計(jì)算機(jī)圖形學(xué)新

1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖形處理技術(shù)n6.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概論計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概論 n6.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用 n6.3 二維矢量繪圖與編輯二維矢量繪圖與編輯n6.4 三維真實(shí)感圖形技術(shù)三維真實(shí)感圖形技術(shù)n6.5 實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)n6.6 矢量圖格式與繪圖軟件矢量圖格式與繪圖軟件6.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概論 圖圖6-2 6-2 利用真實(shí)感圖形技術(shù)生成的的實(shí)體模型利用真實(shí)感圖形技術(shù)生成的的實(shí)體模型n6.1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的主要內(nèi)容n6.1.2 計(jì)算機(jī)圖形處理的基本內(nèi)容計(jì)算機(jī)圖形處理的基本內(nèi)容圖形處理包括的主要內(nèi)容有圖形處理包括的主要內(nèi)容有:n幾何變換，如

2、平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、透視和投幾何變換，如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、透視和投影等影等 n曲線和曲面擬合曲線和曲面擬合n建?；蛟煨徒；蛟煨?n隱線隱面消除隱線隱面消除 n陰暗處理陰暗處理 n紋理產(chǎn)生紋理產(chǎn)生 n著色著色 n6.1.3 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成與功能計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成與功能n作為一個(gè)圖形系統(tǒng)，至少應(yīng)具有計(jì)算、存儲(chǔ)、作為一個(gè)圖形系統(tǒng)，至少應(yīng)具有計(jì)算、存儲(chǔ)、輸入、輸出、人機(jī)交互等五個(gè)方面的基本功能。輸入、輸出、人機(jī)交互等五個(gè)方面的基本功能。 n計(jì)算功能計(jì)算功能 n存儲(chǔ)功能存儲(chǔ)功能 n輸入功能輸入功能 n輸出功能輸出功能 n人機(jī)交互功能人機(jī)交互功能 6.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展

3、與應(yīng)用n6.2.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展DAC-1, DAC-1, 世界上首個(gè)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)世界上首個(gè)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)的CADCAD系統(tǒng)，系統(tǒng)，19591959年由年由IBMIBM開發(fā)開發(fā)世界上第一臺(tái)光筆交互式世界上第一臺(tái)光筆交互式 圖形顯示器圖形顯示器IBM2250IBM2250圖圖6-4 6-4 早期的計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)用系統(tǒng)早期的計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)用系統(tǒng)n6.2.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域n1.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM） 圖圖6-5 6-5 用用CADCAD設(shè)計(jì)的波音（設(shè)計(jì)的波音（BOEINGBOEING）777 777 n2.圖形化的用戶接口圖形化的用戶接口

4、 n3.地形地貌和自然資源圖地形地貌和自然資源圖 n4.科學(xué)計(jì)算可視化科學(xué)計(jì)算可視化n5. 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫和藝術(shù)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫和藝術(shù) 三維動(dòng)畫電影三維動(dòng)畫電影精靈鼠小弟精靈鼠小弟 計(jì)算機(jī)創(chuàng)作的靜物風(fēng)格作品計(jì)算機(jī)創(chuàng)作的靜物風(fēng)格作品 圖圖6-7 6-7 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫與藝術(shù)創(chuàng)作計(jì)算機(jī)動(dòng)畫與藝術(shù)創(chuàng)作 6.3 二維矢量繪圖與編輯二維矢量繪圖與編輯n6.3.1 矢量圖形對(duì)象與繪圖工具矢量圖形對(duì)象與繪圖工具n1.矢量圖形對(duì)象矢量圖形對(duì)象n2.繪圖工具繪圖工具 圖圖6-8 6-8 矢量繪圖軟件提供的工具箱矢量繪圖軟件提供的工具箱 n交互式工具是矢量繪圖軟件中的一個(gè)非常重要的功交互式工具是矢量繪圖軟件中的一個(gè)非常重要的功

5、能，通過能，通過 一系列的交互工具的使用，可以創(chuàng)建出一系列的交互工具的使用，可以創(chuàng)建出令人驚嘆的效果。令人驚嘆的效果。使使 用用“調(diào)和工具調(diào)和工具”，可以將兩，可以將兩個(gè)對(duì)象通過調(diào)和平滑的組合在一個(gè)對(duì)象通過調(diào)和平滑的組合在一 起，在矢量圖形起，在矢量圖形對(duì)象之間產(chǎn)生形狀、顏色的連續(xù)變化對(duì)象之間產(chǎn)生形狀、顏色的連續(xù)變化 （圖（圖6-9a6-9a）。）。交互式變形工具可以同時(shí)對(duì)多個(gè)矢量對(duì)象進(jìn)行變交互式變形工具可以同時(shí)對(duì)多個(gè)矢量對(duì)象進(jìn)行變 形（圖形（圖6-9b6-9b）。）。(a)(a)交互式調(diào)和工具效果交互式調(diào)和工具效果(b)(b)交互式變形工具效果（注意變交互式變形工具效果（注意變形前后兩個(gè)圖形

6、的不同）形前后兩個(gè)圖形的不同）圖圖6-9 6-9 交互式工具的使用交互式工具的使用n智能繪圖工具自動(dòng)對(duì)涂鴉的線條進(jìn)行識(shí)別、判智能繪圖工具自動(dòng)對(duì)涂鴉的線條進(jìn)行識(shí)別、判斷并組織成斷并組織成 最接近的幾何形狀，如圖最接近的幾何形狀，如圖6-106-10所示。所示。圖圖6-10 6-10 智能繪圖工具能將手繪草圖智能繪圖工具能將手繪草圖 轉(zhuǎn)換成最接近的幾何形狀轉(zhuǎn)換成最接近的幾何形狀n6.3.2路徑與錨點(diǎn)路徑與錨點(diǎn)n開放路徑：路徑有兩個(gè)明顯的端點(diǎn)（錨點(diǎn)），中間開放路徑：路徑有兩個(gè)明顯的端點(diǎn)（錨點(diǎn)），中間有任意數(shù)目的定位點(diǎn)。有任意數(shù)目的定位點(diǎn)。n閉合路徑：路徑是連續(xù)的，沒有終點(diǎn)和起始點(diǎn)。閉閉合路徑：路徑是

7、連續(xù)的，沒有終點(diǎn)和起始點(diǎn)。閉合路徑對(duì)象是可以填充的，而開放路徑對(duì)象則不能合路徑對(duì)象是可以填充的，而開放路徑對(duì)象則不能填充。填充。n復(fù)合路徑：由兩個(gè)或多個(gè)開放或閉合路徑組成。復(fù)合路徑：由兩個(gè)或多個(gè)開放或閉合路徑組成。 圖圖6-11 6-11 路徑及其繪圖實(shí)例路徑及其繪圖實(shí)例n6.3.3 曲線編輯曲線編輯圖圖6-12 6-12 由兩個(gè)由兩個(gè)BazzierBazzier曲線段連接而成的曲線，曲線段連接而成的曲線，拖動(dòng)方向線可改變曲線的彎曲形狀拖動(dòng)方向線可改變曲線的彎曲形狀n6.3.4填充與漸變填充與漸變 圖圖6-13 6-13 漸變與圖案填充效果漸變與圖案填充效果 圖圖6-14 6-14 漸變網(wǎng)格應(yīng)

8、用示意圖及作品漸變網(wǎng)格應(yīng)用示意圖及作品n6.3.5 矢量字體矢量字體圖圖6-15 6-15 用矢量繪圖軟件設(shè)計(jì)的美術(shù)字體用矢量繪圖軟件設(shè)計(jì)的美術(shù)字體n6.3.6 三維造型三維造型圖圖6-16 6-16 用用Adobe Illustrator CSAdobe Illustrator CS矢量繪圖軟件設(shè)計(jì)的三維圖形矢量繪圖軟件設(shè)計(jì)的三維圖形6.4 三維真實(shí)感圖形技術(shù)三維真實(shí)感圖形技術(shù)n6.4.1 真實(shí)感圖形技術(shù)研究的內(nèi)容真實(shí)感圖形技術(shù)研究的內(nèi)容n6.4.2 計(jì)算機(jī)三維圖形建模與表示計(jì)算機(jī)三維圖形建模與表示n1.三維物體的投影與透射三維物體的投影與透射圖圖6-17 6-17 直線段直線段P1P2P1

9、P2在投影平面平行投影在投影平面平行投影 n2.多邊形網(wǎng)格模型多邊形網(wǎng)格模型圖圖6-19 6-19 一個(gè)物體的多邊形網(wǎng)格表示一個(gè)物體的多邊形網(wǎng)格表示圖圖6-20 6-20 三維模型的面是由多邊形或曲面組成的三維模型的面是由多邊形或曲面組成的n3.三維物體的數(shù)值表示三維物體的數(shù)值表示n圖圖6-21為一立方體模型。立方體的頂點(diǎn)表坐標(biāo)構(gòu)成為一立方體模型。立方體的頂點(diǎn)表坐標(biāo)構(gòu)成該物體的三維模型信息。該物體的三維模型信息。 圖圖6-21 6-21 立方體模型的頂點(diǎn)表示立方體模型的頂點(diǎn)表示 n4.如何獲取多邊形網(wǎng)格如何獲取多邊形網(wǎng)格(a) (a) 三維數(shù)字化儀三維數(shù)字化儀 (b)(b)實(shí)物實(shí)物 (c)(c

10、)物體表面的網(wǎng)格表示物體表面的網(wǎng)格表示 圖圖6-22 6-22 利用三維數(shù)字化儀為創(chuàng)建三維模型利用三維數(shù)字化儀為創(chuàng)建三維模型n6.4.3 三維幾何造型方法三維幾何造型方法圖圖6-23 6-23 三維實(shí)體模型的表示三維實(shí)體模型的表示 圖圖6-24 6-24 復(fù)雜曲面的三維建模應(yīng)用：復(fù)雜曲面的三維建模應(yīng)用：表面模型（左圖）與實(shí)體模型（右圖）表面模型（左圖）與實(shí)體模型（右圖）n6.4.4 三維物體消隱三維物體消隱 (a) (a)線框圖線框圖 (b)(b)從右上往下看從右上往下看 （C C）從左下住上看）從左下住上看 圖圖6-25 6-25 線框模型具有二義性線框模型具有二義性 線框圖線框圖 線消隱線

11、消隱 面消隱面消隱 圖圖6-26 6-26 線消隱與面消隱線消隱與面消隱 n消隱算法研究組成物體表面的多邊形之間的遮擋關(guān)系消隱算法研究組成物體表面的多邊形之間的遮擋關(guān)系n消隱算法大致可以分為：物體空間法、圖像空間法和消隱算法大致可以分為：物體空間法、圖像空間法和排列優(yōu)先法。圖排列優(yōu)先法。圖6-27是經(jīng)消隱算法處理后得到線消隱是經(jīng)消隱算法處理后得到線消隱與面消隱三維圖形。與面消隱三維圖形。 線消隱線消隱線框模型線框模型 面消隱面消隱表面模型表面模型 （a a）經(jīng)線消隱處理的三維線框圖）經(jīng)線消隱處理的三維線框圖 (b) (b) 經(jīng)面消隱處理的三維表面圖經(jīng)面消隱處理的三維表面圖圖圖6-276-27經(jīng)

12、消隱處理后的三維圖形經(jīng)消隱處理后的三維圖形n6.4.5 光照模型光照模型n1.局部光照模型與整體光照模型局部光照模型與整體光照模型(a)(a)采用局部光照模型采用局部光照模型 繪制的三維球體繪制的三維球體 (b)(b)采用整體光照模型采用整體光照模型 繪制的三維球體繪制的三維球體 圖圖6-286-28 局部光照模型和整體光照模型示例局部光照模型和整體光照模型示例局部光照模型與整體光照模型局部光照模型與整體光照模型n局部光照模型 假定物體基本不透明，只考慮光源的直接照射，忽略光在環(huán)境景物之間的傳遞n整體光照模型 考慮環(huán)境的漫射、鏡面反射、規(guī)則投射，可模擬復(fù)雜光照現(xiàn)象 n表現(xiàn)場(chǎng)景整體照明效果的一個(gè)

13、重要方面是透明現(xiàn)象的表現(xiàn)場(chǎng)景整體照明效果的一個(gè)重要方面是透明現(xiàn)象的模擬。圖模擬。圖6-29模擬了場(chǎng)景中透明物體的整體照明效果。模擬了場(chǎng)景中透明物體的整體照明效果。圖圖6-29 6-29 用整體照明模型模擬的物體透明效果用整體照明模型模擬的物體透明效果n2.光線跟蹤光透射光線跟蹤光透射n光線跟蹤（光線跟蹤（Ray-trace）是一種真實(shí)感地顯示物體）是一種真實(shí)感地顯示物體的方法，最基本的光線跟蹤算法是跟蹤鏡面反射和的方法，最基本的光線跟蹤算法是跟蹤鏡面反射和折射。從光源發(fā)出的光遇到物體的表面，發(fā)生反射折射。從光源發(fā)出的光遇到物體的表面，發(fā)生反射和折射，光就改變方向，沿著反射方向和折射方向和折射，

14、光就改變方向，沿著反射方向和折射方向繼續(xù)前進(jìn)，直到遇到新的物體，這是光線跟蹤算法繼續(xù)前進(jìn)，直到遇到新的物體，這是光線跟蹤算法的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。n圖圖630顯示了一個(gè)光線跟蹤的例子顯示了一個(gè)光線跟蹤的例子 圖圖6-30 6-30 光線跟蹤示例光線跟蹤示例n對(duì)于透明或半透明的物體，在光線與物體表面相交時(shí)，對(duì)于透明或半透明的物體，在光線與物體表面相交時(shí)，一般會(huì)產(chǎn)生反射與折射，經(jīng)折射后的光線將穿過物體而一般會(huì)產(chǎn)生反射與折射，經(jīng)折射后的光線將穿過物體而在物體的另一個(gè)面射出，形成透射光。由于透明物體可在物體的另一個(gè)面射出，形成透射光。由于透明物體可以透射光，因而我們可以透過這種材料看到后面的物體，以透射光，

15、因而我們可以透過這種材料看到后面的物體，由于光的折射通常會(huì)改變光的方向，要在真實(shí)感圖形學(xué)由于光的折射通常會(huì)改變光的方向，要在真實(shí)感圖形學(xué)中模擬折射，需要較大的計(jì)算量。圖中模擬折射，需要較大的計(jì)算量。圖6-316-31是計(jì)算機(jī)生成是計(jì)算機(jī)生成的透明物體的光線跟蹤與光透射場(chǎng)景。的透明物體的光線跟蹤與光透射場(chǎng)景。圖圖6-31 6-31 用光線跟蹤與光透射模型生成的三維透明物體場(chǎng)用光線跟蹤與光透射模型生成的三維透明物體場(chǎng)景景6.4.6 物體表面的紋理材質(zhì)屬性顏色色彩、明暗變化幾何屬性細(xì)小的凹凸 在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，物體表面的細(xì)節(jié)稱在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，物體表面的細(xì)節(jié)稱為紋理（為紋理（TextureTextu

16、re）。紋理可以通過紋理）。紋理可以通過紋理映射（映射（Texture MappingTexture Mapping）的方式生成。）的方式生成。通常用一種特殊的算法來模擬它，將幾通常用一種特殊的算法來模擬它，將幾何紋理逼真地顯示出來，以滿足視覺感何紋理逼真地顯示出來，以滿足視覺感官的需要。官的需要。n6.4.6 物體表面的紋理物體表面的紋理n圖圖6-326-32中顯示了顏色紋理映射和幾何紋理映射的真實(shí)感中顯示了顏色紋理映射和幾何紋理映射的真實(shí)感圖形作品。圖形作品。圖圖6-32 6-32 采用紋理映射生成的物體表面采用紋理映射生成的物體表面n 6.4.7 陰影的生成陰影的生成利用隱藏消除算法，將

17、物體上的多邊形分為：陰影多邊形、非陰影多邊形、逆光多邊行。計(jì)算不同區(qū)域光強(qiáng)，顯示陰影陰影的生成陰影的生成圖圖6-33 6-33 光照模型中的陰影表示光照模型中的陰影表示6.5 實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)n6.5.1 實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)概述實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)概述n6.5.2 層次細(xì)節(jié)顯示簡(jiǎn)化技術(shù)層次細(xì)節(jié)顯示簡(jiǎn)化技術(shù)圖圖6-34 6-34 人臉的層次細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化模型人臉的層次細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化模型圖圖6-35 6-35 兔子的層次細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化模型兔子的層次細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化模型n6.5.3 基于圖像的繪制技術(shù)基于圖像的繪制技術(shù)圖圖6-36 6-36 視圖插值技術(shù)利用了相鄰兩圖像之間的連貫性生成中間幀視圖插值技術(shù)利用

18、了相鄰兩圖像之間的連貫性生成中間幀6.6 矢量圖格式與繪圖軟件矢量圖格式與繪圖軟件n6.6.1 矢量圖矢量圖 （a a）位圖放大后出現(xiàn)方塊化）位圖放大后出現(xiàn)方塊化 (b)(b)矢量圖放大后圖形邊緣仍平滑清晰矢量圖放大后圖形邊緣仍平滑清晰 圖圖6-37 6-37 位圖位圖( (圖圖a)a)與矢量圖與矢量圖( (圖圖b)b)放大后效果比較放大后效果比較 n矢量圖在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)格式大都不固定，要視各個(gè)矢量圖在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)格式大都不固定，要視各個(gè)軟件的特點(diǎn)由開發(fā)者自定。相對(duì)于位圖來講，矢量圖軟件的特點(diǎn)由開發(fā)者自定。相對(duì)于位圖來講，矢量圖占用的存儲(chǔ)空間較小。但在屏幕每次顯示時(shí)，它都需占用的存儲(chǔ)空間較小。但在屏幕每次顯示時(shí)，它都需要經(jīng)過重新計(jì)算，故顯示速度沒有圖像快。圖要經(jīng)過重新計(jì)算，故顯示速度沒