Bài giảng Đồ họa máy tính (Phần 1)

Nội dung text: Bài giảng Đồ họa máy tính (Phần 1)

1. LỜI NÓI ĐẦU Đồ họa máy tình (Computer Graphics) là một trong những chương trính thông dụng nhất, nó đã góp phần quan trọng làm cho giao tiếp giữa con người và máy tình trở nên thân thiện hơn. Giao diện kiểu dòng lệnh đã được thay thế hoàn toàn bằng giao diện đồ họa, cùng với công nghệ đa phương tiện (multimedia) đã đưa ngành Công nghệ thông tin sang một phiên bản mới Đồ họa máy tình đã phát triển rất nhanh, nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ như y học, kiến trúc, giải trì, Đồ họa máy tình giúp chúng ta thay đổi cách cảm nhận và sử dụng máy tình, nó đã trở thành những công cụ trực quan không thể thiếu trong đời sống hàng ngày. Ví vậy môn Đồ họa máy tình là một môn học chình trong chuyên ngành Công nghệ thông tin ở các trường Đại học, Cao đẳng Bài giảng này sẽ cung cấp đầy đủ thông tin về cơ sở lý thuyết đồ họa máy tình từ đơn giản nhất như các thuật toán vẽ đường thẳng, đường tròn, Tiếp đến là các kỹ thuật, các phép biến đổi, phép quan sát trong không gian hai chiều, ba chiều. Bài giảng sẽ giúp sinh viên có thể độc lập xây dựng những phần mềm ứng dụng đồ họa 1
2. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HỌA MÁY TÍNH 1.1 Giới thiệu tổng quan Ngày nay, đồ họa máy tình được ứng dụng rộng rãi trong ngành còng nghệ thông tin. Khó mà tím được một ứng dụng thương mại của còng nghệ thông tin không sử dụng một thành phần nào đó của hệ đồ họa máy tình. Đồ họa máy tình ở vị trì quan trọng trong lĩnh vực thiết kế và giao tiếp kỹ thuật. Nó là cơ sở để chuyển đổi các giải pháp tình toán số sang thể hiện hính ảnh tự nhiên cho thiết kế kỹ thuật hay muốn sáng tỏ một vấn đề phức tạp. Đồ họa máy tình biểu diễn được hính ảnh đối tượng, quan hệ, dữ liệu, vị trì Đồ họa máy tình còn có chức năng mô tả kìch thước của đối tượng, phân tìch dữ liệu. Trong những thập niên cuối thế kỷ 20, sự phát triển mạnh của những hệ đồ họa như CAD/CAM đã trở thành chuẩn còng nghiệp và trường học. 1.1.1. Lịch sử phát triển của đồ họa máy tính Graphics những năm 1950-1960 - 1959 Thiết bị đồ hoạ đầu tiên là màn hính xuất hiện tại Đức. - 1960 - SAGE (Semi-Automatic Ground Environment System) xuất hiện bút sáng thao tác với màn hính. - 1960 William Fetter nhà khoa học người Mỹ, ông đang nghiên cứu xây dựng mô hính buồng lái máy bay cho hãng Boeing của Mỹ. Ông đã dựa trên hính ảnh 3 chiều của mô hính người phi còng trong buồng lái của máy bay để xây dựng nên một mô hính tối ưu cho buồng lái máy bay. Phương pháp này cho phép các nhà thiết kế 2
3. quan sát một cách trực quan vị trì của người lái trong khoang. Ông đặt tên cho phương pháp này là đồ hoạ máy tình (Computer Graphics) . Màn hính là thiết bị thông dụng nhất trong hệ đồ hoạ, các thao tác của hầu hết các màn hính đều dựa trên thiết kế ống tia âm cực CRT (Cathode ray tube). Khi đó giá để làm tươi màn hính là rất cao, máy tình 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 trính xử lý thông tin). Người sử dụng có thể vẽ mạch điện trực tiếp lên màn hính thong qua bút sáng. Graphics:1970-1980 Raster Graphics (đồ hoạ điểm). Bắt đầu chuẩn đồ hoạ vì dụ như: GKS(Graphics Kernel System): European effort (kết quả của châu âu), Becomes ISO 2D standard. Graphics: 1980-1990 Mục đìch đặc biệt về phần cứng, thiết bị hính học đồ hoạ Silicon. Xuất hiện các chuẩn còng nghiệp: PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics Standard) xác định các phương pháp chuẩn cho các mô hính thời gian thực và lập trính hướng đối tượng. 3
4. Giao diện người máy Human-Computer Interface (HCI) Computer Graphics: 1990-2000 - OpenGL API (Application Program Interface – giao diện chương trính ứng dụng). - Completely computer-sinh ra ngành điện ảnh phim truyện (Toy Story) rất thành còng. 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 Ảnh hiện thực.các cạc đồ hoạ cho máy tính (Graphics cards for PCs), game boxes and game players. Còng nghiệp phim ảnh nhờ vào đồ hoạ máy tình (Computer graphics becoming routine in movie industry): Maya (thế giới vật chất tri giác được) . 1.2. Các ứng dụng tiêu biểu của kỹ thuật đồ họa Đồ họa máy tình là một trong những lĩnh vực lý thú nhất và phát triển nhanh nhát 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 và quản lý Tình hấp dẫn của nó có thể được minh họa rất trực quan thông qua các ứng dụng của nó. 1.2.1. Ứng dụng CAD/CAM Hệ CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacture System) là kỹ thuật đồ họa tập hợp các còng cụ, các kỹ thuật giúp cho thiết kế các chi tiết và các hệ thống khác nhau như hệ thống cơ, hệ thống điện, hệ thống điện tử. 4
5. Hệ CAD/CAM thường được sử dụng để thiết kế các cao ốc, ô tô, máy bay, tàu thủy, tàu vũ trụ, máy tình, trang trì mẫu vải, Các đối tượng được hiển thị dưới dạng các phác thảo của phần khung, từ đó có thể thấy được toàn bộ hính dạng và các thành phần bên trong của các đối tượng. Người thiết kế sẽ dễ dàng nhận thấy ngay các thay đổi của đối tượng khi tiến hành hiệu chỉnh các chi tiết hay thay đổi góc nhín, . Các mô hính chiếu sáng, tô màu và tạo bóng bề mặt sẽ được kết hợp tạo ra sản phẩm 5
6. Hình 1.1. Hỗ trợ thiết kế CAD/CAM 1.2.2. Ứng dụng biểu diễn thông tin Đồ họa thường được sử dụng để giúp hiển thị số liệu một cách trực quan, có thể phát sinh các biểu đồ, đồ thị, minh họa mối liên hệ giữa các đối tượng với nhau hoặc tóm lược các dữ liệu về tài chình , thống kê, kinh tế, khoa học, toán học. 6
7. Hình 1.2. Đồ họa biểu diễn thông tin 1.2.3. Ứng dụng hoạt hình và nghệ thuật Trong lĩnh vực hoạt hính và nghệ thuật đồ họa bao gồm các còng cụ giúp cho các họa sĩ, các nhà thiết kế phim hoạt hính chuyên nghiệp làm các kỹ xảo hoạt hính, vẽ tranh Vì dụ phần mềm 3D Studio, 3D Studio Max. 7
8. Hình 1.3. Đồ họa trong hoạt hình và nghệ thuật 1.2.4. Ứng dụng đào tạo Đồ họa ứng dụng trong đào tạo giúp mô phỏng cấu trúc của các vật thể, tiến trính của các phản ứng hóa học, hoạt động của các gói tin trên mạng máy tình, trong việc hỗ trợ giảng dạy. Các ứng dụng mô phỏng được dùng để kiểm tra trính độ người lái, huấn luyện phi còng, điều khiển giao thông, 8
9. Hình 1.4. Đồ họa trong giáo dục 1.2.5. Ứng dụng xây dựng giao diện người dùng Giao diện đồ họa 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 ưa thìch nhờ tình thân thiện dễ dùng. Người dùng làm việc thông qua các biểu tượng mô tả chức năng đó, không gian biểu tượng chiếm dụng ìt hơn nhiều so với dùng văn bản, không gặp trở ngại về mặt ngôn ngữ, có thể làm việc dễ dàng với nhiều cửa sổ với nhiều dạng tài liệu khác nhau cùng một lúc 9
10. Hình 1.5. Đồ họa xây dựng giao diện ngƣời dùng 1.2.6. Ứng dụng xây dựng bản đồ Ứng dụng đồ họa giúp xây dựng bản đồ dễ dàng, thuận tiện, từ những số liệu có sẵn, trong quá trính xử lý có thể xây dựng những thuật toán để phân tìch hay tổng hợp, 10
11. Hình 1.6. Đồ họa xây dựng bản đồ 1.2.7. Ứng dụng trong y tế Hình 1.7. Đồ họa trong y tế 11
12. 1.3 Tổng quan về một hệ đồ họa Mục tiêu của đồ họa máy tình có chức năng tạo ra và thao tác các hính ảnh đồ họa, nên nó phải có khả năng tạo ra và hiệu chỉnh các hính ảnh bằng các tương tác và đáp ứng. Các ứng dụng đồ họa đưa ra các chỉ dẫn thuật ngữ theo yêu cầu đồ họa người dùng. Thư viện đồ họa thực hiện tương tác, làm cầu nối cho giao tiếp giữa người dùng và các thiết bị đơn giản hơn. Chương trính ứng dụng Thư viện đồ họa Thiết bị đồ họa Hình 1.8 Hệ thống đồ họa Một trong các yêu cầu chình của một hệ thống đồ họa là các ứng dụng, áp dụng cho nhiều hệ thiết bị, phải được phát triển không phụ thuộc vào phần cứng. Để có được điều đó, phải có tiêu chuẩn hóa cho môi trường đồ họa ở mức chức năng, bằng việc cung cấp sự độc lập thiết bị và ngôn ngữ lập trính. Sự độc lập với thiết bị cho phép các chương trính ứng dụng đồ họa chạy trên các dạng phần cứng khác nhau. Nó được thực hiện thông qua thiết bị nhập xuất logic cung cấp cho phần mềm ứng dụng thông qua thư viện đồ họa và ánh xạ thiết bị cụ thể. Cho tới nay, có những tiêu chuẩn đồ họa đã được phát triển trong nhiều năm, bao gồm: GKS(Graphics Kernel System 12
13. - 1985), được phát triển riêng cho các thiết bị nhập xuất 2 chiều. GKS-3D bổ sung thêm khả năng lập trính 3 chiều. PHIGS (Programmer’s Hierarchical Graphics System - 1984) hay PHIGS+ bao gồm khả năng lập trính không gian , tạo thành thao tác dữ liệu đồ họa phức tạp Các tiêu chuẩn đồ họa thực tế là kết quả của việc chấp nhận trong còng nghiệp các giao diện đặc trưng, được đề xuất bởi nhiều còng ty và không nëu ra trong các tiêu chuẩn chình thức. Được nhắc đến trong số này là hệ X-Windows, cung cấp một loạt các chức năng nhập và thao tác đồ họa 2 chiều. Sự mở rộng được bắt đầu vào giữa những năm 80 là hệ X-Windows 3 chiều. Để đảm bảo sự linh hoạt, các tiêu chuẩn đồ họa thiết lập cho ứng dụng các thay đổi tối thiểu, cho phép nó định địa chỉ các thiết bị nhập xuất khác nhau. Khởi đầu, người lập trính tạo ra một hệ thống tọa độ mô hính, mô tả đối tượng gọi là hệ thống tọa độ thực. Tiếp theo, là hệ tọa độ tiêu chuẩn và hệ tọa độ thiết bị. Chương trính ứng dụng sẽ giao tiếp với hệ tọa độ chuẩn theo cách thức phù hợp, không quan tâm đến thiết bị xuất được dùng. Do đó, tạo ra sự độc lập với thiết bị trong việc tạo ra hính ảnh của đối tượng. 1.3.1. Phần cứng đồ họa Phần cứng đồ họa bao gồm các thành phần:  CPU: Thực hiện các chương trính ứng dụng.  Bộ xử lý hiển thị (Display Processor): Thực hiện còng việc hiển thị dữ liệu đồ hoạ.  Bộ nhớ hệ thống (System Memory): Chứa các chương trính và dữ liệu đang thực hiện. 13
14.  Gói phần mềm đồ hoạ (Graphics Package): Cung cấp các hàm đồ hoạ cho chương trính ứng dụng  Phần mềm ứng dụng (Application Program): Phần mềm đồ hoạ ứng dụng.  Bộ đệm ( Frame buffer): Chứa các hính ảnh hiển thị.  Bộ điều khiển màn hính (Video Controller): Điều khiển màn hính, chuyển dữ liệu dạng số ở frame buffer thành các điểm sáng trên màn hính. 1.3.2. Phần mềm đồ họa Phần mềm đồ họa bao gồm các các còng cụ lập trính cung cấp một tập các hàm đồ họa có thể được dùng trong các ngôn ngữ lập trính cấp cao như C, Pascal, Các hàm cơ sở của nó bao gồm việc tạo các đối tượng cơ sở của hính ảnh như đoạn thẳng, đa giác, đường tròn, thay đổi màu sắc, chọn khung nhín, áp dụng các phép biến đổi. Các ứng dụng đồ họa được thiết kế cho những người dùng không phải là lập trính viên, cho phép người dùng tạo các đối tượng, hính ảnh, mà không cần quan tâm tới việc chúng được tạo ra như thế nào. Vì dụ như là Photoshop, AutoCAD, Mục tiêu căn bản của các phần mềm đồ họa được chuẩn là tình tương thìch. Khi các còng cụ được thiết kế với các hàm đồ họa 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. Chuẩn cho việc phát triển các phần mềm đồ họa đã ra đời đó là GKS (Graphics Kernel System – Hệ đồ họa cơ sở). Hệ thống này 14
15. ban đầu được thiết kế cho tập các còng cụ đồ họa hai chiều, sau đó được phát triển và mở rộng cho đồ họa ba chiều. Các hàm của GKS thực sự chỉ là các mô tả trừu tượng, độc lập với bất kí ngôn ngữ lập trính nào. Để cài đặt một chuẩn đồ họa cho ngôn ngữ cụ thể nào, các cú pháp tương ứng sẽ được xác định và cụ thể hóa. GKS xác lập được các ý tưởng ban đầu cho các hàm đồ họa cơ sở, tuy nhiên nó không cung cấp một cách thức chuẩn cho việc giao tiếp đồ họa với các thiết bị xuất. Nó cũng không xác định các cách thức cho các mô hính thời gian thực cũng như các cách thức lưu trữ và chuyển đổi hính ảnh 1.3.3 Hệ tọa độ thực, hệ tọa độ thiết bị và hệ tọa độ chuẩn Trong lĩnh vực kỹ thuật đồ họa, chúng ta phải hiểu được rằng thực chất của đồ họa là làm thế nào để có thể mô tả và biến đổi được các đối tượng trong thế giới thực trên máy tình. Bởi ví, các đối tượng trong thế giới thực được mô tả bằng tọa độ thực. Trong khi đó, hệ tọa độ thiết bị lại sử dụng hệ tọa độ nguyên để hiển thị các hính ảnh. Đây chình là vấn đề cơ bản cần giải quyết. Ngoài ra, còn có một khó khăn khác là với các thiết bị khác nhau thí có các định nghĩa khác nhau. Do đó, cần có một phương pháp chuyển đổi tương ứng giữa các hệ tọa độ và đối tượng phải được định nghĩa bởi các thành phần đơn giản như thế nào để có thể mô tả gần đúng với hính ảnh thực bên ngoài. a. Hệ tọa độ thực: Một trong những hệ tọa độ thực thường được dùng để mô tả các đối tượng trong thế giới thực là hệ tọa độ Descartes. Với hệ tọa 15
16. độ này, mỗi điểm P được biểu diễn bằng một cặp tọa độ (Xp,Yp) với Xp, Yp ∈R (xem hình 1.9) . Ox : gọi là trục hoành; Oy : gọi là trục tung. .Xp : hoành độ điểm P; Yp: tung độ điểm P. Y X P(Xp, Yp) Yp O X Xp X Hình 1.9 Hệ tọa độ thực b. Hệ tọa độ thiết bị: Hệ tọa độ thiết bị (device coordinates) được dùng cho một thiết bị xuất cụ thể nào đó, vì dụ như máy in, màn hính, Trong hệ tọa độ thiết bị thí các điểm cũng được mô tả bởi cặp tọa độ (x,y). Tuy nhiên, khác với hệ tọa độ thực là x, y ∈ N. Điều này có nghĩa là các điểm trong hệ tọa độ thực được định nghĩa liên tục, còn các điểm trong hệ tọa độ thiết bị là rời rạc. Ngoài ra, các tọa độ x, y của hệ tọa độ thiết bị chỉ biểu diễn được trong một giới hạn nào đó của N c. Hệ tọa độ thiết bị chuẩn: Do cách định nghĩa các hệ tọa độ thiết bị khác nhau nên 16
17. một hình ảnh hiển thị được trên thiết bị này là chình xác thí chưa chắc hiển thị chính xác trên thíết bị khác. Người ta xây dựng một hệ tọa độ thiết bị chuẩn đại diện chung cho tất cả các thiết bị để có thể mô tả các hình ảnh mà không phụ thuộc vào bất kỳ thiết bị nào. Trong hệ tọa độ chuẩn, các tọa độ x, y sẽ được gán các giá trị trong đoạn từ [0,1]. Như vậy, vùng không gian của hệ tọa độ chuẩn chính là hình vuông đơn vị có góc trái dưới (0, 0) và góc phải trên là (1, 1) 1.3.4. Hệ màu Màu sắc được sử dụng trong các ứng dụng đồ họa máy tình để giúp người dùng hiểu rõ về đối tượng hình học. Các màn hình đồ họa sử dụng các Màu sắc chromatic. Chúng dựa trên lý thuyết về bộ não người là Màu sắc ánh sáng được tiếp nhận như sự phối hợp từ 3 Màu là đỏ (red), xanh lá cây (green), và anh dương (blue). Nói chung, Màu được mô tả bằng 3 thuộc tính là Màu sắc (hue), độ bão hòa (saturation), và độ sáng (brightness), chúng xác định vị trí trong quang phổ Màu, độ tinh khiết và cường độ sáng. Có hàng loạt phương pháp được tạo các mô hình Màu trong các ứng dụng đồ họa. Trong phần này chỉ đưa ra những mô hình Màu tiêu biểu hơn cả, giúp tìm hiểu các ứng dụng đã lựa chọn Màu sắc thích hợp như thế nào. 17
18. Hình 1.10. Mô hình màu a. RGB (Red - Green - Blue): Mô hình màu RGB mô tả màu sắc bằng 3 thành phần chính là Red - Green và Blue. Mô hính này được xem như một khối lập phương 3 chiều với màu red là trục x, màu Green là truc y, và màu Blue là trục z. Mỗi màu trong mô hính này được xác định bởi 3 thành phần R, G, B. Ứng với các tổ hợp khác nhau của 3 màu này sẽ cho ta một màu mới . Trong hình lập phương trên, mỗi màu gốc (R,G,B) có các gốc đối diện là các màu bù với nó. Hai màu được gọi là bù nhau khi kết 18
19. hợp hai màu này lại với nhau ra Màu trắng. Ví dụ : Green - Magenta, Red - Cyan, Blue - Yellow. b. CMY (Cyan - Magenta - Yellow): Tương tự như mô hính màu RGB nhưng 3 thành phần chính là Cyan - Magenta - Yellow. Do đó, tọa độ các màu trong mô hính CMY trái ngược với mô hình RGB. Ví dụ : màu White có các thành phần là (0,0,0), màu Black (1,1,1), màu Cyan (1,0,0), c. HSV (Hue - Saturation - Value ): Thực chất của mô hình này là sự biến đổi của mô hình RGB. Mô hính HSV được mô tả bằng lệnh lập phương RGB quay trên đỉnh Black. H (Hue) là góc quay trục V (value) qua 2 đỉnh Black và White. Các giá trị biến thiën của H, S, V như sau: (Hue) chỉ sắc thái có giá trị từ 00 - 3600 . S (Saturation) chỉ độ bão hoâ. V (Value) có giá trị từ 0 - 1. Các Màu đạt giá trị bão hòa khi s = 1 và v = 1. 19
20. CHƢƠNG 2 CÁC THUẬT TOÁN CƠ SỞ 2.1 Giới thiệu Kỹ thuật đồ họa liên quan đến tin học và toán học bởi vì hầu hết các giải thuật vẽ, tô cùng các phép biến hình đều được xây dựng dựa trên nền tảng của hình học không gian hai chiều và ba chiều. Trong chương này, chúng ta giới thiệu các thuật toán vẽ các đường cơ bản như đường thẳng, đa giác, đường tròn, ellipse. Các thuật toán này giúp cho sinh viên hiểu được quá trình vẽ và tô một đối tượng hình học cơ sở như thế nào. 2.1.1 Các đối tượng đồ họa cơ sở a. Điểm Điểm là thành phần cơ sở được định nghĩa trong một hệ tọa độ, đối với hệ tọa độ 2 chiều mỗi điểm được xác định bởi hoành độ và tung độ. Ngoài thông tin tọa độ, điểm còn có thông tin màu sắc. Ví dụ: Trong mặt phẳng, một điểm là một cặp (x,y) Trong không gian ba chiều, một điểm là bộ ba (x,y,z) Trên màn hình của máy tính, một điểm là một vị trí trong vùng nhớ màn hính dùng để lưu trữ các thông tin về độ sáng của điểm ứng trên màn hình. Số điểm vẽ trên màn hính được gọi là độ phân giải của màn hính (320x200, 480x640) . Cách hiển thị thông tin lên màn hính đồ họa: Vùng đệm màn hình hay còn gọi là bộ nhớ hiển thị được bắt đầu từ địa chỉ A000h:$0000h. Vì vậy, để hiển thị thông tin ra 20
21. màn hình thì ta chỉ cần đưa thông tin vào vùng đệm màn hình bắt đầu từ địa chỉ trên là được b. Đoạn thẳng, đường thẳng Đường thẳng xác định qua 2 điểm, đoạn thẳng bị giới hạn bởi 2 điểm đầu và cuối. Phương trình đường thẳng được xác định qua 2 điểm P(x1, y1) và Q(x2, y2) như sau: x x1 x2 x1 y y1 y2 y1 Hay ở dạng phương trình đoạn chắn y = mx + b, Dy Trong đó: Dx = x2 - x1, Dy = y2 -y1, m Dx Hay ở dạng tổng quát: Ax + By + C = 0 Trong đó: A = y2- y1, B = x1 - x2, C = x2y1 - x1y2 c. Đường gấp khúc Đường gấp khúc là tập các đoạn thẳng nối với nhau một cách tuần tự, các đoạn không nhất thiết phải tạo thành hình khép kín và có thể cắt nhau. Giao của hai đoạn thẳng là đỉnh, đỉnh và đỉnh cuối của đa giác trùng nhau. d. Vùng tô Vùng tô: bao gồm đường biên và vùng bên trong, đường biên là đường khép kìn như đa giác lồi. e. Ký tự, chuỗi ký tự Ký tự cho phép hiển thị thông tin theo ngôn ngữ nào đó. 2.1.2 Các thuộc tính của các đối tượng đồ họa cơ sở  Điểm có thuộc tính màu sắc. 21
22.  Đoạn thẳng, đường thẳng có thuộc tính màu sắc, độ rộng, kiểu nét.  Vùng tô có thuộc tính của đường thẳng, và thuộc tính riêng là mầu tô và mẫu tô.  Ký tự có thuộc tính màu sắc, kiểu chữ, cỡ chữ, khoảng cách giữa các ký tự, hướng hiển thị ký tự 2.2. Các thuật toán vẽ điểm, đƣờng 2.2.1 Thuật toán vẽ đường thẳng Xét đoạn thẳng có hệ số góc 0 0. Với các đoạn thẳng dạng này, nếu (xi,yi) là điểm đã được xác định ở bước thứ i thì điểm kế tiếp (xi+1, yi+1) ở bước thứ i+1 sẽ là một trong hai xi xi 1 điểm sau: yi yi yi 1 Vấn đề đặt ra là chọn điểm vẽ như thế nào để đường thẳng được vẽ gần với đường thẳng muốn vẽ nhất và đạt được tối ưu hóa về mặt tốc độ ? 2.2.2. Thuật toán DDA Là thuật toán tình toán các điểm vẽ dọc theo đường thẳng dựa vào hệ số góc của phương trính đường thẳng y = mx+b. y Trong đó: m , Δ y yi 1 yi , Δ x=xi +1 xi x Nhận thấy tọa độ của điểm x sẽ tăng 1 đơn vị trên mỗi điểm vẽ, còn việc quyết định chọn yi+1 là yi+1 hay yi sẽ phụ thuộc vào giá trị sau khi làm tròn của tung độ y. Tuy nhiên, nếu tính trực tiếp giá trị thực của y ở mỗi bước từ phương trính y = mx+b thí cần một 22
23. phép toán nhân và một phép toán cộng số thực: yi+1 = mxi+1 + b = m(xi + 1) + b = mxi + b + m Để cải thiện tốc độ, người ta khử phép nhân trên số thực. Ta có: yi= mxi + b ⇒ yi +1 = yi + m → int(yi +1) (2-1) Có 2 khả năng: 0 1: xi +1 = xi + 1/m → int(xi+1), yi +1 = yi + 1 Hai trường hợp này dùng để vẽ một điểm bắt đầu từ bên trái đến điểm cuối cùng bên phải của đường thẳng (xem hình 1.1). Nếu điểm bắt đầu từ bên phải đến điểm cuối cùng bên trái thì xét ngược lại: 0 1: xi +1 = xi - 1/m → int(xi+1), yi +1 = yi - 1 Hình 2.1 Dạng đƣờng thẳng tƣơng ứng 2 khả năng của m. 23
24. Tương tự, có thể tình toán các điểm vẽ cho trường hợp m 1 (sinh viên tự tìm hiểu thêm). Tóm lại: Để vẽ đường thẳng theo thuật toán DDA làm như sau:  Nhập A(x1,y1), B(x2, y2)  Tính Δx=x2 - x1 , Δ y =y2 - y1, m y x  Điểm đầu tiên: x=x1, y=y1;  Điểm tiếp theo: x=x1+1, y=y1+m. Quá trình này lặp lại đến khi nào x>=x2 thì dừng Hình 2.2 Giải thuật DDA để vẽ đƣờng thẳng. 24
25. Ví dụ: Hãy tìm tọa độ các điểm sẽ nảy sinh của đoạn thẳng được vẽ theo giải thuật DDA, nếu biết đoạn thẳng đi qua hai điểm là A(5, 10) và B(10, 15) Theo thuật toán DDA ta có: Dx=x2-x1=10-5=5 Dy=y2-y1=15-10=5 m=Dy/Dx=5/5=1 Điểm thứ nhất A(5,10) Điểm thứ hai A1(6,11) Điểm thứ ba A2 (7, 12) Điểm thứ ba A3 (8,13) Điểm thứ tư A4 (9,14) Điểm thứ năm (10,15) có x=x2 Dừng phát sinh điểm mới Vậy có bốn điểm được nảy sinh trong quá trình vẽ đường thẳng theo thuật toán DDA 2.2.3. Thuật toán Bresenham Giải thuật Bresenham theo nguyên lý tím ra các điểm gần với đường thẳng dựa trên đô phân giải hữu hạn. Giải thuật này loại bỏ được các phép toán chia và phép toán làm tròn như ta đã thấy trong thuật toán DDA 25
26. Hình 2.3 Dạng đƣờng thẳng nếu 0<m<=1 Gọi (xi+1, yi +1) là điểm thuộc đoạn thẳng (xem hình 2.3). Ta có y = m (xi +1) + b Đặt d1 = yi +1 - yi và d2 = yi +1 - yi +1 Việc chọn điểm (xi +1, yi +1) là P1 hay P2 phụ thuộc vào việc so sánh d1 và d2 Nếu d1- d2 <0 : chọn điểm P1, tức là yi +1= yi Nếu d1- d2 ≥0 : chọn điểm P2, tức là yi +1= yi +1 Ta có : d1 - d2 = 2yi+1 - 2yi - 1 = 2m(xi+1) + 2b - 2yi - 1 (2-4) Pi = cx (d1 - d2) = Δx[2m(xi+1) + 2b - 2yi - 1] y = Δx[2 ( xi + 1 ) + 2b – 2 yi - 1] x 26
27. = 2Δy(xi+1) - 2Δx.yi + Δx(2b - 1) = 2Δy.xi - 2Δx.yi + 2Δy + Δx(2b - 1) Vậy C = 2Δy + Δx(2b - 1) = Const ⇒ Pi = 2Δy.xi - 2Δx.yi + C (2-5) Nhận xét rằng nếu tại bước thứ i ta xác định được dấu của Pi thì xem như ta xác định được điểm cần chọn ở bước (i+1). Ta có : Pi +1 - Pi = (2Δy.xi+1 - 2Δx.yi+1 + C) - (2Δy.xi - 2Δx.yi + C ) ⇔ Pi +1 = Pi + 2Δy - 2Δx ( yi+1 - yi ) Nếu Pi < 0 : chọn điểm P1, tức là yi +1= yi và Pi +1= Pi + 2Δy Nếu Pi ≥ 0 : chọn điểm P2, tức là yi +1= yi +1 và Pi +1= Pi + 2Δy - 2Δx (2-6) Giá trị P0 được tính từ điểm vẽ đầu tiên (xo, yo) theo công thức: Po = 2Δy.xo - 2Δx.yo + C Do (xo ,yo ) là điểm nguyên thuộc về đoạn thẳng nên ta có: yo y mx o +b= x b x 0 Thay yo vào phương trình trên ta được: Po = 2Δy - Δx Nhận xét: Thuật toán Bresenham chỉ thao tác trên số nguyên và chỉ tính toán trên phép cộng và phép nhân 2. Điều này là một cải tiến làm tăng tốc độ đáng kể so với thuật toán DDA. Ý tưởng chính của thuật toán này là ở chổ xét dấu Pi để quyết định điểm kế tiếp, và sử dụng còng thức truy hồi Pi +1 Pi để tính Pi bằng các phép toán đơn giản trên số nguyên. Tuy nhiên, việc xây dựng trường hợp tổng quát cho thuật toán Bresenham có phức tạp hơn thuật toán DDA. Tóm lại: Để vẽ đường thẳng theo thuật toán Bresenham cho trường hợp hệ số góc 0<m<1 như sau: 27
28.  Nhập A(x1,y1), B(x2, y2)  Tính Δx=x2 - x1 , Δ y =y2 - y1, P=2Δy – Δx , C1=2Δy, C2=2(Δy – Δx)  Điểm đầu tiên: x=x1, y=y1;  Điểm tiếp theo: x=x1+1, y=y1, Pi=Pi+C1. Nếu Pi 0  Quá trình tiếp tục cho đến khi x>=x2 Hình 2.4: Giải thuật Bresenham vẽ đƣờng thẳng 28
29. Ví dụ: Hãy tìm các hệ số p và tọa độ các điểm sẽ nảy sinh của đoạn thẳng được vẽ theo giải thuật Bresenham, nếu biết đoạn thẳng đi qua hai điểm A(2,4) và B(5,8) với 0 0 P = P + C2 = 5 + 2 = 7 Điểm A1: x2=3, y2=5 *P=7>0 P= P + C2 = 7 + 2= 9 Điểm A2: x3=4, y3=6 *P=9>0 P=P + C2 = 9 + 2=11 Điểm A3: x4=5, y4=7 Ví X4=Xb=5 nên quá trính sinh điểm dừng. Vậy có 2 điểm phát sinh khi vẽ đường thẳng theo thuật toán Bresenham 2.2.4. Thuật toán MidPoint Thuật toán Midpoint đưa ra cách chọn điểm y là y p+1 p hay y +1 dựa vào so sánh điểm thực Q(x +1,y) với trung p p điểm M(x +1,y +1/2) của đoạn thẳng p p 29
30. Hình 2.5. Mô tả thuật toán MidPoint  Nếu Q nằm trên M thí chọn điểm NE(x +1, y +1) p p  Nếu Q nằm dưới M thí chọn điểm E(x +1,y ) p p Cơ sở toán học  F(x,y) 0 nếu (x,y) nằm phìa dưới đường thẳng Cách thực hiện: Đặt Pp = F(M) = F(xp+1,yp+1/2)  Nếu Pp = 0 thí M nằm dưới hoặc thuộc đường thẳng, chọn NE 30
31. P gọi là tham số quyết định. Dấu của nó sẽ quyết định lựa chọn p điểm tiếp theo Tính Pp: P = A(x +1)+B(y +1/2)+C p p p Đặt P = P old p P = A(x +1)+B(y +1/2)+C old p p Nếu chọn E thì trung điểm mới: Mnew(xp+2,yp+1/2) PnewE = A(xp+2)+B(yp+1/2)+C PnewE = A(xp+1)+B(yp+1/2)+C + A PnewE = Pold + dy (vì A= dy) Nếu chọn NE thì trung điểm mới: M (x +2, y +3/2) new p p PnewNE = A(xp+2)+B(yp+3/2)+C PnewNE = A(xp+1)+B(yp+1/2)+C + A + B PnewNE = Pold + dy – dx (vì A= dy, B = - dx) Tính P : M(x +1, y +1/2) 1 1 1 P = A(x +1)+B(y +1/2)+C 1 1 1 Thay: A = dy; B = -dx, C= x y - x y 2 1 1 2 dy = y - y ; dx = x - x vào P 2 1 2 1 1 P = dy(x +1) - dx(y + 1/2) + x y - x y 1 1 1 2 1 1 2 P = dyx + dy - dxy - dx1/2+ x y - x y 1 1 1 2 1 1 2 P = y x - y x + dy - x y + x y - dx1/2 + x y - x y 1 2 1 1 1 2 1 1 1 2 1 1 2 P = dy-(1/2)dx 1 Do chỉ xét dấu và để tránh chia hai: P = 2dy-dx 1 Tóm lại: Để vẽ đường thẳng theo thuật toán MidPoint cho 31
32. trường hợp hệ số góc 0 0  Quá trình tiếp tục cho đến khi x>=x2 Hình 2.6. Giải thuật MidPoint để vẽ đƣờng thẳng 32
33. Vì dụ: Cho 2 điểm A(20,10), B(24,13). Hãy xác định giá trị di, xi, yi ở mỗi bước khi vẽ đoạn thẳng AB theo thuật toán Midpoint Theo giải thuật MidPoint Dx=x2-x1= 4, Dy=y2-y1= 3 D=Dy- Dx/2= 3 - 2 = 1 Điểm A: x1=20, y1=10 *D = 1>0 D = D + Dy - Dx = 1 + 3 - 4 = 0 Điểm A1: x2 = 21, y2=11 *D = 0=0 D= D + Dy = 0 + 3 = 3 Điểm A2: x3=22, y3=11 *D=3>0 D = D + Dy - Dx = 3 + 3 - 4=2 Điểm A3: x4=23, y4=12 *D=2>0 D = D + Dy - Dx = 2 + 3 - 4=1 Điểm A4: x5=24, y5=13 Vì X5=Xb=24 nên quá trính sinh điểm dừng. Vậy có 3 điểm phát sinh khi vẽ đường thẳng theo thuật toán MidPoint 2.3. Thuật toán vẽ đƣờng tròn, elip 33
34. Hình2.7: Đƣờng tròn với các điểm đối xứng Trong hệ tọa độ Descartes, phương trình đường tròn bán kính R có dạng: Tâm O(0,0) : x2 + y2= R2 ; 2 2 2 Tâm C(xc,yc): (x - xc ) + (y - yc ) = R (2-7) x x c Rcos Trong hệ tọa độ cực : , 0,2  y yc Rsin Do tình đối xứng của đường tròn C, nên ta chỉ cần vẽ 1/8 cung tròn, sau đó lấy đối xứng qua 2 trục tọa độ và 2 đường phân giác thì ta vẽ được cả đường tròn. 34
35. 2.3.1. Thuật toán xét trung điểm Hình 2.8 Đƣờng tròn với điểm Q(xi +1, y) và trung điểm. Thuật toán trung điểm đưa ra cách chọn yi+1 là yi hay yi -1 bằng cách so sánh điểm Q(xi+1,y) với điểm giữa là trung điểm (Midpoint) của S1 và S2. Chọn điểm bắt đầu để vẽ là (0,R). Giả sử (xi, yi) là điểm nguyên đã tím được ở bước thứ i (xem hình 2.7), thì điểm (xi+1, yi+1) ở bước i+1 là sự lựa chọn giữa S1 và S2. xi 1 xi 1 y 1 i yi 1 yi Đặt F(x,y) = x2 + y2 - R2 , ta có : F(x,y) < 0 , nếu điểm (x,y) nằm trong đường tròn. F(x,y) = 0 , nếu điểm (x,y) nằm trên đường tròn. 35
36. F(x,y) > 0 , nếu điểm (x,y) nằm ngoài đường tròn. Xét Pi = F(MidPoint) = F(xi +1, yi - 1/2). Ta có : Nếu Pi = 0 : điểm MidPoint nằm ngoài đường tròn. Khi đó, điểm Q gần với điểm S2 hơn nên ta chọn yi+1 = yi - 1. Mặt khác : Pi+1 - Pi = F(xi+1 +1, yi+1 - 1/2) - F(xi + 1, yi - 1/2) 2 2 2 2 2 = [(xi+1 +1)2 + (yi+1 - 1/2) - R ] - [(xi +1) + (yi - 1/2) - R ] 2 2 = 2xi + 3 + ((yi+1) - (yi) ) - (y i+1 - yi) Vậy: Nếu Pi = 0 : chọn yi+1 = yi - 1. Khi đó Pi+1 = Pi + 2xi - 2yi +5 Pi ứng với điểm ban đầu (xo , yo) = (0,R) là: Po = F(xo + 1, yo - 1/2) = F(1, R - 1/2) = 5/4 -R 36
37. Hình 2.9. Giải thuật MidPoint để vẽ đƣờng tròn 37
38. 2.3.2. Thuật toán Bresenham Hình 2.10. Đƣờng tròn với khoảng cách d1 và d2 Tương tự thuật toán vẽ đường thẳng Bresenham, các vị trí ứng với các tọa độ nguyên nằm trên đường tròn có thể tính được bằng cách xác định một trong hai pixel gần nhất với đường tròn hơn trong mỗi bước. Ta có: 2 2 2 2 2 2 2 d1 = (yi) - y = (yi) - (R - (xi + 1) ) và d2 = y - (yi - 1) = 2 2 2 (R - (xi + 1) ) - (yi - 1) 2 2 Đặt Pi = d1 - d2, do đó Pi+1 = Pi + 4xi + 6 + 2((yi+1) - (yi) ) - 2(yi+1 - yi) Nếu Pi = 0 : chọn yi+1 = yi - 1. Khi đó Pi+1 = Pi + 4(xi - yi ) + 10 Po ứng với điểm ban đầu (xo , yo) = (0,R) là: Po= 3 - 2R 38
39. Tóm lại, vẽ đường tròn theo thuật toán Bresenham gồm các bước sau: Bước 1: Chọn điểm đầu tiên cần vẽ (x1,y1) = (0,R) Tình P đầu tiên: P1 = 3 – 2R Bước 2: Nếu P <0: Chọn điểm kế tiếp là (xi + 1, yi). P=P+4x+6 Ngược lại chọn điểm (xi + 1, yi - 1) và P=P+4x-4y+10 Bước 3: x=x+1, tính lại P để xác định y Quá trình lặp lại khi x=y 39
40. Hình 2.11. Giải thuật Bresenham vẽ đƣờng tròn 40
41. 2.3.3. Thuật toán vẽ elip Tương tự thuật toán vẽ đường tròn, sử dụng thuật toán Bresenham để vẽ, ta chỉ cần vẽ 1/4 ellipse, sau đó lấy đối xứng qua các trục tọa độ sẽ vẽ được tòan bộ ellipse. Xét ellipse có tâm O, các bán kính là a và b x 2 y 2 1 phương trính là: a 2 b 2 Chọn tọa độ pixel đầu tiên cần hiển thị là (xi ,yi) = (0,b). Cần xác định pixel tiếp theo là (xi+1 ,yi+1). Ta có : xi 1 xi 1 yi 1 2 2 2 2 d1=(yi) – y ; d2=y – (yi - 1) yi 1 yi 2 Đặt Pi = d1- d2, có Pi+1=Pi + 2((yi+1) – (y Nếu Pi = 0 : chọn yi+1 = yi - 1, Po ứng với điểm ban đầu (xo, yo) = (0, b) là: BÀI TẬP Bài 1: Tại sao phải so sánh giá trị Pi với 0 trong các giải thuật Bresenham hay Midpoint. Bản chất của so sánh là gì? Bài 2: Cặt đặt các giải thuật Bresenham, MidPoint vẽ đường tròn và vẽ đoạn thẳng với hệ số góc trong khoảng [-1, 1]. Bài 3: Giải thích tại sao chỉ chọn cung 1/8 để vẽ rồi lấy đối xứng mà không mở rộng cho cung 1/16 hay 1/32. Bài 4: Cài đặt giải thuật vẽ elip có tâm là gốc tọa độ, bán kính trục chính, trục phụ là a, b. Bài 5: Cài đặt thuật toán tô Màu đường biên cho đối tượng hình tròn. 41