #include void FloodFill (int x, int y, int in_color, int new_color){ if (getpixel(x, y) == in_color){ putpixel(x, y, new_color); FloodFill(x-1, y, in_color, new_color); FloodFill(x+1, y, in_color, new_color); FloodFill(x, y-1, in_color, new_color); FloodFill(x, y+1, in_color, new_color); } } void main(){ int gr_drive = DETECT, gr_mode; initgraph(&gr_drive, &gr_mode, ""); circle(getmaxx() / 2, getmaxy() / 2, 15); FloodFill(getmaxx() / 2, getmaxy() / 2, 0, 4); getch(); closegraph(); } +Giải thuật dòng quét (scanline) cho việc tô màu vùng Giải thuật dựa trên ý tưởng sử dụng một đường quét trên trục y của màn hình đi từ ymax đến ymin của vùng cần được tô màu. Với mỗi giá trị y = yi đường thẳng quét cắt các đường biên của vùng cần tô tạo ra đoạn thẳng y = yi với x ∈[xmin, xmax]. Trên đoạn thẳng đó chúng ta tô màu các điểm tương ứng đi từ xmin đến xmax có các điểm tô (xi, yi) ∈y = yi. - Đơn giản nhất ví dụ tô màu hình chữ nhật: void scanline_rectg(x1,y1,x2,y2,c){ int i,j; for(i=y1; i>=y2; i ) for(j=x1; j<= x2;j++) putpixel(i,j,c); } - Phép tô màu 1 đa giác bất kỳ sẽ phức tập hơn rất nhiều so với hình chữ nhật 33
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở Giả sử vùng tô được cho bởi 1 đa giác n đỉnh: pi (xi,yi), i=0,1, ,n-1. Đa giác này có thể là đa giác lồi, đa giác lõm hay đa giác tự cắt Các bước tóm tắt chính của thuật toán: - Tìm ytop, ybottom lần lượt là giá trị lớn nhất, nhỏ nhất của tập các tung độ của các đỉnh của đa giác đã cho. ytop = max{yi,(xi,yi) ∈P}, ybottom = min{yi,(xi,yi) ∈P}. - Ứng với mỗi dòng quét y=k, với k thay đổi từ ybottom đến ytop lặp: + Tìm tất cả các hoành độ giao điểm của dòng quét y=k với các cạnh của đa giác + Sắp xếp các hoành độ giao điểm theo thứ tự tăng dần: xo,x1, + Tô màu các đoạn thẳng trên đường thẳng y=k lần lượt được giới hạn bởi các cặp (xo,x1), (x2,x3), , (x2k,x2k+1). Chúng ta sẽ gặp 1 số vấn đề sau: - Ứng với mỗi dòng quét không phải lúc nào tất cả các cạnh của đa giác cũng tham gia cắt dòng quét. Do đó để cải thiện tốc độ cần phải có một cách nào đó để hạn chế được số cạnh cần tìm giao điểm ứng với mỗi dòng quét. - Nếu số giao điểm tìm được giữa các cạnh đa giác và dòng quét là lẻ (điều này chỉ xảy ra khi dòng quét sẽ đi qua các đỉnh của đa giác) khi đó ta sẽ tính số điểm là 2 thì có thể tô không chính xác. Ngoài ra, việc tìm giao điểm của dòng quét với các cạnh nằm ngang là trường hợp đặt biệt y yqmax yq yq yqmin x Hình 2.16 Giải thuật scanline cho một đa giác bất kỳ Để giải quyết các vấn đề trên ta có các phương pháp sau: + Danh sách các cạnh kích hoạt (AET - Active Edge Table) Mỗi cạnh của đa giác được xây dựng từ 2 đỉnh kề nhau Pi(xi,yi) và Pi+1(xi+1,yi+1) gồm các thông tin sau: ymin: giá trị nhỏ nhất trong 2 đỉnh của cạnh 34
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở xIntersect: hoành độ giao điểm của cạnh với dòng quét hiện đang xét DxPerScan: giá trị 1/m (m là hệ số góc của cạnh) DeltaY: khoảng cách từ dòng quét hiện hành tới đỉnh ymax Danh sách các cạnh kích hoạt AET: danh sách này dùng để lưu các tập cạnh của đa giác có thể cắt ứng với dòng quét hiện hành và tập các điểm giao tương ứng. Nó có một số đặc điểm: Các cạnh trong danh sách được sắp xếp theo thứ tự tăng dần của các hoành độ giao điểm để có thể tô màu các đoạn giao một cách dễ dàng. Thay đổi ứng với mỗi dòng quét đang xét, do đó danh sách này sẽ được cập nhật liên tục trong quá trình thực hiện thuật toán. Đầu tiên ta có danh dách chứa toàn bộ các cạnh của đa giác gọi là ET (Edge Table) được sắp xếp theo thứ tự tăng dần của ymin, rồi sau mỗi lần dòng quét thay đổi sẽ di chuyển các cạnh trong ET thoả điều kiện sang AET. Một dòng quét y=k chỉ cắt 1 cạnh của đa giác khi và chỉ khi k>=ymin và Δy>0. Chính vì vậy mà với các tổ chức của ET (sắp theo thứ tự tăng dần của ymin) điều kiện để chuyển các cạnh từ ET sang AET sẽ là k>=ymin; và điều kiện để loại một cạnh ra khỏi AET là Δy<=0 + Công thức tìm giao điểm nhanh Nếu gọi xk,xk+1 lần lượt là các hoành độ giao điểm của một cạnh nào đó với các dòng quét y=k và y=k+1 ta có: xk+1 - xk = 1/m ((k+1) - k) = 1/m hay xk+1 = xk + 1/m Như vậy nếu lưu hoành độ giao điểm ứng với dòng quét trước lại, cùng với hệ số góc của cạnh, ta xác định được hoành độ giao điểm ứng với dòng quét kế tiếp theo công thức trên. Nên thông tin của cạnh có 2 biến: DxPerScan , xIntersect. + Trường hợp dòng quét đi ngang qua một đỉnh: Tính 1 giao điểm nếu chiều của 2 cạnh kề của đỉnh đó có xu hướng tăng hay giảm Tính 2 giao điểm nếu chiều của 2 cạnh kề của đỉnh đó có xu hướng thay đổi, nghĩa là tăng- giảm hay giảm-tăng. Pi-1 Pi+1 Pi+1 Pi-1 Pi Pi Pi Pi+1 Pi Pi-1 Pi+1 Pi-1 A B Hình 2.17 Qui tắc tính: một giao điểm (A) và hai giao điểm (B) + Giải thuật tô vùng kín theo mẫu (Pattern filling) object (ảnh mẫu) A[m,n] Vấn đề: xác định điểm ở mẫu và nhiều điểm tương ứng với chúng trên màn hình. Phương pháp 1: Tìm điểm neo ở đầu trái nhất hàng đầu tiên của đa giác. 35
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở Nhược điểm: không có điểm định vị trí phân biệt một cách rõ ràng cho mẫu tô trong một đa giác bất kỳ. Phương pháp 2: sử dụng cho SRGP Lấy điểm neo ở gốc toạ độ, giả sử ta coi cả màn hình được lát bởi màu tô các thực thể là các đường biên cho các vùng tô, vậy nếu ngoài các thực thể các màu tô không được phép thể hiện. y y neo neo x x Hình 2.18 Phương pháp lấy điểm neo Tóm tắt chương: Các đối tượng đồ hoạ cơ sở cung cấp các công cụ cơ bản nhất cho việc xây dựng các ảnh đồ hoạ của các đối tượng phức tạp. Các đoạn thẳng, đường cong, vùng tô, ký tự là các đối tượng đồ hoạ cơ sở được hầu hết tất cả các công cụ lập trình đồ hoạ hỗ trợ. Để có thể hiển thị các đối tượng đồ hoạ trên thiết bị hiển thị dạng điểm mà điển hình là màn hình, cần phải có một quá trình chuyển các mô tả hình học của các đối tượng này trong hệ toạ độ thế giới thực về dãy các pixel tương ứng gần với chúng nhất trên toạ độ thiết bị. Quá trình này còn được gọi là quá trình chuyển đổi bằng dòng quét. Yêu cầu quan trọng nhất đối với quá trình này ngoài việc phải cho kết quả xấp xỉ tốt nhất còn phải cho tốc độ tối ưu. Ba cách tiếp cận để vẽ đoạn thẳng gồm thuật toán DDA, thuật toán Bresenham, thuật toán Midpiont đều tập trung vào việc đưa ra cách chọn một trong hai điểm nguyên kế tiếp khi đã biết điểm nguyên ở bước trước. Thuật toán DDA đơn giản chỉ dùng thao tác làm tròn nên phải dùng các phép toán trên số thực, trong khi đó thuật toán Bresenham và Midpiont đưa ra cách chọn phức tạp hơn nhưng cho kết quả tốt hơn. Tương tự dùng hai giải thuật Bresenham và Midpiont để vẽ đường tròn và ellpise và một số đường cong khác. Các thuật toán tô màu vùng gồm thuật toán loang (đệ qui) hay thuật toán dòng quét. Có thể tô cùng một màu hay tô theo mẫu. Bài tập: 1. Chỉ định các vị trí mành nào sẽ được chọn bởi thuật toán Bresenham lúc chuyển quét một đường thẳng từ toạ độ pixel (1,1) sang toạ độ pixel (8,5). 2. Dùng giải thuật Bresenham viết hàm sinh đoạn thẳng (xét tất cả các trường hợp của hệ số góc). 3. Dùng giải thuật Midpiont viết hàm sinh đoạn thẳng (xét tất cả các trường hợp của hệ số góc). 36
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở 4. Dùng giải thuật Midpiont viết hàm sinh đường tròn (toạ độ tâm (xc,yc) và bán kính r). 5. Dùng giải thuật Midpiont viết hàm sinh đường ellipse (toạ độ tâm (xc,yc) và bán kính rx và ry ). 6. Từ hàm vẽ đường thẳng thiết kế và cài đặt hàm vẽ các hình sau: hình chữ nhật, đa giác, ngôi nhà 7. Viết giải thuật tìm giao điểm hai đoạn thẳng. 8. Viết chương trình tô màu Floodfill (sử dụng đệ qui với 4-connected). 9. Đưa ra lưu đồ thuật toán tô màu theo dòng quét. 10. Viết thuật toán tô màu scan-line. Bài tập trắc nghiệm: 1. Xây dựng giải thuật tổng quát để vẽ đường thẳng ta có xét hệ số k (hệ số góc của đường) sẽ có tất cả các trường hợp của k: a. 4 b. 3 c. 2 d. 1 2. Để biểu diễn đoạn thẳng thông qua phương trình tham số như sau: a. y=f(x) hay y=kx+b b. f(x,y)=0 hay ax + by +c =0 c. x(v)=x1 +v(x2-x1) và y(v) = y1 +v(y2-y1) có v ∈ [0,1] d. P(u) = P1 + u(P2-P1) có u ∈ [0,1] 3. Khi xây dựng giải thuật vẽ đường tròn đầy đủ ta chỉ cần viết phương trình cho 1/8 đường tròn, rồi gọi đối xứng 8 cách. Khi đó xảy ra hiện tượng overstrike. Vậy điểm xảy ra hiện tượng đó là: (r là bán kính của đường tròn) ⎛ 1 1 ⎞ a. (0,r) và ⎜ r, r ⎟ ⎝ 2 2 ⎠ ⎛ 1 1 ⎞ b. (r,0) hoặc (0,r) và ⎜ r, r ⎟ ⎝ 2 2 ⎠ c. (0,r) và (-r,0) d. (r,0) và (0,r) 4. Giải thuật sau là giải thuật gì? Và đã dùng bao nhiêu điểm lân cận? void Function (int x, int y, int c1, int c2){ if (getpixel(x, y) == c1){ putpixel(x, y, c2); Function (x-1, y, c1, c2); Function (x+1, y, c1, c2); Function (x+1, y+1, c1, c2); Function (x-1, y-1, c1, c2); Function (x, y-1, c1, c2); 37
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở Function (x, y+1, c1, c2); } } Giải thuật scanline, số Giải thuật tô màu Giải thuật tô màu Giải thuật tô màu điểm lân cận là: đường biên, số điểm loang, số điểm lân theo mẫu, số màu lân lân cận là: cận là: cận là: A B c d 5. Giải thuật vẽ đường thẳng sau vẽ cho trường hợp k là: void Midline(int x1,int y1,int x2,int y2,int c){ int x=x1,y=y1,dx=x2-x1,dy=y2-y1,p=2*dx-dy; while(y 1 c. k =0 và k 1 c. k<=-1 d. -1<k<0 38
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở 7. Giải thuật sau là giải thuật nào? void Function(int xt, int yt, int r, int c){ int x, y, d; x = 0; y = r; d = 3 - 2 * r; while (x #include void Function(int xc, int yc, int r, int c){ int x, y, d; x = 0; y = r; d = 3 - 2 * r; while (x <= y){ putpixel(xc + x, yc + y, c); putpixel(xc - x, yc + y, c); putpixel(xc - x, yc - y, c); putpixel(xc + y, yc - x, c); putpixel(xc - y, yc - x, c); if (d < 0) d += 4 * x + 6; else{ d += 4 * (x-y) + 10; y ; } x++; } } void main(){ int gr_drive = DETECT, gr_mode; initgraph(&gr_drive, &gr_mode, ""); Function(getmaxx() / 2, getmaxy() / 2, 150, 4); 39
Chương 2: Các giải thuật sinh thực thể cơ sở getch(); closegraph(); } A B c d 40
Chương 3: Các phép biến đổi đồ họa CHƯƠNG 3: CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ĐỒ HOẠ 1. CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI HÌNH HỌC HAI CHIỀU 1.1. Phép biến đổi Affine (Affine Transformations) Phép biến đổi Affine là phép biến đổi tuyến tính tọa độ điểm đặc trưng của đối tượng thành tập tương ứng các điểm mới để tạo ra các hiệu ứng cho toàn đối tượng. Ví dụ: phép biến đổi tọa độ với chỉ 2 điểm đầu cuối của đoạn thẳng tạo thành 2 điểm mới mà khi nối chúng với nhau tạo thành đoạn thẳng mới. Các điểm nằm trên đoạn thẳng sẽ có kết quả là điểm nằm trên đoạn thẳng mới với cùng phép biến đổi thông qua phép nội suy. 1.2. Các phép biến đổi đối tượng Các đối tượng phẳng trong đồ hoạ 2 chiều mô tả tập các điểm phẳng. Điểm trong đồ hoạ 2 chiều biểu diễn thông qua toạ độ, viết dưới dạng ma trận gọi là vectơ vị trí. Có 2 dạng biểu diễn: Một hàng và 2 cột: []x y ⎡x⎤ Hai hàng và 1 cột: ⎢ ⎥ ⎣y⎦ Trong tài liệu này chúng ta chọn biểu diễn điểm là ma trận hàng (một hàng và 2 cột). Tập các điểm được lưu trữ trong máy tính sẽ được viết dưới dạng ma trận vị trí của chúng. Chúng có thể là đường thẳng, đường cong, ảnh thật dễ dàng kiểm soát các đối tượng thông qua các phép biến đổi chúng, thực chất các phép biến đổi đồ hoạ này được mô tả dưới dạng các ma trận. 1.2.1. Phép biến đổi vị trí Giả sử ta có điểm P = [ x y ] trong mặt phẳng với [x y] là vectơ vị trí của P, kí hiệu là [X]. ⎡a b⎤ T = ⎢ ⎥ ⎣c d⎦ Gọi ma trận T là ma trận biến đổi sẽ có dạng: y P P’ x Hình 3.1 Phép biến đổi vị trí Ta có điểm P sau phép biến đổi thành P’ có giá trị [x’ y’]. Thực thi phép biến đổi đúng trên 1 điểm ảnh sẽ đúng với toàn bộ đối tượng. 41
Chương 3: Các phép biến đổi đồ họa ⎡a b⎤ ' ' [][][X * T = x y ]*⎢ ⎥ = []()()ax + cy bx + dy = []x y ⎣c d⎦ Hay ta có: x’ = ax + cy y’ = bx + dy Xét ma trận biến đổi T: Phép bất biến: Khi đó: a = d =1 và b = c = 0 và ma trận cho phép bất biến là: ⎡1 0⎤ T = ⎢ ⎥ ⎣0 1⎦ ⎡1 0⎤ [][][]X * T = x y *⎢ ⎥ = [][]x y = x' y' ⎣0 1⎦ Vậy x’=x và y = y’ hay là P’ = P chứng tỏ bất biến qua phép biến đổi. Phép biến đổi tỷ lệ (scaling): - Nếu d=1 và b = c = 0 thì ma trận biến đổi là: ⎡a 0⎤ T = ⎢ ⎥ ⎣0 1⎦ x’ = ax y’ = y P’ dịch chuyển theo trục x với tỷ lệ a xác định. ⎡a 0⎤ [][][X * T = x y ]*⎢ ⎥ = [][]()ax y = x' y' ⎣0 1⎦ - Nếu b = c =0 thì ma trận biến đổi là: ⎡a 0⎤ T = ⎢ ⎥ ⎣0 d⎦ ⎡a 0⎤ [][][X * T = x y ]*⎢ ⎥ = [ax dy ][= x' y' ] ⎣0 d⎦ Hay tổng quát hơn gọi Sx, Sy lần lượt là tỷ lệ theo trục x và trục y, thì ma trận tỷ lệ sẽ là: ⎡Sx 0 ⎤ T = ⎢ ⎥ ⎣ 0 Sy⎦ Khi Sx , Sy >1 gọi là phép phóng to Khi Sx, Sy <1 gọi là phép thu nhỏ - Các trường hợp đặc biệt: 42
Chương 3: Các phép biến đổi đồ họa Sy=-1 Sx=Sy=-1 Sx=-1 P P P’ P P’ P’ Đối xứng qua y Đối xứng qua x Đối xứng qua gốc toạ độ Hình 3.2 Các phép đối xứng trên 2D Phép biến dạng Khi a = d = 1 thì toạ độ của P’ phụ thuộc vào thay đổi của b và c - Xét c = 0 ⎡1 b⎤ [][][X * T = x y ]* ⎢ ⎥ = [x bx + y ][= x' y' ] ⎣0 1⎦ P’ y’=bx+y P bx Hình 3.3 Phép biến dạng theo trục oy Có P’ không thay đổi giá trị toạ độ x, còn y’ thay đổi phụ thuộc vào cả b và x - Xét b = 0 ⎡1 0⎤ [][][X * T = x y ]*⎢ ⎥ = [x + cy y ]= [x' y' ] ⎣c 1⎦ cy x’=x+cy P P’ Hình 3.4 Phép biến dạng theo trục ox Chú ý: điểm gốc toạ độ P[0 0] bất biến với mọi phép biến đổi 43
Chương 3: Các phép biến đổi đồ họa Phép quay Có α>0 ngược chiều kim đồng hồ Hình 3.5 Phép quay trên 2D Ta có: P[x y]= [rcosβ rsinβ] P’[x’ y’] = [rcos(α+β) rsin(α+β)] P’[x’ y’] = [r(cosαcosβ - sinαsinβ)r(cosαsinβ + sinαcosβ)] = [(xcosα - ysinα)(xsinα + ycosα)] Vậy: x’ = xcosα - ysinα y’ = xsinα + ycosα Ta có: [X’]= [X]* [T] = [(xcosα - ysinα) (xsinα + ycosα)] Vậy T tổng quát khi quay đối tượng quanh gốc toạ độ 1 góc α bất kỳ là: ⎡ cosα sinα ⎤ []T = ⎢ ⎥ ⎣− sinα cosα ⎦ 1.2.2. Phép biến đổi tổng hợp Phương pháp biến đổi sử dụng phép nhân ma trận với toạ độ điểm thông qua các vectơ vị trí thật sự hiệu quả và đem lại công cụ mạnh về đồ hoạ cho người sử dụng. Nhưng thực tế các thao tác thường cần không chỉ một mà nhiều phép biến đổi khác nhau. Ta có phép hoán vị khi nhân ma trận là không thực hiện nhưng khả năng tổ hợp các phép nhân lại cho phép tạo ra một ma trận biến đổi duy nhất. Làm giảm bớt đáng kể khối lượng tính toán trong quá trình biến đổi, làm tăng tốc các chương trình ứng dụng và tạo điều kiện cho việc quản lý các biến đổi trong ứng dụng. Giả sử ta có P với [X] = [x y], có hai phép biến đổi [T1] quay quanh gốc toạ độ 900: ⎡ 0 1⎤ T1= ⎢ ⎥ ⎣−1 0⎦ Và [T2] lấy đối xứng P qua gốc toạ độ: 44
Chương 3: Các phép biến đổi đồ họa ⎡−1 0 ⎤ T 2 = ⎢ ⎥ ⎣ 0 −1⎦ Ta có: ⎡ 0 1⎤ [][][][X ' = X * T1 = x y ]*⎢ ⎥ = [− y x ] ⎣−1 0⎦ ⎡−1 0 ⎤ [][][][X" = X ' * T 2 = − y x ]*⎢ ⎥ = [y − x ] ⎣ 0 −1⎦ Giả sử [T3] là ma trận tổng hợp [T1] và [T2] ⎡0 −1⎤ [][][][X * = X * T3 = x y ]*⎢ ⎥ = [y − x ] ⎣1 0 ⎦ Kết luận: biến đổi qua nhiều ma trận thành phần sẽ tương đương với phép biến đổi qua ma trận tổng hợp từ các phép biến đổi đó. 2. TỌA ĐỘ ĐỒNG NHẤT VÀ CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI 2.1. Toạ độ đồng nhất Ta xét phép tịnh tiến: x’= x + dx y’ = y + dy Vậy P’ = P + [T] ⎡dx⎤ []T = ⎢ ⎥ ⎣dy⎦ Vậy phép biến đổi tổng hợp: P’’=P’*[T’] + [T’’] = (P + [T]) [T’] + [T’’] Rõ ràng không thể biểu diễn thông qua ma trận tổng hợp 2 chiều 2x2 được. Phép tịnh tiến đưa ra ma trận biến đổi tổng hợp là không thể. Thế nào là phương pháp biểu diễn toạ độ đồng nhất ? là phương pháp biểu diễn mở rộng thông qua toạ độ đồng nhất của các vectơ vị trí không đồng nhất [x y] là ứng dụng của phép biến đổi hình học mà ở đó toạ độ điểm được mô tả dưới ma trận [x* y* h] với x=x*/h, y=y*/h có h là một số thực tuỳ ý. Vậy một vectơ vị trí [xy] bất kỳ trên mặt phẳng xoy bằng tập vô số các điểm đồng nhất [hx hyh]. Ví dụ: [2 5] sẽ biểu diễn bằng [4102], [6153] đơn giản nhất là [251]. Vậy toạ độ đồng nhất của vectơ vị trí [X]= [ x y 1]. Khi đó ma trận biến đổi sẽ là 3x3: ⎡ a b 0⎤ ⎢ ⎥ []T = ⎢ c d 0⎥ ⎣⎢dx dy 1⎦⎥ ⎡ a b 0⎤ ⎢ ⎥ P'= P.[]T = [x y 1 ]*⎢ c d 0⎥ ⎣⎢dx dy 1⎦⎥ 45
Chương 3: Các phép biến đổi đồ họa x’=ax + cy +dx y’=bx + dy + dy [X’]= [x’ y’1] Trong đó dx, dy là khoảng tịnh tiến theo trục x và y. 2.2. Phép biến đổi với toạ độ đồng nhất Ma trận biến đổi đồng nhất ⎡a b 0⎤ ⎢ ⎥ [T] = ⎢ c d 0⎥ ⎣⎢m n 1⎦⎥ Phép tịnh tiến Có a=d=1 và b=c=0 ⎡1 0 0⎤ ⎢ ⎥ []T = ⎢ 0 1 0⎥ ⎣⎢m n 1⎦⎥ ⎡1 0 0⎤ ⎢ ⎥ [x' y' 1] = [x y 1]⎢ 0 1 0⎥ = [x + m y + n 1] ⎣⎢m n 1⎦⎥ Chú ý: trong mặt phẳng toạ độ, mọi điểm kể cả gốc toạ độ đều có thể biến đổi. Phép biến đổi tổng hợp của hai phép tịnh tiến theo khoảng [m1 n1] và [m2n2] bằng phép biến đổi duy nhất một khoảng có giá trị bằng tổng của hai phép biến đổi [m1+m2n1+n2]. Thật vậy: ⎡ 1 0 0⎤ ⎡ 1 0 0⎤ ⎡ 1 0 0⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ [][]T1 * T 2 = ⎢ 0 1 0⎥ *⎢ 0 1 0⎥ = ⎢ 0 1 0⎥ ⎣⎢m1 n1 1⎦⎥ ⎣⎢m2 n2 1⎦⎥ ⎣⎢m1+ m2 n1+ n2 1⎦⎥ Phép tỷ lệ Tương tự ma trận tỷ lệ: ⎡Sx 0 0⎤ ⎡Sx 0 0⎤ Ts = ⎢ 0 Sy 0⎥ ⎢ ⎥ []⎢ ⎥ [x' y' 1] = [x y 1]⎢ 0 Sy 0⎥ = [x.Sx y.Sy 1] ⎣⎢ 0 0 1⎦⎥ ⎣⎢ 0 0 1⎦⎥ Chú ý: Phép biến đổi tổng hợp của hai phép tỷ lệ Sx1, Sx2 và Sy1,Sy2 bằng phép biến đổi duy nhất có tỷ lệ là tích hai phép biến đổi trên Sx1*Sx2, Sy1*Sy2. Phép quay 46
Chương 3: Các phép biến đổi đồ họa ⎡ cosα sinα 0⎤ ⎢ ⎥ y ( x’, y’ ) [x' y' 1] = [x y 1] ⎢− sinα cosα 0⎥ ⎣⎢ 0 0 1⎦⎥ = [](xcosα − ysinα) (xsinα + y cosα) 1 ( x, y ) α β x Hình 3.6 Phép quay 3. CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI HÌNH HỌC BA CHIỀU Các phép biến đổi chuyển vị - translation, tỉ lệ-scaling và quay-rotation sử dụng trong không gian 2D đều có thể mở rộng trong không gian 3D. 3.1.Biểu diễn điểm trong không gian 3 chiều [x* y* z* h] hay[x*/h y*/hz*/h 1] Viết gọn hơn:[xy z1] Ma trận biến đổi tổng quát trong không gian 3D với tọa độ đồng nhất (4x4) ⎡a b c p⎤ ⎡ a b c 0⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢d e f q⎥ d e f 0 [T ] = Hay T = ⎢ ⎥ ⎢g i j r⎥ ⎢ g i h 0⎥ ⎢ ⎥ l m n s ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣dx dy dz 1⎦ 3.2. Phép tịnh tiến Đây là phép biến đổi đơn giản nhất, mở rộng từ phép biến đổi trong không gian 2D ta có: ⎡ 1 0 0 0⎤ ⎢ 0 1 0 0⎥ [T (dx,dy,dz)] = ⎢ ⎥ ⎢ 0 0 1 0⎥ ⎢ ⎥ ⎣dx dy dz 1⎦ [X'] = [ X ] . [ T(dx,dy,dz) ] [ x' y' z' 1 ] = [ x y z 1 ].[ T(dx,dy,dz) ] = [ x+dx y+dy z+dz 1 ] Hình 3.7 Phép tình tiến trên 3D 47
Chương 3: Các phép biến đổi đồ họa 3.3. Phép tỉ lệ Tương tự trong 2D ta có phép tỉ lệ trong 3D là: ⎡Sx 0 0 0⎤ ⎢ 0 Sy 0 0⎥ Ts = ⎢ ⎥ ⎢ 0 0 Sz 0⎥ ⎢ ⎥ ⎣ 0 0 0 1⎦ Ta có Sx,Sy và Sz là các hệ số tỉ lệ trên các trục toạ độ [X’] = [X] . [T(Sx,Sy,Sz) ] ⎡Sx 0 0 0⎤ ⎢ 0 Sy 0 0⎥ [x ' y' z' 1] = [x y z 1] ⎢ ⎥ ⎢ 0 0 Sz 0⎥ Hình 3.8 Phép tỷ lệ trên 3D ⎢ ⎥ ⎣ 0 0 0 1⎦ = [x.Sxy.Sy z.Sz 1] 3.4. Phép biến dạng - Ta có tất cả các phần tử nằm trên đường chéo chính bằng 1 - Các phần tử chiếu và tịnh tiến bằng 0 [X’] = [X] . [Tsh] ⎡1 b c 0⎤ ⎢d 1 f 0⎥ [x' y' z' 1] = [x y z 1] ⎢ ⎥ ⎢g i 1 0⎥ ⎢ ⎥ ⎣0 0 0 1⎦ = [x + yd + gz bx + y + iz cx + fy + z 1] Hình 3.9 Các phép biến dạng trên 3D 3.5. Phép lấy đối xứng 48
Chương 3: Các phép biến đổi đồ họa Đối xứng qua trục ox Đối xứng qua mặt xoy Đối xứng qua gốc O ⎡1 0 0 0⎤ ⎡1 0 0 0⎤ ⎡−1 0 0 0⎤ ⎢0 −1 0 0⎥ ⎢0 1 0 0⎥ ⎢ 0 −1 0 0⎥ Mox = ⎢ ⎥ Mxoy = ⎢ ⎥ Mo = ⎢ ⎥ ⎢0 0 −1 0⎥ ⎢0 0 −1 0⎥ ⎢ 0 0 −1 0⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣0 0 0 1⎦ ⎣0 0 0 1⎦ ⎣ 0 0 0 1⎦ 3.6. Phép quay 3 chiều 2.6.1. Quay quanh các trục toạ độ Đơn giản nhất là phép quay quanh các trục toạ độ ox,oy và oz với góc dương: Hình 3.10 Xác định góc quay dương trên 3 trục toạ độ Khi này phép quay lại đưa về phép quay không gian 2D quanh gốc toạ độ - Quay quanh trục oz: ⎧x' = xcosα − ysinα ⎪ y ' = xsinα + ycosα ⎡ cosϕ sinϕ 0 0⎤ ⎨ ⎢ ⎥ ⎪ ' − sinϕ cosϕ 0 0 ⎩ z = z [Tz] = ⎢ ⎥ ⎢ 0 0 1 0⎥ ⎢ ⎥ ⎣ 0 0 0 1⎦ Hình 3.11 Quay quanh trục oz - Quay quanh trục ox: 49
Chương 3: Các phép biến đổi đồ họa ' ⎧ x = x ⎡1 0 0 0⎤ ⎪ ' ⎨y = ycosα − zsinα ⎢ ⎥ ⎢0 cosφ sinφ 0⎥ ⎪ ' [Tx] = ⎩z = ysinα + z cosα ⎢0 − sinφ cosφ 0⎥ ⎢ ⎥ ⎣0 0 0 1⎦ Hình 3.12 quay quanh trục ox - Quay quanh trục oy: ⎧ x' = xcosα + zsinα ⎡cosθ 0 − sinθ 0⎤ ⎪ y ' = y ⎢ ⎥ ⎨ ⎢ 0 1 0 0⎥ ⎪ ' [Ty] = ⎩z = −xsinα + z cosα ⎢sinθ 0 cosθ 0⎥ ⎢ ⎥ ⎣ 0 0 0 1⎦ Hình 3.13 quay quanh trục oy Ghi chú: phép quay trong không gian 3D sử dụng phương pháp nhân ma trận biến đổi không có khả năng hoán vị các ma trận. 3.6.2. Quay quanh một trục bất kỳ song song với các trục tọa độ - Đầu tiên chuyển dịch đối tượng cho đến khi toạ độ địa phương của đối tượng trùng với trục toạ độ mà trục địa phương song song. - Quay đối tương xung quanh trục của nó (chính là trục toạ độ) - Đưa đối tượng về toạ độ trước khi dịch chuyển ta có ma trận tổng hợp là: [Tα//] = [Ttt-].[Tα].[Ttt+] Ví dụ: quay đối tượng xung quanh một trục // với trục z với khoảng dịch chuyển là x,y và gốc quay là α. Giải: 50
Chương 3: Các phép biến đổi đồ họa [][][][]Tα // z = Ttt− . Tα . Ttt+ ⎡ 1 0 0 0⎤ ⎡ cosα sinα 0 0⎤ ⎡1 0 0 0⎤ ⎢ 0 1 0 0⎥ ⎢− sinα cosα 0 0⎥ ⎢0 1 0 0⎥ = ⎢ ⎥.⎢ ⎥.⎢ ⎥ ⎢ 0 0 1 0⎥ ⎢ 0 0 1 0⎥ ⎢0 0 1 0⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣− x − y 0 1⎦ ⎣ 0 0 0 1⎦ ⎣x y 0 1⎦ ⎡ cosα sinα 0 0⎤ ⎡1 0 0 0⎤ ⎢ − sinα cosα 0 0⎥ ⎢0 1 0 0⎥ = ⎢ ⎥.⎢ ⎥ ⎢ 0 0 0 0⎥ ⎢0 0 1 0⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣(−xcosα + ysinα) (−xsinα − ycosα) 0 1⎦ ⎣x y 0 1⎦ ⎡ cosα sinα 0 0⎤ ⎢ − sinα cosα 0 0⎥ = ⎢ ⎥ ⎢ 0 0 1 0⎥ ⎢ ⎥ ⎣x(1− cosα) + ysinα y(1− cosα) − xsinα) 0 1⎦ 3.6.3. Quay đối tương quanh một trục bất kỳ Xét bài toán sau, hãy tìm ma trận biến đổi để đưa một trục bất kỳ có hướng: V=ax + by + cz về trùng với trục oz theo chiều dương. Ta thực hiện các bước như sau: Quay V quanh trục y một góc (-α) sao cho nằm trên mặt phẳng (y, z) được V1 Quay V1 quanh trục x một góc β sao cho trùng với trục z được V2 Hình 3.14 Quay đối tượng quanh một trục bất kỳ đi qua tâm Bước 1: 51
Chương 3: Các phép biến đổi đồ họa y b α V a α x c V’ z a Hình 3.15 Quay V=ax+by+cz quanh trục oy Ta tính α? Chiếu V trên mặt phẳng (x,z) được V’. Ta có: a sinα = a 2 + c 2 c cosα = a 2 + c 2 ⎡ c a ⎤ ⎡ cosα 0 − sin(−α) 0⎤ ⎢ 0 0⎥ a 2 + c 2 a 2 + c 2 ⎢ 0 1 0 0⎥ ⎢ ⎥ T = ⎢ ⎥ = ⎢ 0 1 0 0⎥ []−αy a c ⎢sin(−α) 0 cosα 0⎥ ⎢− 0 0⎥ ⎢ ⎥ ⎢ a 2 + c 2 a 2 + c 2 ⎥ ⎣ 0 0 0 1⎦ ⎢ ⎥ ⎣ 0 0 0 1⎦ Vectơ: 2 2 V1 (0,b, a + c y Bước 2: b V1 V a β x c V2 a z Hình 3.16 Quay vector V1 quanh trục ox b sin β = a 2 + b2 + c2 a 2 + c2 cos β = a 2 + b2 + c2 52
Chương 3: Các phép biến đổi đồ họa ⎡1 0 0 0⎤ ⎡1 0 0 0⎤ ⎢ a 2 + c 2 b ⎥ ⎢ ⎥ ⎢0 0⎥ 0 cos β sin β 0 a 2 + b2 + c 2 a 2 + b2 + c 2 []T = ⎢ ⎥ = ⎢ ⎥ βx ⎢0 − sin β cosβ 0⎥ ⎢ b a 2 + c 2 ⎥ ⎢ ⎥ ⎢0 − 0⎥ ⎣0 0 0 1⎦ ⎢ a 2 + b2 + c 2 a 2 + b2 + c2 ⎥ ⎣⎢0 0 0 1⎦⎥ Vậy [Tv] = [T-αy]. [Tβx] Nếu đưa ngược lại ta được: −1 −1 []Tv = ([T−αy ].[]Tβx ) = [T−βx ].[Tαy ] Cho trục quay L (vectơ V = ax + by + cz) và một điểm P nằm trên trục L. Hãy tìm ma trận biến đổi quay đối tượng xung quanh trục L một góc θ. Giải: Ta thực hiện như sau: 1. Tịnh tiến P về gốc tọa độ. 2. Chuyển trục L về trùng với trục OZ 3. Quay đối tượng xung quanh trục OZ một góc θ. 4. Thực hiện ngược lại 2,1 Vậy: −1 []Tθ ,L = [][]Ttt− . Tv .[]Tθ ,Z .[Tv ].[Ttt+ ] Tóm tắt: Các phép biến đổi hình học cho phép dễ dàng thao tác trên các đối tượng đã được tạo ra. Chúng làm thay đổi mô tả về toạ độ của các đối tượng, từ đó đối tượng sẽ được thay đổi về hướng, kích thước và hình dạng. Các phép biến đổi hình học cơ sở bao gồm tịnh tiến, quay và biến đổi tỷ lệ. Ngoài ra một số phép biến đổi khác cũng thường được áp dụng đó là phép đối xứng và biến dạng. Các phép biến đổi hình học 2D đều được biểu diễn dưới dạng ma trận đồng nhất 3x3 để tiện cho việc thực hiện các thao tác kết hợp giữa chúng. Trong hệ toạ độ đồng nhất, toạ độ của một điểm được mô tả bởi một vector dòng bao gồm ba giá trị, hai giá trị đầu tương ứng với toạ độ Descartes của điểm đó, và giá trị thứ ba là 1. Với cách biểu diễn này, ma trận của phép biến đổi có được từ sự kết hợp của các phép biến đổi cơ sở sẽ bằng tích của các ma trận của các phép biến đổi thành phần. Phép biến đổi hình học 3D là sự mở rộng của phép biến đổi 2D. Tương tự nó cũng có các phép: tịnh tiến, tỷ lệ, biến dạng và quay. Phức tạp nhất là phép quay, nên chúng ta khảo sát lần lượt từ đơn giản đến phức tạp: quay đối tượng quanh các trục toạ độ, quanh 1 trục song song với trục toạ độ, quanh 1 trục bất kỳ Do khảo sát các phép biến đổi affine với biểu diễn dạng ma trận đồng nhất (4x4 với 3D) nên công việc khá đơn giản và nhất quán. 53
Chương 3: Các phép biến đổi đồ họa Lưu ý phép tịnh tiến và quay có chung thuộc tính là: sau khi biến đổi hình dạng và kích thước của đối tượng không thay đổi mà chúng chỉ bị thay đổi vị trí và định hướng trong không gian. Bài tập: 1. a. Hãy tìm ma trận biểu thị phép quay một đối tượng một góc 600 quanh gốc toạ độ. b. Tìm toạ độ mới của P(-3,3) sau khi thực hiện phép quay trên? 2. a. Hãy viết dạng tổng quát của ma trận điều chỉnh tỷ lệ tương ứng với một điểm cố định Q(a,b)? b. Phóng lớn tứ giác có các đỉnh A(0,0), B(1,3), C(4,2) và D(3,1) lên hai lần kích thước ban đầu của nó trong khi vẫn giữ điểm D(3,1)? 3. a. Mô tả phép biến đổi nhằm quay 1 đối tượng một góc α xung quanh một tâm cố định Q(a,b)? b. Thực hiện phép quay tam giác ABC có A(0,0), B(1,1) và C(4,2) một góc 450 xung quanh điểm (-1, -1)? 4. Cho ΔABC có các toạ độ đỉnh là A(2,2), B(3,1) và C(4,3). Xác định ma trận biến đổi affine biến đổi tam giác này thành A’B’C’ biết ảnh A’(4,3), B’(4,5) và C’(7,3). 5. a. hãy tìm một ma trận dành cho phép phản chiếu đối xứng gương xung quanh một đường thẳng G với độ dốc m và tung độ gốc (0,g)? y P’ G g P α 0 x b. Tạo phản xạ đối xứng gương đa giác mà đỉnh của nó: A(-1,0), B(0,-2), C(1,0) và D(0,2) xung quanh đường G trong các trường hợp sau: i. x=2 ii. y=3 iii. y=2x+3 6. Cho hình chóp ABCD có các toạ độ A(0,0,0), B(1,0,0), C(0,1,0) và D(0,0,1). Quanh hình chóp quanh đường L (v=x+y+z) đi qua điểm C một góc 450. Tìm toạ độ hình chóp mới. 7. a. Hãy tìm phép biến đổi dành cho phép đối xứng gương tương ứng với một mặt phẳng đã cho (có vector pháp tuyến M, trên đó có một điểm P). 54
Chương 3: Các phép biến đổi đồ họa y Q Q’ M x z b. Áp dụng tìm ma trận cho phép đối xứng gương với mặt phẳng đi qua gốc toạ độ và vector pháp tuyến có hướng M=x+y+z. 8. Viết chương trình với đối tượng (đường thẳng, tam giác, tứ giác ) trong mặt phẳng 2D a. Dịch chuyển (dùng các phím dịch chuyển) b. Phóng lớn, thu nhỏ (dùng phím dịch chuyển hay gõ vào từ bàn phím) c. Quay với góc quay được gõ vào từ bàn phím (góc gõ vào được tính bằng độ) 9. Viết chương trình với đối tượng (hình kim cương, hình lập phương ) trong 3D a. Dịch chuyển b. Phóng lớn, thu nhỏ c. Quay một góc Bài tập trắc nghiệm: 1. Cho ΔABC có các toạ độ A(1,1), B(1,2) và C(3,4) thu nhỏ tam giác chỉ còn ¼ mà vẫn giữ cố định điểm A. Toạ độ mới của tam giác là: a. A’(1,1), B’(1/4, 1/2) và C’(3/4,1) b. A’(1,1), B’(0.5, 1) và C’(1.25,1.5) c. A’(0.25,0.25), B’(1, 1.5) và C’(0.75,2) d. A’(1,1), B’(1, 1.25) và C’(0.5,1.75) 2. Cho đoạn thẳng AB có toạ độ A(2,3) và B(6,1) quay AB một góc 600 vẫn giữ cố định B. Toạ độ mới của AB là: a. A' ((1− 3),(− 3 + 2)) và B’(6,1) b. A' ((4 − 3),(− 2 3 + 2)) và B’(6,1) ' ⎛⎛ 1 ⎞ ⎞ c. A ⎜⎜ − 2 3⎟,()− 3 + −1 ⎟ và B’(1,6) ⎝⎝ 4 ⎠ ⎠ d. A' ((−1+ 3),(4 3 +1)) và B’(6,1) 3. Cho hình chữ nhật ABCD có các toạ độ là A(-1,-1), chiều rộng HCN là 4 và chiều dài là 3. Người ta phóng lớn HCN để nó cao lên gấp 2 lần và rộng gấp 1.5 lần mà vẫn giữ cố định A. Toạ độ mới của HCN đó: a. A’(-1,-1), B’(5,-1), C’(5,-7) và D’(-1,-7) b. A’(-1,-1), B’(-1,5), C’(5,-1) và D’(-7,-1) c. A’(2,2), B’(3,4), C’(5,-7) và D’(-7,5) d. A’(-1,-1), B’(0,-1), C’(-1,-7) và D’(-1,5) 55
Chương 3: Các phép biến đổi đồ họa 4. Cho đường tròn có tâm tại (1,4), một điểm trên đường tròn A(1,0). Quay đường tròn một góc 900 quanh điểm A, tâm mới của đường tròn là: a. (0.5, 2) b. (-3,1) c. (2,5) d. (-2,3) 5. Cho đoạn thẳng AB trong không gian có toạ độ A(2,1,1) và B(1,3,4), quay đoạn thẳng quanh trục oz một góc 300 vẫn cố định A. Toạ độ mới của AB là: a. A’(2,1,1), B ' ((1− 3),( 3 + 2),3) ' ⎛ ⎛ 1 ⎞ ⎞ b. A ⎜()2 − 3 ,⎜ 3 + ⎟,4⎟ , B’(1,3,4) ⎝ ⎝ 2 ⎠ ⎠ c. A’(1,3,5), B ' ((1− 3),( 3 + 2),3) ⎛⎛ 3 ⎞ ⎞ d. A’(2,1,1), B ' ⎜⎜2 −1 ⎟, 3,4⎟ ⎜⎜ ⎟ ⎟ ⎝⎝ 2 ⎠ ⎠ 6. Cho ΔABC trong không gian có toạ độ A(1,1,1), B(4,6,0) và C(2,-1,3) kéo dãn cho tam giác rộng ra (theo hướng trục ox) lên 2 lần vẫn giữ cố định B. Toạ độ mới của ΔABC là: a. A’(2,1,1), B’(4,6,0) và C’(2,-1,3) b. A’(-2,1,1), B’(4,6,0) và C’(0,-1,3) c. A’(2,1,1), B’(2,3,1) và C’(2,-1,1) d. A’(2,2,2), B’(4,6,0) và C’(1,-0.5,1.5) 7. Cho hình kim cương ABCD có các toạ độ là A(4,6,1), B(1,2,3), C(2,2,5) và D(7,2,4). Đối xứng gương hình kim cương qua trục ox, toạ độ mới của hình kim cương là: a. A’(4,6,-1), B’(1,2,-3), C’(2,2,-5) và D’(7,2,-4) b. A’(-4,6,-1), B’(-1,2,-3), C’(-2,2,-5) và D’(-7,2,-4) c. A’(4,-6,-1), B’(1,-2,-3), C’(2,-2,-5) và D’(7,-2,-4) d. A’(-4,-6,-1), B’(-1,-2,-3), C’(-2,-2,-5) và D’(-7,-2,-4) 8. Cho hình kim cương ABCD có các toạ độ là A(5,6,1), B(0,0,0), C(3,2,5) và D(8,2,4). Quay hình kim cương quanh trục oy và vẫn giữ cố định B. Toạ độ mới của hình kim cương là: a. A’(-1,5,-1), B’(0,0,0), C’(2,3,-3) và D’(2,4,8) b. A’(1,6,-5), B’(1,2,2), C’(5,2,-3) và D’(2,-4,8) c. A’(-1,5,-1), B’(0,0,0), C’(2,3,5) và D’(2,4,8) d. A’(1,6,-5), B’(0,0,0), C’(2,5,-3) và D’(2,4,-8) 9. Trong đoạn mã sau các số từ , , , lần lượt là các phím mũi tên dịch chuyển: c = getch(); switch (c) { case 75: x -= 10; // break; case 77: x += 10;// break; case 72: y -= 10; // 56
Chương 3: Các phép biến đổi đồ họa break; case 80: y += 10;// break; } a. Trái, phải, trên và dưới b. Trái, phải, dưới và trên c. Trên, dưới, trái và phải d. Trên, dưới, phải và trái 10. Chương trình sau đưa ra cái gì? #include #include #include #include #define RADS 0.017453293 void Function1() { line (10,getmaxy()/2,getmaxx()-10,getmaxy()/2); line (getmaxx()/2,10,getmaxx()/2,getmaxy()-10); } void Function2(int x1,int y1,int x2,int y2,int x3,int y3){ line (getmaxx()/2+x1,getmaxy()/2-y1,getmaxx()/2+x2,getmaxy()/2-y2); line (getmaxx()/2+x2,getmaxy()/2-y2,getmaxx()/2+x3,getmaxy()/2-y3); line (getmaxx()/2+x3,getmaxy()/2-y3,getmaxx()/2+x1,getmaxy()/2-y1); } void Function3(int x1,int y1, int x2, int y2, int x3, int y3,int xq, int yq,float goc ){ float x11,y11,x22,y22,x33,y33; float anpha = RADS *goc; x11 = int(x1*cos(anpha) - y1*sin(anpha) + (1 - cos(anpha))*xq + sin(anpha)*yq); y11 = int(x1*sin(anpha) + y1*cos(anpha) - sin(anpha)*xq + (1 - cos(anpha))*yq); x22 = int( x2*cos(anpha) - y2*sin(anpha) + (1 - cos(anpha))*xq + sin(anpha)*yq); y22 =int( x2*sin(anpha) + y2*cos(anpha) - sin(anpha)*xq + (1 - cos(anpha))*yq); x33 =int( x3*cos(anpha) - y3*sin(anpha) + (1 - cos(anpha))*xq + sin(anpha)*yq); y33 =int( x3*sin(anpha) + y3*cos(anpha) - sin(anpha)*xq + (1 - cos(anpha))*yq); Function2(x11,y11,x22,y22,x33,y33); } void main() { clrscr(); int driver = DETECT, mode; initgraph(&driver,&mode,"c:\\tc\\bgi"); int x1 =50,y1 = 20,x2 = 50,y2 = 100,x3 = 200,y3 = 20; int xq=100,yq=100; float goc=30 ; Function1(); Function2(x1,y1,x2,y2,x3,y3); 57
Chương 3: Các phép biến đổi đồ họa Function3(x1,y1,x2,y2,x3,y3,xq,yq,goc); getch(); closegraph(); } A b c D 58
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở CHƯƠNG 4: CÁC GIẢI THUẬT ĐỒ HOẠ CƠ SỞ 1. HỆ TỌA ĐỘ VÀ MÔ HÌNH CHUYỂN ĐỔI 1.1. Các hệ thống toạ độ trong đồ hoạ Một hình ảnh được tạo ra bằng máy tính thường trình bày một khung xem (viewing) từng phần của quang cảnh lớn. Giống hệt như ta nhìn cảnh vật qua cửa sổ hay một kính ngắm camera. Để tạo ra hình ảnh đối tượng trên các thiết bị hiển thị bắt buộc người sử dụng phải có bước biến đổi trung gian. 1.1.1. Hệ toạ độ thực (WCS – World Coordinate System) Hệ toạ độ của đối tượng được các chương trình ứng dụng sử dụng để mô tả toạ độ các đối tượng trong thế giới thực. Đơn vị trong hệ thống toạ độ phụ thuộc vào không gian và kích thước của đối tượng được mô tả: A0, nm, mm, m, km Hình 4.1 Hệ toạ độ thực 1.1.2. Hệ toạ độ thiết bị (DCS – Device Coordinate System) Là hệ thống toạ độ của thiết bị nơi hiển thị hình ảnh và không gian của đối tượng mà ứng dụng mô tả. Không gian của hệ thống của toạ độ này chính là kích thước của thiết bị hiển thị được sử dụng. Ví dụ: màn hình VGA 640x480, SVGA 600x800 1.1.3. Hệ toạ độ thiết bị chuẩn (NDCS – Normalized Device Coordinate System) Chuyển đổi đối tượng từ không gian thực vào toạ độ thiết bị hiển thị. Phần mềm đồ hoạ được viết sẽ thực hiện sự chuyển đổi mà chưa thể xác định rõ kích thước của thiết bị cũng như độ phân giải. Ta có công cụ độc lập với thiết bị nhằm mô tả vùng hiển thị ra hệ toạ độ thiết bị chuẩn hoá. Coi NDCS như hệ toạ độ thiết bị có kích thước màn hình hiển thị là một hình vuông có cạnh là một đơn vị (1x1). 59
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở Hình 4.2 WCS – World Coordinate System Hình 4.3 NDCS – Normalized Device Coordinate System Hình 4.4 DCS – Device Coordinate System - Qui trình để chuyển đổi các đối tượng trong WCS sang NDCS được gọi là phép ánh xạ cửa sổ sang cổng xem hay phép biến đổi chuẩn hoá (Window to Viewport mapping or Normalization Transformation) - Qui trình có thể áp các toạ độ thiết bị hiển thị chuẩn hoá sang các thiết bị rời rạc được gọi là phép biến đổi trạm làm việc (Workstation Transformation) 60
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở 1.2. Phép ánh xạ từ cửa sổ vào cổng xem Hình 4.5 Đối tượng trong cửa sổ Hình 4.6 Đối tượng tại cổng xem - Một cửa sổ (window) được chỉ định bởi bốn toạ độ thực (WCS): Xwmin, Xwmax, Ywmin, Ywmax - Một cổng xem (viewport) được mô tả bởi bốn toạ độ thiết bị chuẩn hoá (NDCS): Xvmin, Xvmax, Yvmin, Yvmax Mục đích của phép ánh xạ này là chuyển đổi các toạ độ thực (Xw,Yw) của một điểm tuỳ ý sang thiết bị chuẩn hoá tương ứng (Xv,Yv). Để giữ lại khoảng cách của điểm trong cổng xem bằng với khoảng cách của điểm trong cửa sổ, với yêu cầu: xv − xv max xw − xwmin = xv max − xv min xwmax − xwmin yv − yv max yw − yw min = yv max − yv min yw max − yw min Ta có: 61
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở (xv max − xv min ) xv = (xw − xwmin ) + xv max (xwmax − xwmin ) (yv max − yvmin ) yv = (yw − ywmin ) + yvmax (ywmax − ywmin ) Ta có tám giá trị ở trên để xác định cửa sổ và cổng xem đều là hằng số. Vậy chúng ta hoàn toàn tính được (Xv,Yv) từ (Xw, Yw) qua phép biến đổi: [XvYv1] = [XwYw 1]. [T] [T] = [Ttt-]. [Ts] . [Ttt] - Ma trận tịnh tiến theo window: ⎡ 1 0 0⎤ T = ⎢ 0 1 0⎥ []tt− ⎢ ⎥ ⎣⎢− xw − yw 1⎦⎥ - Ma trận chuyển đổi tỷ lệ window vào viewport là: ⎡ x − x ⎤ v max v min 0 0 ⎢ x − x ⎥ ⎢ wmax wmin ⎥ ⎢ yv max − yv min ⎥ []T s = 0 0 ⎢ ywmax − ywmin ⎥ ⎢ 0 0 1⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ - Ma trận tịnh tiến theo toạ độ viewport: ⎡ 1 0 0⎤ T = ⎢ 0 1 0⎥ []tt ⎢ ⎥ ⎣⎢xv yv 1⎦⎥ Vậy ma trận biến đổi từ cửa sổ vào cổng xem: ⎡ xv max − xv min ⎤ ⎢ 0 0⎥ x − x ⎢ wmax wmin ⎥ y − y T = ⎢ 0 v max v min 0⎥ [] ⎢ ⎥ ywmax − ywmin ⎢ x − x y − y ⎥ ⎢ v max v min v max v min ⎥ xv min − xwmin . yv min − ywmin . 1 ⎣⎢ xwmax − xwmin ywmax − ywmin ⎦⎥ 2. CÁC GIẢI THUẬT XÉN TIẢ (CLIPPING) 2.1. Khái niệm Xén tỉa là tiến trình xác định các điểm của một đối tượng nằm trong hay ngoài cửa sổ hiển thị. Nằm trong được hiển thị, nằm ngoài loại bỏ. Việc loại từng điểm ảnh của đối tượng thường chậm nhất là khi đối tượng mà phần lớn nằm ngoài cửa sổ hiển thị. 62
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở 2.2. Clipping điểm Giả sử (x,y) là toạ độ của một điểm, vậy điểm đó được hiển thị khi thoả mãn: Xmin xmaxy1,y2 > ymax x1,x2 < xminy1,y2 < ymin - Xén tỉa: đoạn thẳng cần xén tỉa Việc cài đặt giải thuật chia làm hai bước: Gán mã vùng 4-bit cho mỗi điểm cuối của đoạn thẳng Hình 4.8 Mặt phẳng mã trong các trường hợp clipping đoạn thẳng Mã vùng được xác định theo 9 vùng của mặt phẳng mà các điểm cuối nằm vào đó. Một bít được cài đặt true (1) hoặc false (0). Bít 1: điểm cuối ở bên trên cửa sổ = sign(y-ymax) Bít 2: điểm cuối ở bên dưới cửa sổ = sign(ymin-y) Bít 3: điểm cuối ở bên phải cửa sổ = sign(x-xmax) Bít 4: điểm cuối ở bên trái cửa sổ = sign(xmin-x) 63
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở Qui ước sign(a) = 1 nếu a dương = 0 nếu a âm Quá trình kiểm tra vị trí của đoạn thẳng so với cửa sổ. Tất cả điểm đầu và điểm cuối của đoạn thẳng đã có mã. Nếu mã của P1 hoặc P2 đều = 0000 thì toàn bộ đoạn thẳng thuộc phần hiển thị. If (P1.Mã OR P2.Mã == 0000) then“ cả đoạn thẳng thuộc cửa sổ hiển thị” Nếu mã của P1 và P2 có cùng một vị trí mà ở đó P1 và P2 => cùng phía If (P1.Mã AND P2.Mã != 0000) then “ 2 điểm nằm về 1 phía của cửa sổ” Xét giao điểm: D(1010) B(1000) ymax A(0001) ymin C(0100) xmin xmax Hình 4.9 Mô tả thuật toán Cohen Sutherland outcode - Tìm giao điểm của đường thẳng với cửa sổ, chính xác hơn là với phần mở rộng của đường biên. - Chú ý: các đường biên mà điểm cuối được chọn sẽ “đẩy ngang qua” nhằm thay đổi mã “1” thành “0” - Nếu: Bít 1 là 1: cắt y=ymax Bít 2 là 1: cắt y= ymin Bít 3 là 1: cắt x=xmax Bít 4 là 1: cắt x=xmin Nhìn trên hình ta có: gọi điểm cuối của đoạn (x1,y1) Nếu C được chọn thì đường y=ymin chọn để tính phần cắt nhau (bít 2 = 1) Nếu D được chọn thì y=ymax hoặc x=xmax (bít 1 và bít 3 =1) Toạ độ cắt: ⎧ xi = xmin / xmax x = xmin ⎨ ⎩yi = y1 + m(xi − x1 ) x = xmax Hoặc: 64
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở ⎧xi = x1 + (yi − y1 )/ m y = ymin ⎨ ⎩ yi = ymin / ymax y = ymax Có m là độ dốc của đoạn thẳng m=(y2-y1)/(x2-x1) Bây giờ thay điểm cuối (x1,y1) với điểm cắt (xi,yi) Ví dụ: Cho cửa sổ cắt tỉa hình chữ nhật có góc trái dưới L(-3,1), góc phải trên R(2,6) Hãy tìm mã vùng dành cho các điểm cuối của các đoạn AB có A(-2,3), B(1,2) ; CD có C(- 4,7), D(-2,10) ; IK có I(-4,2), K(-1,7) Tìm hạng mục cắt tỉa của chúng Giải: - Mã vùng Bít 1 = sign(y-ymax) = sign(y-6) Bít 2 = sign(ymin-y) = sign(1-y) Bít 3 = sign(x-xmax) = sign(x-2) Bít 4 = sign(xmin-x)= sign(-3-x) Qui ước sign(a) = 1 nếu a dương = 0 nếu a âm Vậy: A(-2,3) có (0000) B(1,2) có (0000) C(-4,7)có (1001) D(-2,10) có (1000) I(-4,2) có (0001) K(-1,7) có (1000) - Hạng mục cắt tỉa AB có mã vùng đều là (0000) nên nó nằm hoàn toàn trong CD có (1001) and (1000) = (1000) (!= (0000)) nên hoàn toàn nằm ngoài IK có (0001) or (1000) =(1001) và (0001) and (1000) =(0000) nên phải xén tỉa. Xét I(0001) dựa trên đường biên xmin =-3 ⎧ xc = xmin ⎨ ⎩yc = y1 + m(xc − x1 ) xmin = -3 m=(y2-y1)/x2-x1)= (7-2)/ (-1-(-4)) = 5/3 yc=2 + 5/3 (-3-(-4)) = 11/3 Thay I bởi I1 (-3,11/3) (có mã vùng 0000) Xét K(1000) cắt ymax =6 ⎧xc = x1 + (yc − y1 )/ m ⎨ ⎩ yc = ymax yc=6 xc=-1 +(6-7)/(5/3)=-8/5 Thay K bởi K1(-8/5,6) có mã vùng 0000) 65
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở Vậy sau khi xén tỉa đoạn IK thu được I1K1 2.3.2. Giải thuật Lyangbarsky Biểu diễn đoạn thẳng theo tham biến: đoạn thẳng bất kỳ đi qua hai điểm P1(x1,y1) và P2(x2,y2) chúng ta có phương trình tham biến: U1=0 P1(x1,y1) P(u) P2(x2,y2) U2=1 O Hình 4.10 Phương trình tham số cho đoạn thẳng x=x(u) có 0<=u<=1 y=y(u) Vì vectơ chỉ có một chiều nên vectơ vị trí: P(u)=P1 + (P2-P1).u x = x1 + (x2 - x1)u = x1 + Δx.u y = y1 + (y2 - y1)u = y1 + Δy.u U1=1 top P2 Ur ymax P1 Ut left Ul right U0=0 ymin Ub bottom xmin xmax Hình 4.11 Mô tả giải thuật LyaBarsky + Khi ta chuyển động dọc theo đường mở rộng với u thẳng từ -∞ tới +∞ thì ta phải: - Chuyển từ bên ngoài vào bên trong hai đường biên của cửa sổ cắt tỉa (ở dưới và bên trái) - Sau đó chúng ta di chuyển từ trong ra bên ngoài của hai đường biên khác (từ trên và từ bên phải) 66
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở + Với điểm (x,y) nằm bên trong cửa sổ cắt tỉa: xmin = 0 thì đoạn thẳng nằm trong hoặc nằm trên cạnh của cửa sổ clipping. Yêu cầu khảo sát tiếp. +Nếu Pk # 0: đoạn thẳng đang xét sẽ cắt cạnh k tương ứng của cửa sổ clipping tại vị trí trên đoạn thẳng uk = qk/Pk a) Pk 0 thì đoạn thẳng mở rộng tiến hành từ trong ra ngoài của đường biên tương ứng. Kết hợp lại ta có các bước sau: (Với u1 Exit qk>=0 thực hiện bước tiếp theo Tính: 67
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở ⎛ ⎧ q ⎫⎞ U = max⎜ 0 ∪ u :u = k , P 0 ⎟ 2 ⎜{} ⎨ k k k ⎬⎟ ⎝ ⎩ Pk ⎭⎠ u1 là các giá trị cực đại của tập hợp đang chứa 0 và các giá trị uk được tính u2 là các giá trị cực tiểu của tập hợp đang chứa 1 và các giá trị uk được tính Ví dụ: cho cửa sổ cắt tỉa hình chữ nhật có góc trái dưới L(1,2) và góc phải trên R(9,8). Có các đoạn AB toạ độ A(11,10) và B(11,6), đoạn CD toạ độ C(3,2) và D(8,4), đoạn IJ toạ độ I(-1,7) và J(11,1). Tìm các hạng mục cắt tỉa. Giải: Xét AB P1 = 0q1=10 P2 = 0q2=-2 P3 = -4q3=4 P4 = 4q4=2 Có P2 =0 mà q2 =-2 0) Vậy CD nằm hoàn toàn trong cửa sổ Xét IJ P1 = -12q1=-2 u1=1/6 P2 = 12 q2=10 u2=5/6 P3 = 6q3=5 u3=5/6 P4 = -6 q4=1 u4=-1/6 Vậy u1=max(0,1/6,-1/6)=1/6 (với Pk 0) Vì u1<u2 nên hai điểm cuối của đường cắt tỉa là: Xc1=x1 + Δx.u1 = -1 +(11-(-1)).1/6 =1 Yc1=y1 + Δy.u1= 7 +(1-7).1/6 =6 Xc2=x1 + Δx.u2 = -1 +(11-(-1)).5/6 =9 Yc2=y1 + Δy.u2= 7 +(1-7).5/6 =2 68
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở Vậy đường sau khi cắt tỉa là: I1I2 có I1(1,6) và I2(9,2) 2.4. Giải thuật xén tỉa đa giác (Sutherland Hodgman) 2.4.1. Khái niệm triangular convex non-convex self-intersecting religious Hình 4.12 Các loại đa giác - Đa giác lồi: là đa giác có đường thẳng nối bất ký 2 điểm bên trong nào của đa giác đều nằm trọn trong đa giác. Đa giác không lồi là đa giác lõm. - Theo qui ước: một đa giác với các đỉnh P1, ,PN (các cạnh là Pi-1Pi và PNP1) được gọi là theo hướng dương nếu các hình theo thứ tự đã cho tạo thành một mạch ngược chiều kim đồng hồ. Nếu bàn tay trái của một người dọc theo bất kỳ cạnh Pi-1Pi hoặc PNP1 cũng chỉ về bên trong đa giác. L R Hình 4.13 Qui tắc tìm hướng dương của một đa giác hướng - Khảo sát một điểm so với một đường thẳng: ABxAP K P(x,y) A(x1,y1) B(x2,y2) Hình 4.14 Khảo sát một điểm so với đường thẳng Có điểm A(x1,y1), B(x2,y2) và P(x,y) Theo định nghĩa thì tích của hai vectơ (ABxAP) chỉ theo hướng của vectơ K⊥ với mặt phẳng (xoy). Có: AB=(x2-x1)i + (y2-y1)j 69
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở AP=(x-x1)i + (y-y1)j Vậy ABxAP=[ (x2-x1).(y-y1) – (y2-y1).(x-x1) ].K Do đó hướng được xác định như sau: C = (x2 − x1 )(y − y1 ) − (y2 − y1 )(x − x1 ) - Nếu C dương thì P nằm bên trái AB - Nếu C âm thì P nằm bên phải AB 2.4.2. Giải thuật Hodgman Cho P1, ,PN là danh sách các đỉnh của đa giác đã bị cắt tỉa. Cho cạnh AB (điểm A,B) là cạnh bất kỳ. Đa giác cắt tỉa lồi hướng dương. output A A A A Pi-1 Pi output P i I Pi-1 Pi Pi-1 B B B B Pi-1 I Pi output output Hình 4.15 Các trường hợp trong giải thuật Hodgman Nếu cả Pi-1 và Pi đều nằm bên trái của cạnh này thì Pi được lưu lại (đưa vào output) của đa giác cắt tỉa. Nếu cả Pi-1 và Pi đều nằm bên phải của cạnh thì không có đỉnh nào được lưu lại. Nếu Pi-1 nằm bên trái và Pi nằm bên phải của cạnh thì giao điểm I của Pi-1Pi với cạnh sẽ được lưu lại. Nếu Pi-1 nằm bên phải và Pi nằm bên trái thì cả giao điểm I và Pi đều được lưu lại. 2.4.3. Minh hoạ thuật toán Sutherland – Hodgman F=P1 (F là đỉnh được đưa vào đầu tiên, S là đỉnh đưa vào trước P - đỉnh được đưa). Sơ đồ bên phải khép kín đa giác bởi PNP1 70
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở Begin P(Vertex Input) Vertex Output, F,AB,N Tiếp N I=1 S=Pi SF cắt AB Y Y N i=1 i++ F=P 1 Tìm giao I N SPi cắt AB Vertex output I Y Giao cắt I End Vertex output I S=Pi Y N Y S bên trái Vertex output i<N AB S N End Hình 4.16 Sơ đồ khối thuật toán Hodgman 2.4.4. Ví dụ minh hoạ: 71
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở Ví dụ 1: cắt tỉa đa giác A1, .A5 dựa trên cửa sổ ABCD A5 D B5 A D A A4 A1 B4 B1 B C A2 B2B C B3 A3 C5 A D C4 D5 D A D4 C1 D1 C2 B C3 C D2 B D3 C E5 D A E4 E1 E2 B E3 C Hình 4.17 Ví dụ dùng giải thuật Hodgman xén tỉa đa giác A1 A5 Ví dụ 2: hãy sử dụng thuật toán Hodgman để cắt xén đoạn thẳng nối P1(-1,2) đến P2(6,4) trên cửa sổ A(1,1), B(5,1), C(5,3) và D(1,3) I1 P2(6,4) I2 D(1,3) C(5,3) I3 P1(-1,2) B(5,1) A(1,1) Hình 4.18 Ví dụ dùng thuật toán Hodgman xén tỉa đoạn P1P2 72
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở Theo thuật toán Hodgman ta xén P1P2 dựa trên từng cạnh. AB: ta xét C=(x2-x1)(y-y1) – (y2-y1)(x-x1) Điểm P1: C=(5-1)(2-1)-(1-1)(-1-1) = 4 >0 nằm bên trái Điểm P2: C= (5-1)(4-1)-(1-1)(-1-1) = 12 >0 nằm bên trái Vậy P1P2 đều được lưu BC Điểm P1:C = (5-5)(2-1)-(3-1)(-1-5)= 12 >0 nằm bên trái Điểm P2:C = - (3-1)(6-5) = -2 0 nằm bên trái Điểm I1:C=(1-5)(26/7 -3) = -20/7 <0 nằm bên phải Giao điểm I2: ⎧ yc = 3 ⎪ ⎪xc = x1 + (yc − y1 ) / m ⎨ 7 5 ⎪ = −1+ (3 − 2). = ⎩⎪ 2 2 VậyI2(5/2,3)có P1I2được lưu DA Điểm P1: C = -(1-3)(-1-1) = -4nằm bên phải Điểm I2: C = -(1-3)(5/2-1) = 7/2nằm bên trái Giao điểm I3: ⎧ xc = 1 ⎪ ⎪yc = y1 + (xc − x1 )m ⎨ 2 4 ⎪ = 2 + (1− (−1)). = 2 ⎩⎪ 7 7 I3(1, 18/7) Tóm lại: Cắt xén đoạn P1P2 được đoạn I2I3có I2(5/2,3) và I3(1,18/7) Tóm tắt chương: Hiển thị đối tượng là quá trình đưa các mô tả đối tượng từ thế giới thực sang một thiết bị xuất cụ thể nào đó. Mỗi đối tượng có thể được quan sát ở nhiều vị trí và góc độ khác nhau. Thông 73
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở thường mỗi hình ảnh mà chúng ta quan sát được trên màn hình thiết bị được gọi là một góc nhìn (view) của đối tượng. Quá trình loại bỏ các phần hình ảnh nằm ngoài một vùng cho trước được gọi là xén tỉa. Vùng được dùng để xén tỉa gọi là cửa sổ xén tỉa. Các thuật toán xén tỉa đoạn thẳng Cohen-Sutherland, LyaBarsky đều tập trung giải quyết hai vấn đề chính nhằm tối ưu tốc độ thuật toán đó là: loại bỏ việc tìm giao điểm đối với các đoạn thẳng chắc chắn không cắt cửa sổ (như nằm hoàn toàn trong, nằm hoàn toàn ngoài), và với đoạn thẳng có khả năng cắt cửa sổ, cần phải tìm cách hạn chế số lần tìm giao điểm với các biên không cần thiết. Thuật toán Cohen-Sutherland giải quyết hai ý này thông qua kiểu dữ liệu mã vùng mà về bản chất đó chỉ là sự mô tả vị trí tương đối của vùng đang xét so với các biên của cửa sổ. Còn thuật toán LyaBarsky thì tuy dựa vào phương trình tham số của đoạn thẳng để lập luận nhưng thực chất là dựa trên việc xét các giao điểm có thể có giữa đoạn thẳng kéo dài với các biên của cửa sổ (cũng được kéo dài). Các giao điểm này tương ứng với các giá trị rk = qk/pk. Cả hai thuật toán này đều có thể được mở rộng cho việc xén hình trong đồ hoạ 3D. Bài tập: 1. Tìm phép biến đổi chuẩn hoá tạo ánh xạ cho một cửa sổ mà góc bên trái phía dưới của nó (1,1) và góc bên phải trên (3,5) vào: a. Là màn hình thiết bị được chuẩn hoá toàn bộ. b. Một cổng xem có góc bên trái dưới (0,0) và góc bên trái trên (1/2,1/2) 2. Cho cửa sổ cắt tỉa hình chữ nhật có góc bên trái dưới (-3,-2) và góc phải trên (2,3), dùng giải thuật Cohen Sutherland xén tỉa đoạn thẳng AB có toạ độ là A(3,2) và B(-2,-4). 3. Cho cửa sổ cắt tỉa hình chữ nhật có góc bên trái dưới (-3,-2) và góc phải trên (2,3), dùng giải thuật LyaBarsky xén tỉa đoạn thẳng AB có toạ độ là A(3,2) và B(-2,-4). 4. Viết chương trình cài đặt thuật toán Cohen Sutherland. 5. Viết chương trình cài đặt thuật toán LyaBarsky 6. Viết chương trình cài đặt thuật toán Sutherland Hodgman Bài tập trắc nghiệm: 1. Hệ toạ độ thiết bị chuẩn (NDCS) có kích thước màn hình hiển thị là hình chữ nhật có chiều dài gấp đôi chiều rộng. Vậy nếu một hình chữ nhật đứng (có chiều dài gấp đôi chiều rộng khi hiển thị trên màn hình sẽ cho: a. Hình chữ nhật nằm ngang (chiều dài gấp đôi chiều rộng) b. Hình vuông c. Vẫn là hình chữ nhật đứng d. Hình chữ nhật có chiều dài gấp 1.5 chiều rộng 2. Phép biển đổi chuẩn hoá tạo ánh xạ cho một cửa sổ mà góp bên trái phía dưới (1,3) và góc bên phải trên (4,7) vào màn hình được chuẩn hoá toàn bộ là: 74
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở ⎡ 1 ⎤ 0 0 ⎢ 3 ⎥ ⎢ 1 ⎥ a. ⎢ 0 0⎥ ⎢ 4 ⎥ 1 1 ⎢− − 3 1⎥ ⎣⎢ 3 4 ⎦⎥ ⎡ 1 ⎤ − 1 2 ⎢ 3 ⎥ b. ⎢ 0 − 2 0⎥ ⎢ 1⎥ ⎢ 0 0 ⎥ ⎣⎢ 3⎦⎥ ⎡1 ⎤ 3 0 ⎢3 ⎥ ⎢ 1 ⎥ c. ⎢0 − 0⎥ ⎢ 3 ⎥ 1 1 ⎢ − 3 1⎥ ⎣⎢4 4 ⎦⎥ ⎡ 1⎤ − 2 0 ⎢ 3⎥ ⎢ 1 ⎥ d. ⎢ 0 1 0⎥ ⎢ 3 ⎥ ⎢ 1 ⎥ ⎢ 0 − 3 1⎥ ⎣ 4 ⎦ 3. Cho cửa sổ cắt tỉa góc trái dưới (-2,2) và góc phải trên (4,7). Mã vùng 4bít của điểm A(- 3,-1) là: a. 1000 b. 1010 c. 0101 d. 0001 4. Cho cửa sổ cắt tỉa có góc trái dưới (2,-3) và phải trên (5,6), mã vùng 4bít của điểm M(6,10) là: a. 1010 b. 1100 c. 0101 d. 0001 5. Cho cửa sổ cắt tỉa có góc trái dưới (2,2) và góc phải trên (5,10). Cho đoạn AB có A(1,5) và B(6,8), sau khi xén tỉa ta thu được toạ độ mới là: ⎛ 3 ⎞ ⎛ 2 ⎞ a. ⎜3 ,5⎟ ⎜3 ,3⎟ ⎝ 5 ⎠ ⎝ 5 ⎠ 75
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở ⎛ 1 ⎞ ⎛ 3 ⎞ b. ⎜3 ,2⎟ ⎜3,3 ⎟ ⎝ 5 ⎠ ⎝ 5 ⎠ ⎛ 1 ⎞ ⎛ 2 ⎞ c. ⎜5,3 ⎟ ⎜7 ,2⎟ ⎝ 5 ⎠ ⎝ 5 ⎠ ⎛ 3 ⎞ ⎛ 2 ⎞ d. ⎜2,5 ⎟ ⎜5,7 ⎟ ⎝ 5 ⎠ ⎝ 5 ⎠ 6. Cho cửa sổ cắt tỉa có góc trái dưới (1,2) và phải trên (9,8). Đoạn thẳng MN có M(-1,7) và N(11,1), sau khi xén tỉa ta thu được đoạn thẳng có toạ độ là: a. (2,6) và (7,1) b. (5,2) và (9,1) c. (1,6) và (9,2) d. (3,9) và (6,3) 7. Giải thuật LyaBarsky dựa vào phương trình đường thẳng: a. Tường minh y=f(x) b. Không tường minh f(x,y) = 0 c. Tham số x = x(t), y = y(t) có t ∈ [0,1] d. Do ông đưa ra 8. Trong các câu nói sau câu nào sai ? a. Đoạn thẳng được hiển thị khi cả hai đầu cuối đều trong cửa sổ hiển thị b. Đoạn thẳng nằm hoàn toàn ngoài khi nó phạm bất kỳ một trong bốn bất đẳng thức sau: x1,x2>xmaxx1,x2 ymaxy1,y2 =xmaxx1,x2 = ymaxy1,y2 <= ymin 9. Đoạn mã sau cài đặt giải thuật Cohen Sutherland, gán mã vùng 4bít cho mỗi điểm cuối của đoạn thẳng xén tỉa. Từ giải thuật đã được học bạn hãy cho biết thứ thự từ , , , sẽ có mã vùng lần lượt sẽ là: #define EDGE_10x1 #define EDGE_2 0x2 #define EDGE_3 0x4 #define EDGE_4 0x8 a. Trái, phải, trên và dưới b. Trái, phải, dưới và trên c. Trên, dưới, trái và phải d. Phải, trái, trên và dưới 76
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở 10. Hàm sau là một hàm trong giải thuật Cohen Sutherland. Bạn hãy cho biết lần lượt các dòng lệnh , , , sẽ cho các mã vùng 4bít là: (chiếu theo định nghĩa mã vùng 4bít trong sách kỹ thuật đồ hoạ) unsigned char encode(double x, double y, double xmin, double ymin, double xmax, double ymax) { unsigned char code = 0x00; if (x xmax) code = code | RIGHT_EDGE; // if (y ymax) code = code | BOTTOM_EDGE;// return code; } a. 0x8, 0x4, 0x2 và 0x1 b. 0x1, 0x2, 0x4 và 0x8 c. 0x1, 0x2, 0x8 và 0x4 d. 0x2, 0x8, 0x4 và 0x1 11. Bạn hãy cho biết hàm sau là một trong những hàm để cài đặt cho giải thuật xén tỉa nào? #define TRUE 1 #define FALSE 0 int cliptest(double p, double q, double *u0, double *u1) { double r; int retVal = TRUE; if (p *u1) retVal = FALSE; else if (r > *u0) *u0 = r; } else if ( p > 0.0) { r = q / p; if (r < *u0) retVal = FALSE; else if (r < *u1) *u1 = r; } else 77
Chương 4: Các giải thuật đồ họa cơ sở { if (q < 0.0) retVal = FALSE; } return (retVal); } a. Cohen Sutherland b. Lyabarsky c. Hodgman d. Không phải giải thuật xén tỉa 78
Chương 5: Phiếu chiếu – Projection CHƯƠNG 5: PHÉP CHIẾU –PROJECTION 1. KHÁI NIỆM CHUNG 1.1.Nguyên lý về 3D (three-Dimension) Đồ họa 3 chiều (3D computer graphics) bao gồm việc bổ xung kích thước về chiều sâu của đối tượng, cho phép ta biểu diễn chúng trong thế giới thực một cách chính xác và sinh động hơn. Tuy nhiên các thiết bị truy xuất hiện tại đều là 2 chiều, Do vậy việc biểu diễn được thực thi thông qua phép tô chát (render) để gây ảo giác (illusion) về độ sâu Đồ hoạ 3D là việc chyển thế giới tự nhiên dưới dạng các mô hình biểu diễn trên các thiết bị hiển thị thông qua kỹ thuật tô chát (rendering). 1.2. Đặc điểm của kỹ thuật đồ hoạ 3D Có các đối tượng phức tạp hơn các đối tượng trong không gian 2D - Bao bởi các mặt phẳng hay các bề mặt - Có các thành phần trong và ngoài Các phép biến đổi hình học phức tạp Các phép biến đổi hệ toạ độ phức tạp hơn Thường xuyên phải bổ xung thêm phép chiếu từ không gian 3D vào không gian 2D Luôn phải xác định các bề mặt hiển thị 1.3.Các phương pháp hiển thị 3D Với các thiết bị hiển thị 2D thì chúng ta có các phương pháp sau để biểu diễn đối tượng 3D: - Kỹ thuật chiếu (projection): Trực giao (orthographic)/phối cảnh (perspective) - Kỹ thuật đánh dấu độ sâu (depth cueing) - Nét khuất (visible line/surface identification) - Tô chát bề mặt (surface rendering) - Cắt lát (exploded/cutaway scenes, cross-sections) Các thiết bị hiển thị 3D: - Kính stereo - Stereoscopic displays* - Màn hình 3D – Holograms 79
Chương 5: Phiếu chiếu – Projection Exploded/cutaway Perspective (phối Shadows as depth cues (tạo bóng cảm scenes (cắt lát) cảnh) and Depth of giác có chiều sâu) Field (chiều sâu) Hình 5.1 Các cách mô tả đối tượng 3D Hình chiếu cạnh Hình chiếu bằng Hình chiếu đứng Hình 5.2 Các góc nhìn khác nhau của mô hình 3D 80
Chương 5: Phiếu chiếu – Projection x2 + y2 + z2 = r2 Nét khuất (Implicit) Đa giác Mô hình 3D (Polygonal) (3D Modelling) x = sin4θ y = cos2θ Mảnh nhỏ Tham số (Parametric) (Particles) Hình 5.3 Các cách mô tả đối tượng 3D 2.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. 2. View volume được chiếu lên mặt phẳng chiếu. Diện tích choán 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. 81
Chương 5: Phiếu chiếu – Projection täa ®é thùc täa ®é theo vïng täa ®é thiÕt khung nh×n 3D c¾t bÞ PhÐp biÕn ®æi vμo C¾t theo view PhÐp chiÕu trªn cæng nh×n cña volum mÆt ph¼ng chiÕu täa ®é thiÕt bÞ Hình 5.4 Mô hình nguyên lý của tiến trình biểu diễn đối tượng 3D PhÐp chiÕu h×nh häc ph¼ng PhÐp chiÕu song PhÐp chiÕu phèi c¶nh song PhÐp chiÕu Trùc giao Mét ®iÓm Xiªn Axonometric ChiÕu Hai ®iÓm b»ng Cavalier Trimetric ChiÕu Cabinet Ba ®iÓm ®øng ChiÕu Dimetric c¹nh PhÐp chiÕu Isometric kh¸c Hình 5.6 Phân loại các phép chiếu 82
Chương 5: Phiếu chiếu – Projection Hình 5.5 Ví dụ minh hoạ các phép chiếu phối cảnh 3. PHÉP CHIẾU SONG SONG (Parallel Projections ) 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). 3.1.Phép chiếu trực giao (Orthographic projection) Là phép chiếu song song và tia chiếu vuông góc với mặt phẳng chiếu. Về mặt toán học, phép chiếu trực giao là phép chiếu với một trong các mặt phẳng toạ độ có giá trị bằng 0. Thường dùng mặt phẳng z=0, ngoài ra x=0 và y=0. Ứng với mỗi mặt phẳng chiếu ta có một ma trận chiếu tương ứng. ⎡1 0 0 0⎤ ⎡0 0 0 0⎤ ⎡1 0 0 0⎤ ⎢ ⎥ ⎢0 0 0 0⎥ 0 1 0 0 ⎢0 1 0 0⎥ [T ] = ⎢ ⎥ [T ] = ⎢ ⎥ [T ] = ⎢ ⎥ y ⎢0 0 1 0⎥ x ⎢0 0 1 0⎥ z ⎢0 0 0 0⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣0 0 0 1⎦ ⎣0 0 0 1⎦ ⎣0 0 0 1⎦ Hình 5.7 Phép chiếu trực giao 83
Chương 5: Phiếu chiếu – Projection Thông thường thì người ta không sử dụng cả 6 mặt phẳng để suy diễn ngược hình của một đối tượng mà chỉ sử dụng một trong số chúng như: hình chiếu bằng, đứng, cạnh. Cả sáu góc nhìn đều có thể thu được từ một mặt phẳng chiếu thông qua các phép biến đổi hình học như quay, dịch chuyển hay lấy đối xứng. Ví dụ: giả sử chúng ta có hình chiếu bằng trên mặt phẳng z=0, với phép quay đối tượng quanh trục một góc 900 sẽ cho ta hình chiếu cạnh. Đối với các đối tượng mà các mặt của chúng không song song với một trong các mặt phẳng hệ toạ độ thì phép chiếu này không cho hình dạng thật của vật thể. Muốn nhìn vật thể chính xác hơn người ta phải hình thành phép chiếu thông qua việc quay và dịch chuyển đối tượng sao cho mặt phẳng đó song song với các trục toạ độ. Hình của đối tượng quá phức tạp cần thiết phải biết các phần bên trong của đối tượng đôi lúc chúng ta phải tạo mặt cắt đối tượng. 3.2. Phép chiếu trục luợng (Axonometric) Phép chiếu trục lượng là phép chiếu mà hình chiếu thu được sau khi quay đối tượng sao cho ba mặt của đối tượng được trông thấy rõ nhất (thường mặt phẳng chiếu là z=0). Có 3 phép chiếu - Phép chiếu Trimetric - Phép chiếu Dimetric - Phép chiếu Isometric 3.2.1.Phép chiếu Trimetric Là phép chiếu hình thành từ việc quay tự do đối tượng trên một trục hay tất cả các trục của hệ tọa độ và chiếu đối tượng đó bằng phép chiếu song song lên mặt phẳng chiếu (thường là mặt phẳng z = 0). Ngoại trừ những mặt phẳng của đối tượng song song với mặt phẳng chiếu không thay đổi. Các mặt khác của đối tượng hay hình dạng của đối tượng thường biến dạng sau phép chiếu.Tuy nhiên tỉ lệ co (Shortening Factor - SF) là tỷ số của độ dài đoạn thẳng chiếu so với độ dài thực tế của đối tượng. Trên cơ sở SF phép chiếu trục lượng được chia làm ba loại sau: Phép chiếu Trimetric Phép chiếu Dimetric Phép chiếu Isometric Việc tính các giá trị SF này của các trục tương ứng dựa vào công thức [U]* [T]. ' ' ⎡xx yx 0 1⎤ ⎡1 0 0 1⎤ ⎢ ⎥ x' y' 0 1 [U ] = ⎢0 1 0 1⎥ [T ] = ⎢ y y ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ' ' ⎥ xz yz 0 1 ⎣⎢0 0 1 1⎦⎥ ⎢ ⎥ ⎣⎢ 0 0 0 1⎦⎥ [ U ]: là ma trận vector đơn vị của các trục x, y, z bất biến [ T ]: là ma trận chiếu tổng hợp tương ứng SF- tỉ lệ co theo các trục là: 84