LỜI NÓI ĐẦU
Giáo trình Đồ họa Máy tính nhằm mang đến cho người học là các sinh viên ngành Công nghệ Thông tin những kiến thức cơ bản và chuyên sâu trong lĩnh vực đồ họa máy tính, rèn luyện và phát triển kỹ năng thực hành thực nghiệm, kỹ năng lập trình cho lĩnh vực đồ họa máy tính. Nội dung của giáo trình với thời lượng giảng dạy 3 tín chỉ gồm có 6 chương, 2 phục lục và 7 bài thực nghiệm được trình bày hướng dẫn chi tiết nhằm từng bước phát triển kỹ năng lập trình đồ họa, hiểu sâu và đánh giá chính xác các lý thuyết và giải thuật đồ họa. Bố cục của giáo trình gồm:
Chương 1: Các yếu tố cơ sở của đồ họa
Trình bày các khái niệm cơ bản về thiết bị đồ họa và điểm ảnh (Pixel). Giới thiệu và trình bày chi tiết các giải thuật dựng các đường cơ bản như: Đoạn thẳng, đường tròn, ellipse. Hướng dẫn chi tiết các bước để tạo ứng dụng khung phục vụ cho việc thực hành thực nghiệm thông qua “Bài thực nghiệm số 1”, để từ đó dẫn dắt làm quen và trang bị từng bước các kiến thức lập trình đồ họa trên windows với VC++ và MFC.
Chương 2: Các hệ màu và cơ chế tổ chức bộ nhớ màn hình
Trình bày đôi nét về cấu trúc màn hình màu. Tính chất giao thoa ánh sáng và nguyên lý tạo điểm màu trên màn hình hay máy in. Giới thiệu sơ bộ về các hệ màu RGB, CMY, HSV. Tìm hiểu về cơ chế tổ chức bộ nhớ màn hình, cách tính địa chỉ để truy xuất thông tin điểm ảnh thông qua mode đồ họa căn bản 13H, và chuẩn hiển thị đồ họa cao cấp Vesa.
Chương 3: Các phép xén hình và tô màu
Giới thiệu phạm vi và ứng dụng của bài toán xén hình. Trình bày chi tiết các giải thuật xén hình căn bản như: Xén đoạn thẳng vào hình chữ nhật, xén đa giác vào hình chữ nhật. Giới thiệu bài toán tô màu và ứng dụng. Trình bày chi tiết 2 giải thuật tô màu gồm: Giải thuật vết dầu loang (Flood fill), và giải thuật tô đa giác theo dòng quét (Scan-line). Tìm hiểu sâu hơn về vấn đề xử lý đồ họa của hệ thống thông qua “Bài thực nghiệm số 2” để xử lý bài toán tô màu theo giải thuật vết dầu loang.
Chương 4: Các phép biến đổi hình học
Trình bày lý thuyết biến đổi hình học affine với căn bản là các phép tính toán ma trận. Hệ tọa độ thuần nhất và lợi ích của nó trên mô hình xử lý máy tính. Một số ví dụ hướng dẫn thực hiện các bước phân tích bài toán biến hình phức tạp về thành tổng hợp của những phép biến hình cơ bản, dựa trên việc tính tích các ma trận. Phân tích bài toán quan sát vật thể trong không gian 3 chiều và sự mô phỏng thế giới thực.
Chương 5: Mô hình WireFrame
Trình bày chi tiết về mô hình Wireframe và cách thức tổ chức lưu trữ thông tin. Hướng dẫn xây dựng một ứng dụng mô phỏng việc quan sát vật thể 3 chiều trong không gian theo mô hình Wireframe, trong đó áp dụng kết hợp kiến thức của chương 4 và chương 5, thông qua “Bài thực nghiệm số 3”.
Chương 6: Mô hình các mặt đa giác và vấn đề khử mặt khuất
Giới thiệu mô hình các mặt đa giác, ưu và nhược điểm, cùng cách thức tổ chức lưu trữ thông tin. Giới thiệu bài toán khử mặt khuất và trình bày chi tiết các giải thuật sắp xếp theo độ sâu, giải thuật chọn lọc mặt sau, giải thuật vùng đệm độ sâu. “Bài thực nghiệm số 4” giúp phát triển ứng dụng 3DViewer mô phỏng việc quan sát vật thể trong không gian 3 chiều trên máy tính, trong đó vấn đề khử mặt khuất được xử lý bởi giải thuật chọn lọc mặt sau. Và “Bài thực nghiệm số 5” phát triển một bản nâng cấp của ứng dụng 3DViewer, trong đó vấn đề khử mặt khuất được xử lý bởi giải thuật vùng đệm độ sâu.
Cuối cùng, hệ thống 2 phụ lục nhằm giúp sinh viên có thể tìm hiểu và nghiên cứu sâu hơn một số vấn đề mà trong khuôn khổ thời gian có hạn của học phần không cho phép tìm hiểu sâu. Nội dung cơ bản của các phụ lục bao gồm:
Phụ lục 1: Các phương pháp dựng đường cong và mặt cong
Trình bày chi tiết các phương pháp tạo đường cong và mặt cong hiệu quả trên mô hình máy tính.
Phụ lục 2: Các mô hình chiếu sáng
Trình bày chi tiết việc tính toán mô phỏng các loại hình chiếu sáng lên vật thể 3 chiều nhằm tăng tính trung thực của hình ảnh mô phỏng, tạo cho hình ảnh mô phỏng được trung thực và “đẹp hơn”. Đề xuất các giải pháp công nghệ xử lý kết hợp nhằm giải quyết vấn đề tốc độ thực thi cho bài toán xử lý mô phỏng hình ảnh 3 chiều trên máy tính. “Bài thực nghiệm số 6” và “Bài thực nghiệm số 7” giúp phát triển và hoàn thiện hơn nữa ứng dụng 3DView, để ứng dụng có thể mô phỏng trung thực hơn các đối tượng 3 chiều. Qua đó, giúp sinh viên có được kiến thức sâu hơn và kỹ năng vững vàng về vấn đề xử lý mô phỏng đối tượng 3 chiều trên máy tính.
Với mong muốn tạo điều kiện tốt nhất để sinh viên có thể dễ dàng lĩnh hội kiến thức lý thuyết, phát triển năng lực thực nghiệm và kỹ năng giải quyết vấn đề nói chung hay kỹ năng lập trình nói riêng, tác giả đã cố gắng để trình bày các vấn đề thuộc lĩnh vực đồ họa máy tính một cách chi tiết mạch lạc và chuẩn xác nhất có thể, các kỹ thuật xử lý luôn sát với công nghệ trong thực tiễn. Hy vọng rằng cuốn sách sẽ mang lại nhiều bổ ích cho sinh viên cũng như bạn đọc. Tác giả cũng mong nhận được nhiều đóng góp ý kiến của quý đồng nghiệp cùng bạn đọc để cuốn sách được hoàn thiện hơn trong lần tái bản sau.
Giáo trình Đồ họa Máy tính nhằm mang đến cho người học là các sinh viên ngành Công nghệ Thông tin những kiến thức cơ bản và chuyên sâu trong lĩnh vực đồ họa máy tính, rèn luyện và phát triển kỹ năng thực hành thực nghiệm, kỹ năng lập trình cho lĩnh vực đồ họa máy tính. Nội dung của giáo trình với thời lượng giảng dạy 3 tín chỉ gồm có 6 chương, 2 phục lục và 7 bài thực nghiệm được trình bày hướng dẫn chi tiết nhằm từng bước phát triển kỹ năng lập trình đồ họa, hiểu sâu và đánh giá chính xác các lý thuyết và giải thuật đồ họa. Bố cục của giáo trình gồm:
Chương 1: Các yếu tố cơ sở của đồ họa
Trình bày các khái niệm cơ bản về thiết bị đồ họa và điểm ảnh (Pixel). Giới thiệu và trình bày chi tiết các giải thuật dựng các đường cơ bản như: Đoạn thẳng, đường tròn, ellipse. Hướng dẫn chi tiết các bước để tạo ứng dụng khung phục vụ cho việc thực hành thực nghiệm thông qua “Bài thực nghiệm số 1”, để từ đó dẫn dắt làm quen và trang bị từng bước các kiến thức lập trình đồ họa trên windows với VC++ và MFC.
Chương 2: Các hệ màu và cơ chế tổ chức bộ nhớ màn hình
Trình bày đôi nét về cấu trúc màn hình màu. Tính chất giao thoa ánh sáng và nguyên lý tạo điểm màu trên màn hình hay máy in. Giới thiệu sơ bộ về các hệ màu RGB, CMY, HSV. Tìm hiểu về cơ chế tổ chức bộ nhớ màn hình, cách tính địa chỉ để truy xuất thông tin điểm ảnh thông qua mode đồ họa căn bản 13H, và chuẩn hiển thị đồ họa cao cấp Vesa.
Chương 3: Các phép xén hình và tô màu
Giới thiệu phạm vi và ứng dụng của bài toán xén hình. Trình bày chi tiết các giải thuật xén hình căn bản như: Xén đoạn thẳng vào hình chữ nhật, xén đa giác vào hình chữ nhật. Giới thiệu bài toán tô màu và ứng dụng. Trình bày chi tiết 2 giải thuật tô màu gồm: Giải thuật vết dầu loang (Flood fill), và giải thuật tô đa giác theo dòng quét (Scan-line). Tìm hiểu sâu hơn về vấn đề xử lý đồ họa của hệ thống thông qua “Bài thực nghiệm số 2” để xử lý bài toán tô màu theo giải thuật vết dầu loang.
Chương 4: Các phép biến đổi hình học
Trình bày lý thuyết biến đổi hình học affine với căn bản là các phép tính toán ma trận. Hệ tọa độ thuần nhất và lợi ích của nó trên mô hình xử lý máy tính. Một số ví dụ hướng dẫn thực hiện các bước phân tích bài toán biến hình phức tạp về thành tổng hợp của những phép biến hình cơ bản, dựa trên việc tính tích các ma trận. Phân tích bài toán quan sát vật thể trong không gian 3 chiều và sự mô phỏng thế giới thực.
Chương 5: Mô hình WireFrame
Trình bày chi tiết về mô hình Wireframe và cách thức tổ chức lưu trữ thông tin. Hướng dẫn xây dựng một ứng dụng mô phỏng việc quan sát vật thể 3 chiều trong không gian theo mô hình Wireframe, trong đó áp dụng kết hợp kiến thức của chương 4 và chương 5, thông qua “Bài thực nghiệm số 3”.
Chương 6: Mô hình các mặt đa giác và vấn đề khử mặt khuất
Giới thiệu mô hình các mặt đa giác, ưu và nhược điểm, cùng cách thức tổ chức lưu trữ thông tin. Giới thiệu bài toán khử mặt khuất và trình bày chi tiết các giải thuật sắp xếp theo độ sâu, giải thuật chọn lọc mặt sau, giải thuật vùng đệm độ sâu. “Bài thực nghiệm số 4” giúp phát triển ứng dụng 3DViewer mô phỏng việc quan sát vật thể trong không gian 3 chiều trên máy tính, trong đó vấn đề khử mặt khuất được xử lý bởi giải thuật chọn lọc mặt sau. Và “Bài thực nghiệm số 5” phát triển một bản nâng cấp của ứng dụng 3DViewer, trong đó vấn đề khử mặt khuất được xử lý bởi giải thuật vùng đệm độ sâu.
Cuối cùng, hệ thống 2 phụ lục nhằm giúp sinh viên có thể tìm hiểu và nghiên cứu sâu hơn một số vấn đề mà trong khuôn khổ thời gian có hạn của học phần không cho phép tìm hiểu sâu. Nội dung cơ bản của các phụ lục bao gồm:
Phụ lục 1: Các phương pháp dựng đường cong và mặt cong
Trình bày chi tiết các phương pháp tạo đường cong và mặt cong hiệu quả trên mô hình máy tính.
Phụ lục 2: Các mô hình chiếu sáng
Trình bày chi tiết việc tính toán mô phỏng các loại hình chiếu sáng lên vật thể 3 chiều nhằm tăng tính trung thực của hình ảnh mô phỏng, tạo cho hình ảnh mô phỏng được trung thực và “đẹp hơn”. Đề xuất các giải pháp công nghệ xử lý kết hợp nhằm giải quyết vấn đề tốc độ thực thi cho bài toán xử lý mô phỏng hình ảnh 3 chiều trên máy tính. “Bài thực nghiệm số 6” và “Bài thực nghiệm số 7” giúp phát triển và hoàn thiện hơn nữa ứng dụng 3DView, để ứng dụng có thể mô phỏng trung thực hơn các đối tượng 3 chiều. Qua đó, giúp sinh viên có được kiến thức sâu hơn và kỹ năng vững vàng về vấn đề xử lý mô phỏng đối tượng 3 chiều trên máy tính.
Với mong muốn tạo điều kiện tốt nhất để sinh viên có thể dễ dàng lĩnh hội kiến thức lý thuyết, phát triển năng lực thực nghiệm và kỹ năng giải quyết vấn đề nói chung hay kỹ năng lập trình nói riêng, tác giả đã cố gắng để trình bày các vấn đề thuộc lĩnh vực đồ họa máy tính một cách chi tiết mạch lạc và chuẩn xác nhất có thể, các kỹ thuật xử lý luôn sát với công nghệ trong thực tiễn. Hy vọng rằng cuốn sách sẽ mang lại nhiều bổ ích cho sinh viên cũng như bạn đọc. Tác giả cũng mong nhận được nhiều đóng góp ý kiến của quý đồng nghiệp cùng bạn đọc để cuốn sách được hoàn thiện hơn trong lần tái bản sau.
