ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

ĐỖ THÁI HÒA

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT
HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU

Tiếng anh:
(A number of technical studies
show 3D images from the slideshow)
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Mã số: 60.48.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS Đỗ Năng Toàn Thái Nguyên - 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

i
MỤC LỤC
MỤC LỤC
i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
iii

3.3. Một số cửa sổ - Kết quả thử nghiệm 39
3.4. Đánh giá 41
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
43
TÀI LIỆU THAM KHẢO
45
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT
Ký hiệu/
Chữ viết tắt
Viết đầy đủ
Ý nghĩa
1
3D
3 Dimentional
3 chiều
2
2D
2 Dimentional
2 chiều
3
VR
Volume rendering
Biểu diễn thể tích
4
SR
surface rendering

COmmunications in
Medicine Standars
Tiêu chuẩn ảnh số và truyền thông
trong y tế
12
VTK
Visualization Toolkit
Bộ toolkit có mã nguồn mở Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Ảnh đồ hoạ điểm
Hình 1.2. Kỹ thuật đồ họa điểm
Hình 1.3. Mô hình đồ họa vector
Hình 1.4. Các thành phần cứng của hệ đồ hoạ tương tác
Hình 1.5. Cấu tạo màn hình CRT
Hình 1.6. Súng điện tử bố trí theo kiểu tam giác
Hình 1.7. Dòng quét trong thiết bị Raster
Hình 1.8. Tổ chức của bảng tra màu LUT (Look Up Table)
Hình 1.9. Tổ chức của một máy
Hình 1.10. Nối kết mạng cục bộ
Hình 1.11. Các dạng ảnh 2D dùng để tái tạo ảnh 3D thường gặp
Hình 2.1. Hình ảnh 3D được biểu diễn theo phương pháp SR
Hình 2.2. Minh họa thuật toán Marching Square
Hình 2.3. 16 trường hợp Marching Square
Hình 2.4. Minh họa tạo bề mặt từ các đường viền
Hình 2.5. Xây dựng bề mặt theo giá trị của các đỉnh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1
PHẦN MỞ ĐẦU

Đồ họa máy tính được ra đời bởi sự kết hợp của 2 lĩnh vực thông tin và
truyền hình. Đầu tiên kỹ thuật đồ họa được phát triển bởi các nhóm kỹ sư sử
dụng máy tính lớn. Trong giai đoạn đầu của sự phát triển người ta phải tốn nhiều
tiền cho việc trang bị các thiết bị phần cứng. Ngày nay, nhờ vào sự tiến bộ của
vi xử lý, giá thành của máy tính càng lúc càng phù hợp với túi tiền của người sử
dụng trong khi các kỹ thuật ứng dụng đồ họa của nó ngày càng cao hơn nên có
nhiều người quan tâm nghiên cứu đến lĩnh vực này.
Đồ họa máy tính là một lĩnh vực của công nghệ thông tin mà ở đó, việc
nghiên cứu, xây dựng và tập hợp các công cụ (mô hình lý thuyết, phần mềm )
khác nhau nhằm kiến tạo, xây dựng, lưu trữ và xử lý các mô hình (models) và
hình ảnh (images) của sự vật-hiện tượng trong cuộc sống, trong sản xuất và
trong nghiên cứu. Các mô hình và hình ảnh này có thể là các kết quả thu được từ
những lĩnh vực khác nhau của rất nhiều ngành khoa học (chẳng hạn như vật lý,
toán học, thiên văn học, sinh học, phỏng sinh học, y học, v.v ) và nhiều thể loại
phong phú như cấu trúc phân tử, cấu trúc sinh học, mô hình vũ trụ v.v
Ngày nay, việc sử dụng đồ họa máy tính đã thâm nhập vào rất nhiều lĩnh
vực như trong biểu diễn thông tin, in ấn xuất bản, trong thiết kế kỹ thuật, thiết kế
kiến trúc, mô phỏng thế giới thực (thực tại ảo-Virtual reality), thiết kế giao diện
máy-người sử dụng v.v và ngày càng chứng tỏ sự quan trọng không thể thiếu
được khi các máy móc thiết bị công nghệ phục vụ cho các lĩnh vực nói trên đang
dần chuyển sang sử sụng công nghệ kỹ thuật số và hiện nay thậm chí còn trở
thành nghệ thuật số (Digital art).
Ở nhóm ứng dụng đồ họa 2 chiều cung cấp các khả năng thể hiện các biểu
đồ, đồ thị (hình ảnh 2 chiều); còn ở nhóm ứng dụng đồ họa ba chiều và ảnh
động cung cấp các khả năng thể hiện các hình ảnh, mô hình trong không gian ba

KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ HÌNH ẢNH

1.1. Khái quát về đồ họa 3D
1.1.1. Lịch 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.
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) [4].
- 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4
Standard) xác định các phương pháp chuẩn cho các mô hình thời gian thực và

m

Hình 1.2. Kỹ thuật đồ họa 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 [4].
1.1.2.2. Kỹ thuật đồ họa Vector Hình 1.3. Mô hình đồ họa vector
Mô hình đồ họa
Các tham số tô trát
Tô trát
Thiết bị ra
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6
- 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
- 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 +

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. Hình 1.4 Các thành phần cứng của hệ đồ hoạ tƣơng tác
1.1.3.2. 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 perinch)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
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

1.1.3.3. Màn hình (monitor-display)


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9
trên màn hiện hình. Có ba súng điện tử ứng với ba màu cơ bản là Đỏ, Lục và
Xanh Lam (Red. Green, Blue). Thường có hai kiểu bố trí súng điện tử: tam giác
và hàng ngang.
Đối diện với súng, ở cuối đường đi của chùm tia điện tử là màn hiển thị
hình. Đó là một màn thủy tinh hình chữ nhật, mặt trong có quét một lớp bột
Photpho còn gọi là bột huỳnh quang. Ở màn hình đơn sắc, lớp photpho có một
loại nên khi chùm tia điện tử đập vào chỉ phát sáng một màu. Đối với màn hình
màu, mặt trong màn hiển thị hình gồm nhiều bộ ba điểm màu, ba chấm photpho
khác loại nên sẽ phát sáng theo ba màu khác nhau: Đỏ, Lục và Xanh lam. Khi
thay đổi cường độ sáng của ba màu cơ bản này sẽ làm màu tổ hợp của bộ ba
điểm màu này thay đổi theo.
Ta cũng cần chú ý rằng, màn hình hiển thị là một tấm thuỷ tinh có quét lớp
huỳnh quang (Photpho) bên trong nên có phản xạ các nguồn sáng bên ngoài
giống như gương soi, sẽ gây mỏi mắt nếu ta nhìn lâu.
Phần tử nhỏ nhất của một hình được hiển thị là pixel hay còn gọi là điểm
ảnh. Ở độ nét tốt nhất, điểm ảnh trên màn hình màu là một bộ ba điểm màu
photpho, mỗi điểm màu trong bộ ba này sẽ phát ra một màu khác nhau khi có tia
điện tử đập vào. Ở độ nét thấp,
một điểm ảnh có thể gồm vài ba
điểm ảnh. Độ hội tụ (convergence)
được dùng đánh giá độ nét màn
hình, độ hội tụ kém có thể nhận
biết được khi các hình ảnh trên
màn hình có đường viền nhiều
màu sắc bao quanh.
Mặt nạ che đã giúp các chùm tia điện tử hội tụ đúng chỗ. Ngoài ra còn có

màn hiển thị hình có thể biểu
hiện được các chi tiết của hình
ảnh. Thông thường độ phân
giải được biểu hiện bằng số
lượng các điểm ảnh, ví dụ: “độ
phân giải "800x600” có nghĩa
là màn hình có thể hiển thị được 800 điểm ảnh trên chiều ngang và 600 điểm
ảnh theo chiều dọc.
Hình 1.7. Dòng quét trong thiết bị Raster
các điểm ảnh
theo chiều dọc
dòng quét
các điểm ảnh theo chiều ngang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11
Đối với màn hình CRT hoạt động ở độ phân giải cao nhất thì điểm ảnh là
một cụm ba điểm photpho màu cơ bản. Súng điện tử sẽ bắn tia điện tử vào đúng
một điểm photpho thích hợp của nó, làm phát sáng cụm ba này với độ sáng nào
đấy, tạo nên một điểm ảnh có màu chính xác. Một đại lượng đo khác rất quan
trọng đối với sắc nét của màn hình là bước chấm (dot pitch). Bước chấm là
khoảng cách giữa các điểm ảnh tính theo milimét. Thông thường các bước chấm
của các màn hình CRT là 0,19mm; 0,28mm; 1,31mm. Bước chấm càng nhỏ thì
các điểm ảnh càng sít nhau và độ nét của hình càng cao. Như vậy ba yếu tố quan
trọng quyết định độ sắc nét của hình ảnh là: kích thước màn hình, độ phân giải
và bước chấm.
1.1.3.4. Bảng tra màu LUT (Look Up Table)
Bộ điều khiển video của hệ hiển thị raster thường kèm theo bảng tra màu
(LUT). Bảng tra màu có nhiều cổng vào tương ứng với nhiều điểm ảnh. Mỗi giá
trị của điểm ảnh không dùng để điểu khiển trực tiếp các tia điện tử mà chỉ số

33
Bảng tra màu
100110100001

33
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
Hình 1.8 biểu diển tổ chức của bảng tra màu. Điểm ảnh có giá trị 33 (giá trị
nhị phân là 100110100001) được biểu diễn trên màn hình với tia hiện màu Đỏ
bằng 9/15 giá trị lớn nhất, màu Lục bằng 10/15 giá trị lớn nhất, màu Xanh da
trời 1/15 giá trị lớn nhất. Bảng tra màu này có 12 bit.
Bảng tra màu chỉ có ý nghĩa đối với chế độ đồ họa 256 màu vì thanh ghi tối
đa của bảng tra màu là 256. Ảnh lớn hơn 256 thì màu thì giá trị màu của điểm
ảnh được ánh xạ trực tiếp không thông qua bảng tra.
Về màu sắc và độ tương phản, khi nhìn một vật, ta thấy nó sáng hơn vật
khác là do nó phản xạ ánh sáng mạnh hơn vật khác hay cường độ ánh sáng phản
xạ trên bề mặt của nó là lớn hơn.
Ở mức mã hóa một màu là 8 bits, mức độ sáng của một thành phần màu
trong máy tính có giá trị trong khoảng từ 0 đến 255 (2
8
= 256). Mỗi màu trong
máy tính là tổ hợp của 3 thành phần Red, Green, Blue, Mỗi thành phần có giá trị
trong khoảng từ 0 đến 255.
Ví dụ : Màu Red tuyệt đối thì có tổ hợp (255,0,0), màu Green tuyệt đối là
(0,255,0), màu Blue tuyệt đối là (0,0,255) và màu trắng là (255,255,255). Như
vậy độ sáng thực tế được mô phỏng trong máy tính như sau: mỗi một màu có tổ
hợp (I
R
,I

B
) trong đó cường độ ánh sáng cực đại được quy chuẩn về đơn vị
tương đối là 1.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13
Màu Red chuẩn thì tổ hợp nguồn có cường độ tương đối là:
(IP
R
,IP
G
,IP
B
) = (1,0,0)
Màu Blue chuẩn : (IP
R
,IP
G
,IP
B
) = (0,0,1)
Màu Green chuẩn : (IP
R
,IP
G
,IP
B
) = (0,1,0)
và với màu Trắng thì : (IP
R

Các máy trạm tăng lên, các máy tính cá nhân được kết nối với nhau cho
phép chuyển đổi dữ liệu, chương trình và chia sẻ các thiết bị ngoại vi qua mạng,
như trong hình 1.10.
Một trạm làm việc đơn không phải lúc nào cũng phù hợp với tất các công
việc của CAD. Người sử dụng có thể muốn làm việc trên máy tính lớn cho các
việc phân tích tính toán các bài toán lớn và biểu diễn kết quả tại máy trạm. Như
vậy, mạng có thể có các máy tính lớn cung cấp tài nguyên lưu trữ và khả năng
tính toán cho các máy qua trạm khác. Để đáp ứng cho công việc này, mô hình
máy trạm - máy chủ (client-server) được phát triển trong đó tiến trình máy chủ
(server process) cung cấp một vài dịch vụ cho các tiến trình máy trạm riêng
(client process). Chẳng hạn trong đồ hoạ máy tính, một tiến trình máy chủ có thể
biểu diễn ảnh và xử lý các tương tác thay cho máy trạm. Máy trạm và máy chủ
có thể là hai tiến trình thực hiện trên cùng một trạm làm việc hoặc thực hiện trên
các máy tính khác nhau trong cùng một mạng. Tiến trình máy chủ nhận được
các thông báo hoặc yêu cầu (request) từ các tiến trình máy trạm qua mạng, sau
đó gửi lại các thông báo mô tả sự kiện hoặc kết quả (events 0, chẳng hạn, là kết
quả từ tương tác người sử dụng tới máy trạm).
Hình 1.10. Nối kết mạng cục bộ
(LAN)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15
Một khối lượng thông tin rất lớn được gửi đi qua mạng và khó khăn ở đây
là làm sao đồng bộ hoá giữa biểu diễn và tương tác người sử dụng theo thời gian
thực (real-time). Đây cũng là yêu cầu cho một phương thức làm việc chuẩn
trong các ứng dụng của một hệ thống thông tin có nhiều trạm làm việc.
Trong tương lai các trạm làm việc sẽ được phát triển để tăng khả năng xử lý
và hiển thị. Như vậy các hàm đồ thị có thể thực hiện với thời gian thực ngay cả
với những mô hình phức tạp. Một hướng phát triển khác là tăng độ phân giải của
màn hình để giải quyết những hạn chế của các thiết bị hiển thị hiện tại với kỹ

diễn đối tượng 3D [4]:
- 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
1.2.4. Tái tạo cấu trúc ba chiều từ các hình chiếu
Trong bộ môn vẽ kỹ thuật chúng ta biết rằng có thể tái tạo cấu trúc ba
chiều của các vật thể nếu chúng ta biết một số hình chiếu của vật thể đó. Các
chi tiết cơ khí hoặc xây dựng nói chung đều có thể được tái tạo nếu chúng ta
có ba hình chiếu: trước, sau và ngang và một số mặt cắt phụ.
Tuy nhiên với một số cấu trúc như mô thì như vậy là chưa đủ vì ngoài
hình dạng chúng ta cần biết các thông tin trong cấu trúc của mô để phục vụ cho
chuẩn đoán. Ngoài ra các mô thường nằm bên trong cơ thể. Khi đó chúng ta
cần thực hiện các biện pháp lấy mẫu.
Quá trình lấy mẫu thông thường là dùng các thiết bị để thu thông tin bên
trong v ật thể dưới dạng các lát cắt 2D. Các tập ảnh 2D gồm một số dạng: các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17
ảnh cắt lớp song song (parallel, serial, translation), các ảnh cắt lớp xuyên tâm
(oscillation, rotation), các ảnh cắt lớp tự do (freehand). Ảnh cắt lớp song song
thường do các hệ thống máy CT, MRI, siêu âm…tạo ra, đây cũng là dạng
thường gặp nhất. Ảnh cắt lớp xuyên tâm thường do máy siêu âm tạo ra. Ảnh
cắt lớp theo kiểu tự do thường gặp ở các hệ thống siêu âm. Các ảnh 2D trong
tái tạo ảnh nổi là một dạng khác, đây là các hình chiếu thu được từ các cảm


19
Chƣơng 2
KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU

2.1. Biểu diễn bề mặt (surface rendering – SR)
Mắt người có thể hình dung ra vật thể nếu chúng ta biểu diễn được một
số mặt của vật thể đó. Có nhiều kĩ thuật SR tuy nhiên phổ biến nhất trong ảnh y
tế là phương pháp isosurface.
Trong kỹ thuật này chúng ta tạo những bề mặt đi qua các điểm có cùng
giá trị vô hướng, những giá trị này trong tiếng Anh isosurface value . Điều này
rất có ý nghĩa đối với ảnh y tế vì các ảnh y tế thường là các ảnh đa mức xám.
Trên các ảnh cắt lớp các mô cùng loại được thể hiện với cùng một độ xám
(gray level). Dùng kĩ thuật này chúng ta có thể tái tạo lại bề mặt của các mô.
Ví dụ chúng ta có thể tái tạo hình ảnh của xương sọ hay hình ảnh các mạch
máu não từ các ảnh cắt lớp đầu. Các isosurface thường được tô cùng một
màu để dễ theo dõi.
Có nhiều thuật toán khác nhau để tạo bề mặt từ các điểm dữ liệu rời rạc.
Trong đó chia ra làm hai loại là tạo bề mặt từ các đ ường viền và tạo bề mặt từ
dữ liệu khối[23].

Hình 2.1 Hình ảnh 3D đƣợc biểu diễn theo phƣơng pháp SR
- Tạo bề mặt từ các đƣờng viền (contour based data):
Để tạo bề mặt từ các đường viền cần hai bước: trích biên và tái tạo bề mặt.
+ Trích biên: Dùng các thuật toán trích biên để tạo các đường biên trên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên