Kỹ thuật tạo hình ảnh bằng máy tính

Kỹ thuật tạo hình ảnh bằng máy tính (tiếng Anh: computer-generated imagery) (viết tắt là CGI) (đọc là /siːʤiːˈʌɪ/) là công nghệ đồ họa máy tính dùng để tạo hoặc chỉnh sửa hình ảnh trong nghệ thuật, truyền thông in ấn, trò chơi điện tử, phim ảnh, chương trình truyền hình, quảng cáo trên truyền hình và công nghệ mô phỏng. Các hình ảnh này có thể là động hoặc tĩnh và có thể là hai chiều (2D), mặc dù thuật ngữ 'CGI' thường chỉ các đồ họa máy tính 3D dùng để tạo cảnh và hiệu ứng đặc biệt trong phim và truyền hình. Công nghệ này cũng có thể được sử dụng bởi người dùng cá nhân và chỉnh sửa qua các phần mềm như Windows Movie Maker hay iMovie.

Thuật ngữ hoạt hình máy tính (Computer animation) dùng để chỉ các sản phẩm CGI động như phim ảnh. Trong khi đó, thuật ngữ thế giới ảo (virtual world) ám chỉ các môi trường tương tác được xây dựng trên công nghệ này.

Các phần mềm đồ họa máy tính được sử dụng để tạo hình ảnh mô phỏng cho phim và các ứng dụng khác. Sự phát triển của phần mềm CGI và máy tính với tốc độ ngày càng cao cho phép nghệ sĩ cá nhân và các công ty nhỏ có thể sản xuất phim chuyên nghiệp, trò chơi điện tử, và các sản phẩm nghệ thuật từ máy tính cá nhân. Điều này đã dẫn đến sự phát triển của văn hóa Internet với các nhân vật nổi tiếng toàn cầu, các câu nói và thuật ngữ kỹ thuật riêng.

Hình ảnh tĩnh và cảnh quan

Công nghệ mô phỏng hình ảnh máy tính không chỉ tạo ra hình ảnh hoạt hình mà còn sản xuất các bức tranh phong cảnh rất chân thực, chẳng hạn như các phong cảnh phân dạng qua thuật toán máy tính. Một phương pháp đơn giản là dùng phiên bản mở rộng của lưới ba cạnh, dựa trên các đường cong de Rham, ví dụ như đổi chỗ trung điểm. Thuật toán có thể bắt đầu với một tam giác lớn, chia nó thành bốn tam giác Sierpinski nhỏ hơn qua hàm đệ quy, và nội suy độ cao dựa vào điểm gần nhất. Tạo bề mặt Brownian không chỉ bằng cách thêm nhiễu loạn khi tạo điểm mới, mà còn qua các nhiễu loạn phụ ở nhiều cấp độ trong mạng lưới. Các thuật toán phân dạng như phân dạng plasma và phân dạng đứt đoạn giúp tạo bản đồ địa hình với nhiều độ cao thay đổi.

Nhiều kỹ thuật khác nhau đã được phát triển để tạo ra các hiệu ứng mô phỏng máy tính tinh vi, chẳng hạn như việc sử dụng các mẫu riêng biệt để mô phỏng sự xói mòn hóa học của đá, nhằm tạo ra vẻ ngoài 'cũ kỹ' cho bề mặt đá.

Các cảnh kiến trúc

Kiến trúc sư hiện đại sử dụng các dịch vụ đồ họa máy tính để tạo ra các mẫu thiết kế ba chiều cho cả khách hàng và thợ xây. Các mẫu thiết kế mô phỏng máy tính có thể chính xác hơn so với các bản vẽ truyền thống. Hoạt hình kiến trúc, cung cấp các đoạn phim về các tòa nhà thay vì chỉ hình ảnh tĩnh, có thể giúp quan sát mối quan hệ giữa tòa nhà với môi trường xung quanh. Việc sử dụng máy tính trong thiết kế kiến trúc đã trở nên phổ biến, thay thế cho phương pháp vẽ truyền thống.

Các công cụ mô phỏng kiến trúc cho phép kiến trúc sư trực quan hóa không gian và 'đi trong' không gian đó với mức độ tương tác cao. Chúng cung cấp các 'môi trường tương tác' cho cả đô thị và các tòa nhà riêng lẻ, bao gồm không chỉ các chi tiết cấu trúc như tường và cửa sổ mà còn các hiệu ứng ánh sáng, cho thấy cách ánh nắng mặt trời tác động đến thiết kế qua các thời điểm trong ngày.

Ngày nay, nhiều công cụ mô phỏng kiến trúc ngày càng dựa vào Internet. Tuy nhiên, chất lượng của các hệ thống dựa trên Internet vẫn chưa đạt được mức độ của các hệ thống mô phỏng nội bộ phức tạp.

Trong một số ứng dụng, hình ảnh mô phỏng máy tính được sử dụng để tái tạo các công trình kiến trúc lịch sử. Ví dụ, một mô hình 3D của tu viện Georgenthal ở Đức, dựa trên các di tích còn lại, cho phép người xem trải nghiệm hình ảnh của tu viện như nó đã từng có trong quá khứ.

Thiết kế kết cấu

Các mẫu thiết kế mô phỏng bằng máy tính dùng trong hoạt hình phác thảo thường không đạt độ chính xác cao về kết cấu. Tuy nhiên, các tổ chức như Viện Điện Toán Khoa Học và Hình Ảnh đã phát triển các mẫu có độ chính xác cao về mặt kết cấu. Các mẫu kết cấu mô phỏng máy tính có thể được sử dụng cho mục đích giảng dạy và thực hành. Hiện tại, các hình ảnh y học do các họa sĩ như Frank Netter tạo ra vẫn được sinh viên y khoa sử dụng, như các bức tranh về tim. Tuy nhiên, ngày càng có nhiều mẫu kết cấu trực tuyến có sẵn.

Một bức ảnh X-quang của bệnh nhân không phải là hình ảnh mô phỏng máy tính, dù các tia X có thể được số hóa. Trong các ứng dụng như quét CT, một mô hình ba chiều tự động được tạo ra từ nhiều tia X siêu mỏng, hình thành một 'ảnh mô phỏng máy tính'. Các ảnh cộng hưởng từ cũng cung cấp các 'ảnh chụp nhanh' qua các xung điện từ, tạo ra hình ảnh chi tiết về kết cấu bên trong.

Trong y học hiện đại, các mô hình chi tiết của bệnh nhân được xây dựng cho các 'cuộc phẫu thuật hỗ trợ máy tính'. Ví dụ, trong phẫu thuật thay thế đầu gối, mô hình chi tiết của bệnh nhân giúp lập kế hoạch phẫu thuật chính xác hơn. Những mô hình ba chiều này thường được tạo từ các ảnh quét cộng hưởng từ của các bộ phận cơ thể bệnh nhân. Những mô hình này cũng hỗ trợ các ca cấy ghép van động mạch chủ, giúp điều trị các vấn đề về tim. Việc trích xuất mẫu mô phỏng từ các bản quét CT có thể cung cấp hình ảnh chính xác của van tim, hỗ trợ trong việc lập kế hoạch điều trị.

Simulasi hình ảnh vải và da

Các mẫu mô phỏng vải thường được phân loại thành ba nhóm: cấu trúc hình học của các đường chỉ cắt nhau, cấu trúc cơ học của các tấm vải có tính đàn hồi xếp chồng, và các đặc tính hình học vĩ mô của vải. Việc tạo ra vải và quần áo cho nhân vật kỹ thuật số, đặc biệt là khả năng tạo nếp gấp tự nhiên, vẫn là một thách thức lớn đối với nhiều họa sĩ hoạt hình.

Bên cạnh việc ứng dụng trong phim, quảng cáo và truyền thông đại chúng, các hình ảnh vải và quần áo được mô phỏng bằng máy tính hiện được nhiều hãng thiết kế thời trang hàng đầu sử dụng một cách thường xuyên.

Thách thức trong việc tái tạo hình ảnh da người bao gồm ba mức độ 'thực tế' khác nhau: sự chân thực của hình ảnh da trong trạng thái tĩnh, tính chất sinh lý của các chuyển động của da, và khả năng phản ứng của da trước các tác động bên ngoài.

Mô phỏng và trực quan hoá tương tác

Trực quan hoá tương tác là thuật ngữ chỉ việc tái tạo dữ liệu có khả năng thay đổi và cho phép người dùng xem từ nhiều góc độ khác nhau. Kỹ thuật này có ứng dụng rộng rãi, từ mô phỏng chuyển động của chất lỏng đến các thiết kế hỗ trợ máy tính. Dữ liệu được tạo ra có thể giống như các hình ảnh thực tế và thay đổi theo tương tác của người dùng, như hệ thống mô phỏng bay sử dụng công nghệ CGI để tái hiện thế giới bên ngoài.

Trên mức độ trừu tượng, trực quan hoá tương tác bao gồm một 'đường ống dữ liệu' nơi dữ liệu thô được xử lý và chuyển đổi thành định dạng phù hợp để biểu diễn. Đây gọi là 'dữ liệu trực quan'. Những dữ liệu này sau đó được sắp xếp thành một 'hình biểu diễn trực quan' để đưa vào hệ thống mô phỏng, thường gọi là 'hình biểu diễn có thể mô phỏng'. Hình ảnh cuối cùng được xử lý và trình chiếu cho người xem. Khi người dùng tương tác, chẳng hạn như điều khiển vị trí trong thế giới ảo, dữ liệu thô được xử lý để tạo ra hình ảnh mới, làm cho hiệu suất xử lý thời gian thực trở nên quan trọng.

Hoạt hình máy tính

Mặc dù các hình ảnh phong cảnh mô phỏng máy tính có thể ở dạng tĩnh, thuật ngữ hoạt hình máy tính chỉ những hình ảnh động ghép lại thành bộ phim hoàn chỉnh. Thông thường, hoạt hình máy tính ám chỉ các hình ảnh động không cho phép tương tác, trong khi thế giới ảo đề cập đến các môi trường hoạt hình có tính tương tác cao.

Hoạt hình máy tính là sự kế thừa kỹ thuật số của nghệ thuật hoạt hình stop motion với mô hình 3D và hoạt hình frame-by-frame của hình vẽ 2D. Với hoạt hình máy tính, việc kiểm soát các quá trình sản xuất trở nên dễ dàng hơn, như tạo các mô hình nhỏ cho hiệu ứng hay thay thế diễn viên trong các cảnh đông người, và cho phép tạo ra những hình ảnh mà công nghệ khác không thể thực hiện. Nó cũng giúp một họa sĩ đồ hoạ có thể sản xuất nội dung mà không cần đến diễn viên hay đạo cụ đắt tiền.

Để tạo ảo giác chuyển động, một hình ảnh sẽ được liên tục thay thế bằng một hình ảnh mới trên màn hình, với các thay đổi nhỏ qua từng chu trình thời gian (thường từ 24 đến 30 khung hình/giây). Kỹ thuật này tương tự như cách tạo ảo giác chuyển động trong truyền hình hoặc phim ảnh.

Thế giới ảo

Thế giới ảo là một không gian mô phỏng cho phép người dùng tương tác với các nhân vật hoạt hình hoặc giao tiếp với người dùng khác thông qua các hình đại diện. Những môi trường này được thiết kế để người dùng có thể sinh hoạt và tương tác, và hiện nay, thuật ngữ này chủ yếu chỉ các môi trường ảo 3D với tính tương tác cao, nơi các hình đại diện có thể nhìn thấy nhau một cách trực quan. Các hình đại diện thường được mô phỏng giống như người thật hoặc dưới dạng hình ảnh 2D/3D, mặc dù ngày nay cũng có các hình thức khác như giao tiếp qua âm thanh, hình ảnh hoặc cảm ứng. Một số thế giới ảo hỗ trợ nhiều người dùng đồng thời.

• Thiết kế mô hình 3D
• Cơ sở dữ liệu hoạt hình
• Hình ảnh kỹ thuật số
• Render song song
• Ray tracing (đồ họa)
• Shader
• Nhân vật ảo
• Nhân vật sinh lý ảo
• Maya, 3ds Max, Cinema4D, E-on Vue, Poser, và Blender là những phần mềm phổ biến cho thiết kế mô hình 3D và tạo sản phẩm CGI - xem thêm danh sách các phần mềm đồ họa máy tính 3D.
• Photoshop là công cụ chỉnh sửa ảnh kỹ thuật số tiêu chuẩn trong ngành.

Liên kết ngoài

• Lịch sử quan trọng của Đồ họa Máy tính và Hoạt hình Lưu trữ 2006-09-01 tại Wayback Machine – Trang chuyên đề của Đại học Ohio State University với tất cả các tài liệu và tài liệu bổ sung (phim, bài viết và liên kết).
• Pixar và Disney's Câu chuyện đồ chơi Lưu trữ 2005-10-31 tại Wayback Machine
• CG101: Tham khảo Ngành Đồ họa Máy tính ISBN# 073570046X Những câu chuyện cá nhân và độc đáo về sản xuất đồ họa máy tính sớm, cùng với nền tảng toàn diện về ngành.
• F/X Gods, của Anne Thompson, Wired, tháng 2/2005.
• 'Lịch sử được làm mới bằng Đồ họa Máy tính' Tayfun King, Click, BBC World News (2004-11-19)
• NIH Visible Human Gallery
• Trình tạo hình ảnh trừu tượng (Nghệ thuật trí tuệ nhân tạo)