Giới thiệu khái niệm đồ hoạ máy tính

BÀI 1. GIỚI THIỆU
I. GIỚI THIỆU VỀ ĐHMT
1. Ngành Đồ hoạ Máy tính
Đồ hoạ máy tính (Computer Graphics) là một nhánh của khoa học máy tính, nghiên cứu các phương pháp, kỹ thuật và công cụ xử lý đồ hoạ (lưu trữ, thể hiện, biến đổi, tăng chất lượng…).
Những ứng dụng chính của đồ hoạ máy tính:
Giao diện người dùng đồ hoạ (GUI)
Xử lý ảnh (Photoshop)
Thiết kế kỹ thuật (các hệ thống CAD như AutoCAD)
Dựng hoạt hình (Flash MX, Director)
Mô phỏng và dựng hình 3D (Maya, 3D Studio Max)
Video game (trò chơi điện tử)
2. Môn học Đồ hoạ Máy tính
Môn học Đồ hoạ Máy tính dành cho hệ đào tạo tại chức có thời lượng 45 tiết, nhằm hai mục tiêu chính:
- Cung cấp những khái niệm, kỹ thuật và phương pháp cơ bản của ngành Đồ hoạ Máy tính.
- Tạo cơ hội cho sinh viên được thực hành lập trình đồ hoạ trên một môi trường đồ hoạ. Chúng tôi chọn môi trường đồ hoạ BGI của Turbo Pascal 7.0 vì tính đơn giản, dễ sử dụng và ngôn ngữ Pascal quen thuộc với người học nhất.
Thời lượng môn học được chia thành 30 tiết lý thuyết và 15 tiết thực hành.
II. MỘT SỐ KHÁI NIỆM
1. Chế độ hiển thị
Chế độ hiển thị là khái niệm về cách thức máy tính hiển thị kết quả của quá trình xử lý thông tin và quá trình tương tác giữa người và máy trên thiết bị ra. Có hai chế độ hiển thị:
Chế độ ký tự (text mode) là chế độ hiển thị mà phần tử hiển thị cơ bản là kí tự. Màn hình được chia thành các hàng và các cột xác định (80x25), giao điểm của các hàng và các cột tạo thành các ô. Mỗi ô hiển thị được 1 kí tự. Do đó phần tử bé nhất có thể hiển thị được trên màn hình là kí tự.
Chế độ kí tự có các ưu điểm là tốn ít bộ nhớ, xử lí và hiển thị rất đơn giản và nhanh. Nhược điểm của chế độ này là chỉ hiển thị được các kí tự, không hiển thị được hình ảnh và các đối tượng có độ chi tiết cao, phổ màu rộng, các kí tự chỉ có một dạng font duy nhất.
Chế độ đồ hoạ (graphic mode) là chế độ hiển thị mà phần tử hiển thị cơ bản là điểm ảnh. Màn hình cũng được chia thành các hàng và các cột, giao điểm của các hàng và các cột tạo thành các ô, mỗi ô hiển thị được 1 điểm ảnh. So với chế độ kí tự thì số dòng và số cột trong chế độ đồ hoạ lớn hơn rất nhiều (ví dụ 800 x 600), do đó 1 điểm ảnh rất nhỏ so với 1 kí tự.
Ưu điểm của chế độ đồ hoạ là: hiển thị được hình ảnh và các đối tượng có độ chi tiết cao, phổ màu rộng, cho phép hiển thị các kí tự có dạng font khác nhau... Ngược lại nhược điểm của chế độ đồ hoạ là đòi hỏi nhiều bộ nhớ và năng lực xử lí.
2. Đồ hoạ bitmap và đồ hoạ vector
Đồ hoạ bitmap là phương pháp biểu diễn dữ liệu đồ hoạ trong đó các đối tượng đồ hoạ được mô tả dưới dạng ma trận các điểm ảnh. Đồ hoạ bitmap phù hợp với các đối tượng có độ chi tiết cao, màu sắc phong phú. Nhược điểm của đồ hoạ bitmap là không giữ được độ nét khi co giãn ảnh và rất tốn bộ nhớ. Thường dùng với ảnh số, video số…
Đồ hoạ vector là phương pháp biểu diễn dữ liệu đồ hoạ trong đó các đối tượng đồ hoạ từ phần tử cơ bản là đoạn thẳng và những đối tượng xây dựng từ đoạn thẳng như đa giác, đường gấp khúc, đường cong… Đồ hoạ vector tốn ít bộ nhớ, giữ được độ nét khi co giãn nhưng không phù hợp để mô tả các đối tượng phức tạp hoặc phổ màu rộng, thường dùng cho hình vẽ, logo…
3. Điểm ảnh và độ phân giải
Điểm ảnh là phần tử nhỏ nhất hiển thị được trên thiết bị hiển thị hoặc cũng là phần tử bé nhất dùng để mô tả đối tượng đồ hoạ. Tuỳ theo kiểu đồ hoạ hoặc thiết bị đồ hoạ mà ta có các thuật ngữ khác nhau mô tả điểm ảnh
pixel (picture element) là thuật ngữ mô tả điểm ảnh trong đồ hoạ bitmap.
point là thuật ngữ mô tả điểm ảnh trong đồ hoạ vector.
dot là đơn vị nhỏ nhất mà thiết bị hiển thị (màn hình, máy in,…) hiển thị được.
Độ phân giải biểu thị khả năng hiển thị và độ nét của chế độ đồ hoạ, hoặc đối tượng hoặc thiết bị đồ hoạ. Độ phân giải càng cao thì khả năng hiển thị càng lớn hoặc độ nét càng lớn. Có nhiều cách mô tả độ phân giải:
Số cột x số dòng: mô tả màn hình đồ hoạ được chia thành bao nhiêu cột và bao nhiêu dòng (từ đó suy ra số pixel và kích thước của mỗi pixel). Thường dùng mô tả kích thước ảnh số, độ phân giải màn hình. Ví dụ nói độ phân giải màn hình là 800x600 có nghĩa là màn hình được chia thành 800 cột, 600 dòng và có 800 x 600 = 480.000 điểm ảnh.
Số pixel tối đa mà thiết bị đồ hoạ có thể lưu trữ, thường dùng mô tả độ phân giải của máy ảnh số. Chẳng hạn máy ảnh số 3 mega pixel, 5 mega pixel… Từ số điểm ảnh tối đa ta có thể ước lượng được kích thước tối đa của ảnh. Chẳng hạn máy ảnh 3MP có thể chụp được ảnh có độ phân giải 2000x1500 (trong khi đó độ phân giải thông thường của màn hình là 800x600).
dpi (dot per inch): số dot tạo được trên mỗi inch (thường dùng cho máy in hoặc máy quét ảnh). Độ nét của trang in hoặc ảnh quét phụ thuộc vào dpi. Các thông số thường dùng cho máy in laser là 300 dpi hoặc 600 dpi. Từ tham số dpi ta cũng có thể suy ra được kích thước ảnh. Chẳng hạn nếu ta quét 1 tấm ảnh tức là 5x4 inch với độ phân giải 300 dpi thì kích thước ảnh ta có là 1500x1200 điểm ảnh.
4. Hệ toạ độ và phép chiếu
Hệ toạ độ dùng để xác định vị trí các đối tượng hoặc điểm ảnh, nhờ đó ta thực hiện được các thao tác đồ hoạ (chẳng hạn để vẽ một đoạn thẳng ta cần chỉ ra toạ độ của 2 điểm đầu mút của đoạn thẳng đó). Có 3 loại hệ toạ độ khác nhau:
Hệ toạ độ hiển thị là hệ tọa độ xác định vị trí các điểm ảnh trên thiết bị hiển thị. Do hạn chế bởi độ phân giải và do đặc điểm của đồ hoạ bitmap, hệ toạ độ hiển thị sử dụng số nguyên, có trục y hướng xuống dưới và chỉ sử dụng các giá trị toạ độ hữu hạn. Ví dụ nếu độ phân giải là 800x600 thì tất cả các điểm ảnh đều có giá trị toạ độ x là số nguyên từ 0 đến 799, toạ độ y từ 0 đến 599.
Hệ toạ độ thế giới là hệ toạ độ xác định vị trí các đối tượng đồ hoạ khác nhau trong một thế giới (mặt phẳng, không gian) chung. Hệ toạ độ thế giới sử dụng số thực, các giá trị toạ độ không bị giới hạn và trục y hướng lên trên như hệ toạ độ trong toán học. Hệ toạ độ thế giới có thể có 2 chiều (2D) hoặc 3 chiều (3D).
Hệ toạ độ đối tượng là hệ toạ độ dùng mô tả kích thước của đối tượng đồ hoạ và vị trí tương đối của các thành phần tạo nên đối tượng đó.
Khi muốn hiển thị đối tượng đồ hoạ lên thiết bị đồ họa ta cần thực hiện ánh xạ giữa toạ độ đối tượng, toạ độ thế giới và toạ độ hiển thị. Quá trình ánh xạ đó gọi là phép chiếu.
III. BIỂU DIỄN MÀU
1. Các chế độ màu sắc
Đồ hoạ máy tính xử lý 3 chế độ màu sắc khác nhau:
Đơn sắc: chỉ có 2 màu là màu nền và màu nổi (có thể là đen và trắng, xanh và trắng…). Được dùng phổ biến để mô tả ảnh nhị phân, ma trận kí tự…
Đa mức xám (grayscale): dùng các màu xám đậm nhạt khác nhau (trải từ đen đến trắng) để mô tả sắc độ (giống như ảnh chụp đen trắng). Dùng phổ biến cho kết xuất trên máy in
Màu (color): dùng các màu sắc tự nhiên (đen, trắng, xanh, đỏ, tím, vàng…). Số lượng màu sử dụng dao động từ 16 màu đến 16 triệu màu hoặc hơn.
Trong đồ hoạ máy tính mỗi điểm ảnh sẽ mang một màu duy nhất.
2. Phân tích và tổng hợp màu
Màu sắc của ánh sáng phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng. Mỗi màu trong tự nhiên đều có thể phân tích và tổng hợp từ một số màu cơ bản. Thường trong đồ hoạ người ta sử dụng 3 màu cơ bản là đỏ (Red), xanh lá cây (Green) và xanh da trời (Blue).
Phân tích một màu là xác định màu đó được tạo thành từ 3 màu cơ bản với các thành phần bao nhiêu. Để xác định thành phần màu đỏ trong một màu nào đó, ta chiếu ánh sáng màu đó qua một kính lọc màu đỏ rồi đo cường độ ánh sáng sau khi đi qua kính lọc. Làm tương tự như thế để xác định thành phần 2 màu còn lại.
Ngược lại, ta tổng hợp một màu bằng cách chiếu các nguồn sáng đơn sắc với cường độ thích hợp (tương ứng với thành phần chúng ta phân tích được) để tạo nên màu đó.
3. Số hoá màu
Trong máy tính, tất cả các dữ liệu đều phải số hoá để xử lý. Màu sắc trong đồ hoạ máy tính cũng được số hoá thành các con số nhị phân. Độ sâu màu là số bit của số nhị phân biểu diễn màu. Nếu độ sâu màu là d thì số màu khác nhau có thể biểu diễn được là 2d. Ví dụ nếu ta dùng 24 bit để biểu diễn màu cho một điểm ảnh thì ta có 224 (hơn 16 triệu) màu khác nhau.
Có hai phương pháp số hoá màu: số hoá trực tiếp và số hoá theo chỉ số.
Số hoá màu trực tiếp ta số hoá mỗi màu bằng cách mô tả sắc độ của từng thành phần R,G,B tương ứng với màu đó. Chẳng hạn trong chế độ màu 24 bit, ta dùng 8 bit cho mỗi màu cơ bản, như vậy có 256 mức độ khác nhau mô tả cường độ của từng màu cơ bản đó.
Trong trường hợp độ sâu màu không lớn, người ta dùng phương pháp biểu diễn màu theo chỉ số. Chẳng hạn với độ sâu màu 8 bit (tương ứng với 28 = 256 màu), người ta sẽ có một bảng màu (palette) gồm 256 mục, mỗi mục mô tả thành phần RGB của một màu và giá trị màu của mỗi điểm ảnh sẽ là chỉ số của mục mô tả màu tương ứng.
4. Các hệ màu
Ngoài hệ màu RGB, trong đồ hoạ máy tính còn sử dụng một số hệ màu khác như HSV, CMYK.
5. Vùng đệm ảnh (frame buffer) và bộ nhớ đồ hoạ
Bộ nhớ đồ hoạ (Video RAM) là nơi chứa các thông tin mô tả từng pixel của màn hình đồ hoạ, thường là nằm trên card video. Nếu độ phân giải của màn hình là M cột x N dòng và độ sâu màu là d bit thì bộ nhớ đồ hoạ có kích thước ít nhất là M x N x d (bit).
Vùng đệm ảnh là vùng nhớ lưu trữ tạm thời dữ liệu đồ hoạ bitmap trong quá trình xử lý. Vùng đệm ảnh thường được chia thành nhiều khung ảnh, mỗi khung mô tả một ảnh bitmap. Đôi khi người ta cũng gọi bộ nhớ đồ hoạ (nơi chứa dữ liệu đồ hoạ bitmap được hiển thị trên màn hình) là vùng đệm ảnh.
IV. PHẦN CỨNG ĐỒ HOẠ
1. Thiết bị ra
Thiết bị ra thực hiện nhiệm vụ hiển thị hình ảnh hoặc kết xuất đối tượng đồ hoạ. Người ta chia thiết bị ra thành 2 loại là: kết xuất cứng (hard copy) và kết xuất mềm (soft copy).
Thiết bị ra kết xuất cứng là các thiết bị ra mà kết quả hiển thị không thể sửa chữa được như máy in (printer), mắy vẽ (plotter), máy cắt… Có nhiều công nghệ máy in đang phổ biến như máy in laser, máy in phun, máy in kim.
Ngược lại, thiết bị ra kết xuất mềm cho phép cập nhật kết quả hiển thị một cách nhanh chóng và không hạn chế. Thiết bị ra kiểu này phổ biến nhất là màn hình. Hiện tại có 2 công nghệ màn hình đang được sử dụng rộng rãi:
Màn hình CRT: thực hiện việc hiển thị hình ảnh bằng cách phóng tia âm cực lên màn hình huỳnh quang, tạo ra các điểm sáng (như nguyên tắc