Đồ họa máy tính là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Đồ họa máy tính là ngành khoa học kỹ thuật nghiên cứu và phát triển phương pháp tạo dựng, xử lý, hiển thị hình ảnh số trên máy tính, tích hợp toán học, vật lý và công nghệ. Ngành này bao gồm từ vẽ vector và xử lý ảnh đến mô hình hóa 3D, kết xuất (rendering), thực tế ảo/tăng cường (VR/AR) và ứng dụng trong thiết kế, mô phỏng khoa học, y sinh.

Định nghĩa đồ họa máy tính

Đồ họa máy tính (computer graphics) là ngành khoa học và kỹ thuật nghiên cứu việc tạo ra, xử lý và hiển thị hình ảnh số trên máy tính. Đồ họa máy tính kết hợp kiến thức toán học (đại số tuyến tính, hình học tính toán), vật lý (quang học, quang điện tử) và công nghệ phần mềm – phần cứng để mô phỏng thế giới thực hoặc tạo hình ảnh hoàn toàn ảo.

Phạm vi đồ họa máy tính trải dài từ việc vẽ vector đơn giản, xử lý ảnh (image processing), mô hình hóa 3D, render (kết xuất) đến các ứng dụng tiên tiến như thực tế ảo (VR), tăng cường thực tế (AR) và hình ảnh y sinh. Các tiêu chuẩn và sự kiện hàng đầu như SIGGRAPH định hướng xu hướng nghiên cứu và ứng dụng đồ họa toàn cầu.

Đồ họa máy tính không chỉ phục vụ giải trí (phim hoạt hình, trò chơi điện tử) mà còn đóng vai trò quan trọng trong thiết kế công nghiệp, kiến trúc, mô phỏng khoa học, y khoa và giao diện người-máy (HCI). Chất lượng và hiệu suất đồ họa ngày càng đóng vai trò quyết định trong trải nghiệm người dùng và hiệu quả công việc chuyên môn.

Lịch sử và phát triển

Giai đoạn sơ khai của đồ họa máy tính bắt đầu thập niên 1960 với hệ Sketchpad do Ivan Sutherland phát triển tại MIT, cho phép vẽ và tương tác trực tiếp với hình ảnh vector trên màn hình. Sketchpad mở ra kỷ nguyên “vẽ kỹ thuật số” thay thế hoàn toàn bản vẽ tay.

Trong thập niên 1970–1980, đồ họa raster (bitmap) trở nên phổ biến khi các màn hình raster scan và các thư viện như GL (tiền thân OpenGL) hỗ trợ vẽ từng pixel. Việc ra đời API OpenGL (1992) và DirectX (1995) đánh dấu bước ngoặt cho đồ họa thời gian thực, cho phép khai thác phần cứng GPU.

  • 1963: Sketchpad – vẽ vector tương tác.
  • 1975: Phát triển đồ họa raster và frame buffer.
  • 1992: OpenGL 1.0 ra mắt, tiêu chuẩn mở của Khronos Group.
  • 2006: GPU song song với NVIDIA CUDA, thúc đẩy tính toán đồ họa đa nhiệm.

Từ 2010 trở đi, ray tracing thời gian thực và xử lý đồ họa bằng AI (DLSS, FSR) đã nâng chất lượng hình ảnh lên tầm mới, rút ngắn khoảng cách giữa hình ảnh mô phỏng và thực tế.

Mô hình hóa hình học (Geometry Modeling)

Mô hình hóa hình học là bước đầu tạo ra “khung xương” cho đối tượng 2D hoặc 3D. Các phương pháp phổ biến gồm mô hình lưới đa giác (polygon mesh), bề mặt NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline) và H-surfaces. Mỗi phương pháp có ưu – nhược điểm về độ mịn, khả năng chỉnh sửa và hiệu suất tính toán.

Đa giác (polygon mesh) gồm các tam giác hoặc tứ giác nối nhau thành bề mặt. NURBS sử dụng đường cong bậc cao, cho phép mô hình hóa các bề mặt cong phức tạp chính xác hơn. H-surfaces áp dụng kỹ thuật subdivision, chia nhỏ mặt đa giác để tạo bề mặt mịn màng.

  • Polygon Mesh: dễ triển khai, tương thích tốt với GPU.
  • NURBS: độ chính xác cao, phù hợp CAD/CAM.
  • Subdivision Surface: tạo bề mặt mịn, thuận tiện cho nhân vật hoạt hình.
Phương phápƯu điểmNhược điểm
Polygon MeshHiệu suất cao, đơn giảnĐộ mịn hạn chế
NURBSĐộ chính xác cong tốtTính toán phức tạp
SubdivisionBề mặt mịn tự nhiênTăng polygon count

Mô hình hóa không gian cũng bao gồm việc áp dụng các phép biến đổi hình học bằng ma trận 4×4:

(xyz1)=(r11r12r13txr21r22r23tyr31r32r33tz0001)(xyz1) \begin{pmatrix}x'\\y'\\z'\\1\end{pmatrix}= \begin{pmatrix} r_{11}&r_{12}&r_{13}&t_x\\ r_{21}&r_{22}&r_{23}&t_y\\ r_{31}&r_{32}&r_{33}&t_z\\ 0&0&0&1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix}x\\y\\z\\1\end{pmatrix}

Đường ống đồ họa (Graphics Pipeline)

Đường ống đồ họa mô tả chuỗi các bước xử lý từ dữ liệu hình học đến hình ảnh xuất ra màn hình. Pipeline cơ bản gồm các giai đoạn: xử lý đỉnh (vertex processing), clipping & projection, rasterization và xử lý mảnh (fragment processing).

  • Vertex Processing: biến đổi (transform), chiếu sáng (lighting), tính toán normal và texture coordinates.
  • Clipping & Projection: loại bỏ vertex ngoài view frustum, chiếu không gian 3D xuống 2D.
  • Rasterization: chuyển primitives (tam giác) thành các pixel (fragments).
  • Fragment Processing: tính màu, áp dụng texture, blending và viết vào framebuffer.
Giai đoạnChức năngĐầu ra
VertexTransform & lightingTransformed vertices
Clipping/ProjectionLoại bỏ & chiếuClipped primitives
RasterizationScan convertFragments
FragmentShading & blendingPixel colors

Đường ống đồ họa có thể được tùy biến qua shader (vertex shader, fragment shader, compute shader) trên GPU, cho phép lập trình trực tiếp các giai đoạn để đạt hiệu ứng đặc biệt và tối ưu hóa hiệu suất.

Tô bóng và chiếu sáng (Shading & Lighting)

Tô bóng (shading) và chiếu sáng (lighting) là hai thành phần cốt lõi quyết định độ chân thực của hình ảnh 3D. Mô hình Phong phản ánh cường độ ánh sáng tới bề mặt qua ba thành phần: ambient (IA), diffuse (ID) và specular (IS), với công thức:

I=kaIA+kd(LN)IL+ks(RV)αIL I = k_a I_A + k_d (L \cdot N) I_L + k_s (R \cdot V)^{\alpha} I_L

Trong đó ka, kd, ks lần lượt là hệ số ambient, diffuse và specular; L, N, R, V là vector ánh sáng, pháp tuyến, phản xạ và hướng quan sát; α là độ bóng (shininess).

Physically Based Rendering (PBR) dựa trên các định luật vật lý ánh sáng và vật liệu: năng lượng được bảo toàn, phản xạ tán xạ tuân theo hàm phân bố BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function). Công nghệ PBR ngày càng thịnh hành trong game và phim vì cho kết quả chân thực hơn (Khronos Group).

Kỹ thuật hiển thị (Raster vs Vector)

Đồ họa raster (bitmap) mô tả hình ảnh dưới dạng ma trận pixel, tối ưu cho hiển thị ảnh thực và xử lý ảnh số. Độ phân giải cố định khiến việc phóng to có thể dẫn đến vỡ hạt (pixelation), nhưng hỗ trợ hiệu ứng phức tạp như anti–aliasing và post–processing.

Đồ họa vector lưu trữ hình ảnh dưới dạng các đối tượng hình học (đường thẳng, đường cong Bézier), cho phép phóng to mà không mất độ nét. Vector phù hợp cho thiết kế logo, bản đồ và giao diện người–máy, tuy nhiên không thể tái hiện chi tiết ảnh thực như raster.

Đặc tínhRasterVector
Phóng toVỡ hạtKhông mất nét
Kích thước fileLớn với độ phân giải caoNhỏ với đối tượng đơn giản
Ứng dụngẢnh, textureBiểu đồ, bản đồ

Đồ họa tương tác và GPU

GPU (Graphics Processing Unit) là bộ xử lý song song chuyên dụng cho đồ họa và tính toán số học nặng. Kiến trúc SIMD (Single Instruction, Multiple Data) cho phép xử lý hàng nghìn thread đồng thời, tối ưu cho pipeline đồ họa.

API như OpenGL, Vulkan, DirectX và Metal cung cấp giao diện lập trình để tận dụng sức mạnh GPU. Shader (vertex, fragment, compute) cho phép lập trình từng giai đoạn của pipeline, tạo hiệu ứng tùy chỉnh và xử lý tính toán ngoài màn hình.

  • Vertex Shader: biến đổi và chiếu sáng riêng lẻ đỉnh.
  • Fragment Shader: tô màu pixel dựa trên texture và ánh sáng.
  • Compute Shader: tính toán tổng quát, không phụ thuộc vào pipeline cố định.

Thực tế ảo và tăng cường (VR/AR)

Thực tế ảo (VR) tạo môi trường 3D toàn phần cho người dùng đeo Head-Mounted Display (HMD). Theo dõi chuyển động đầu và tay (6DoF) kết hợp đồ họa thời gian thực (>90 FPS) mang lại trải nghiệm liền mạch và giảm say sóng (motion sickness).

Tăng cường thực tế (AR) chồng lớp nội dung ảo lên hình ảnh thật thu được từ camera. Công nghệ SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) xây dựng bản đồ môi trường và theo dõi vị trí thiết bị, cho phép đặt mô hình 3D chính xác trong không gian thực (Apple ARKit).

Ứng dụng chính

Đồ họa máy tính đã xâm nhập sâu vào nhiều lĩnh vực:

  • Giải trí: phim hoạt hình, hiệu ứng hình ảnh (VFX), game AAA.
  • Thiết kế: CAD/CAM trong kiến trúc, cơ khí và công nghiệp ô tô.
  • Khoa học: mô phỏng phân tử, mô hình thời tiết, hình ảnh y sinh (medical imaging).

Ví dụ, mô phỏng lưu chuyển khí huyết trong tim và não dựa trên CFD (Computational Fluid Dynamics) kết hợp đồ họa 3D giúp bác sĩ phân tích bệnh lý và lên kế hoạch phẫu thuật (American Heart Association).

Xu hướng tương lai

Ray tracing thời gian thực đã trở thành tiêu chuẩn mới nhờ GPU RTX hỗ trợ hardware–accelerated RT cores, tạo bóng và phản xạ siêu thực. Kỹ thuật AI upscaling như DLSS (NVIDIA) và FSR (AMD) sử dụng mạng nơ-ron tăng chất lượng hình ảnh đồng thời giảm khối lượng tính toán.

Đồ họa đám mây (cloud rendering) cho phép streaming hình ảnh cao cấp từ server, giảm tải client. Kết hợp phân tán tính toán trên mạng và edge computing, người dùng có thể trải nghiệm đồ họa cao cấp trên thiết bị yếu (AWS Game Tech).

Machine learning được tích hợp vào pipeline để tự động hóa công đoạn như tạo texture, tạo animation (motion capture ảo), tối ưu mesh và phân loại cảnh. Nghiên cứu về hình ảnh siêu thực (photorealism) kết hợp vật lý ánh sáng và học sâu đang tiến đến mức khó phân biệt với ảnh chụp thật.

Tài liệu tham khảo

  1. Foley, J.D., van Dam, A., Feiner, S.K., Hughes, J.F. “Computer Graphics: Principles and Practice,” 3rd Edition, Addison‐Wesley, 2013.
  2. Khronos Group. “Vulkan® API Specification.” https://www.khronos.org/vulkan/
  3. NVIDIA. “RTX Technology.” https://developer.nvidia.com/rtx
  4. MIT Technology Review. “Real-Time Ray Tracing Explained.” Link
  5. Apple Developer. “ARKit Overview.” https://developer.apple.com/arkit/

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề đồ họa máy tính:

Đánh giá tính sinh khả dụng và dược động học thuốc in silico của các sản phẩm tự nhiên từ cây thuốc ở vùng lưu vực Congo Dịch bởi AI
In Silico Pharmacology - Tập 1 Số 1
Tóm tắt Mục đích Đánh giá chuyển hóa thuốc và dược động học (DMPK) đã trở thành một lĩnh vực quan tâm trong giai đoạn đầu của quá trình phát hiện thuốc hiện nay. Việc sử dụng mô hình hóa bằng máy tính để dự đoán các thuộc tính DMPK và độc tính của thư viện sản phẩm tự nhiên từ cây thuốc ở Trung Phi ...... hiện toàn bộ
#Dược động học #chuyển hóa thuốc #sản phẩm tự nhiên #y học cổ truyền #cây thuốc #mô hình hóa máy tính.
TÌNH HÌNH NHIỄM ẤU TRÙNG GIUN ĐŨA CHÓ TOXOCARA CANIS TRÊN BỆNH NHÂN MÀY ĐAY MẠN TÍNH
Tạp chí Y Dược học Cần Thơ - Số 73 - Trang 124-130 - 2024
Đặt vấn đề: Bệnh do giun sán đặc biệt là ấu trùng giun đũa chó Toxocara canis (ATGĐC T. canis) thường tìm thấy ở người mày đay mạn tính (Chronic spontaneous urticaria - CSU), nhưng mối liên quan giữa hai yếu tố này là vấn đề còn nhiều tranh cãi. Mục tiêu nghiên cứu: Xác định tỉ lệ và c&aacu...... hiện toàn bộ
#Bạch cầu ái toan #độ hoạt động mày đay #nồng độ IgE huyết thanh toàn phần #thời gian mày đay #Toxocara canis (T. canis)
ĐIỀU TRA HIỆN TRẠNG VÀ LẬP KẾ HOẠCH KHAI THÁC BỀN VỮNG LOÀI MÂY NƯỚC (Daemonorops poilanei) TẠI BAN QUẢN LÝ RỪNG PHÒNG HỘ NAM ĐÔNG, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ: CURRENT STATUS AND PLANNING FOR SUSTAINABLE HARVESTING OF Daemonorops poilanei RATTAN IN NAM DONG FOREST PROTECTION MANAGEMENT BOARD, THUA THIEN HUE PROVINCE
Tạp chí Khoa học và Công nghệ Nông nghiệp - Tập 3 Số 3 - Trang 1448-1457 - 2019
Nghiên cứu này đã được tiến hành nhằm xác định hiện trạng, trên cơ sở đó lập kế hoạch khai thác bền vững loài Mây nước tại ban quản lý rừng phòng hộ Nam Đông giai đoạn 2019 - 2023. Nghiên cứu đã tiến hành điều tra trên 4.757 ô tiêu chuẩn 200 m2 được bố trí theo các tuyến cách nhau 667 m. Số liệu được phân tích và tổng hợp với sự hỗ trợ của phần mềm Microsoft Excel 2010 và SPSS phiên bản 20.0 để xá...... hiện toàn bộ
#Sustainable harvesting #Daemonorops poilanei rattan #Nam Dong #Forest protection #Khai thác bền vững #Mây nước #Nam Đông #Rừng phòng hộ
So sánh Geometric Algebra và ma trận trong thuật toán quay vật thể 3D
Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng - - Trang 166-170 - 2013
Quay vật thể trong không gian 3 chiều (3D) là một trong những kỹ thuật quan trọng trong lĩnh vực đồ họa máy tính (computer graphics). Kỹ thuật quay 3D được ứng dụng rộng rãi hiện nay như trong xử lý ảnh, thiết kế vật thể 3D, hay xây dựng phim 3D… Những nghiên cứu về cách quay vật thể trước đây thường sử dụng việc nhân ma trận. Muốn quay một vật theo một trục bất kỳ trong không gian 3 chiều chúng...... hiện toàn bộ
#geometric algebra #quaternion #đồ họa máy tính #không gian 3 chiều #quay #số phức
Quy hoạch quỹ đạo cho Robot di động dựa trên thị giác máy tính
Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng - - Trang 59-63 - 2014
Bài báo giới thiệu thuật toán quy hoạch quỹ đạo cho robot di động hoạt động trong nhà dựa trên thị giác máy tính. Thuật toán được xây dựng nhằm giải quyết những vấn đề cơ bản mà robot gặp phải trong quá trình di chuyển bao gồm định hướng, định vị trí, tránh vật cản và các bài toán nhận dạng như nhận dạng điểm mốc, cửa và vật thể đích. Các thuật toán xử lý ảnh được hỗ trợ bằng các hàm từ thư viện O...... hiện toàn bộ
#OpenCV #Player/Stage #robot di động #thị giác máy tính #quy hoạch quỹ đạo
Một Giao Thức Giao Tiếp Tự Thích Ứng với Ứng Dụng Trong Máy Tính Phân Tán Hiệu Suất Cao Đồng Đẳng Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - - 2010
Một giao thức giao tiếp tự thích ứng được đề xuất cho máy tính phân tán đồng đẳng. Giao thức này có thể tự động cấu hình theo đặc điểm của ứng dụng và sự thay đổi cấu trúc bằng cách lựa chọn chế độ giao tiếp phù hợp nhất giữa các đồng đẳng. Giao thức được thiết kế để có thể sử dụng trong môi trường phi tập trung cho máy tính phân tán hiệu suất cao. Một bộ thí nghiệm tính toán đầu tiên cũng đã được...... hiện toàn bộ
#giao thức giao tiếp #giao thức tự thích ứng #vi-giao thức #máy tính hiệu suất cao #máy tính đồng đẳng #tối ưu hóa phi tuyến #vấn đề dòng chảy mạng
Hoạt động thực hành trong phòng máy tính với phần mềm Geogebra: trường hợp biểu diễn miền nghiệm của hệ bất phương trình bậc nhất hai ẩn
Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp - Tập 15 Số X - Trang - 2025
Nghiên cứu hướng đến việc thiết kế và thực nghiệm một tình huống dạy học biểu diễn miền nghiệm của hệ bất phương trình bậc nhất hai ẩn trên phần mềm GeoGebra. Tình huống dạy học cho phép (1) thực hiện ý tưởng về các hoạt động thực hành với phần mềm toán học trong Chương trình giáo dục phổ thông môn Toán 2018; (2) giúp học sinh khắc phục những trở ngại mang tính kĩ thuật khi biểu diễn miền nghiệm c...... hiện toàn bộ
#GeoGebra #hoạt động thực hành trong phòng máy tính #hệ bất phương trình bậc nhất hai ẩn #năng lực sử dụng công cụ #phương tiện học toán
Phân tích và nâng cao video của bài trình bày trên slide điện tử Dịch bởi AI
Proceedings. IEEE International Conference on Multimedia and Expo - Tập 1 - Trang 77-80 vol.1
Bài báo này trình bày một phương pháp mới để đánh chỉ mục video của các bài thuyết trình sử dụng các slide điện tử. Bằng cách xác định hình ảnh các slide trong các khung hình video, và sau đó ghép nối chuỗi video với các slide điện tử gốc, video có thể được đánh chỉ mục và tìm kiếm, và sự xuất hiện hình ảnh của các đoạn có thể được cải thiện. Trước tiên chúng tôi phát hiện "khu vực nội dung" trong...... hiện toàn bộ
#Phân đoạn hình ảnh #Phát hiện cạnh hình ảnh #Đánh chỉ mục #Phương pháp bình phương tối thiểu #Khoa học máy tính #Chuỗi video #Giám sát #Hiển thị #Máy ảnh #Truy xuất dựa trên nội dung
TMS 9918A VDP: Thiết bị mới cho việc tạo ra các hiển thị chuyển động trên máy vi tính Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 16 - Trang 388-394 - 1984
Bài báo đề cập đến quy trình tạo ra các hiển thị mượt mà và liên tục trên máy vi tính sử dụng bộ xử lý hiển thị video TMS 9918A (VDP). Bộ xử lý này có tất cả các tính năng của các VDP khác và, ngoài ra, cho phép người dùng lập trình trực tiếp chuyển động mượt mà của các hình đồ họa cụ thể (sprites) với việc chồng hình đa cấp độ. Các nguyên tắc chung để lập trình chip video này được mô tả, và một t...... hiện toàn bộ
#TMS 9918A #bộ xử lý hiển thị video #hiển thị chuyển động #lập trình đồ họa #sprites
11. Hiệu quả ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong chuyển đổi tín hiệu non-dicom và tự động hóa nhận định kết quả điện não đồ
Tạp chí Nghiên cứu Y học - Tập 171 Số 10 - Trang 95-105 - 2023
Phân tích điện não đồ gặp nhiều khó khăn đặc biệt đối với bác sĩ không phải chuyên khoa do đây là loại dữ liệu non-dicom phức tạp, chưa chuyển đổi đồng bộ trên hệ thống HIS. Nghiên cứu nhằm đánh giá kết quả ứng dụng trí tuệ nhân tạo chuyển đổi dữ liệu lên hệ thống HIS dưới dạng dicom và t...... hiện toàn bộ
#Điện não đồ #tự động hoá #trí tuệ nhân tạo #máy học #học sâu #hiệu quả #tính chính xác
Tổng số: 61   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7