計算機圖形學總結(jié)

1、1、圖形學簡介1.1、解釋計算機圖形學中圖形與圖像兩個概念的區(qū)別。答：圖形是指由外部輪廓線條構(gòu)成的矢量圖。即由計算機繪制的直線、圓、矩形、曲線、圖表等；而圖像是由掃描儀、攝像機等輸入設備捕捉實際的畫面產(chǎn)生的數(shù)字圖像，是由像素點陣構(gòu)成的位圖。（百度知道）·從廣義上說，凡是能夠在人的視覺系統(tǒng)中形成視覺印象的客觀對象都稱為圖形。它包括人年說觀察到的自然界的景物，用照相機等設別所獲得的圖片，用繪圖工具繪制的工程圖，各種人工美術(shù)繪畫和用數(shù)學方法描述的圖形等。·圖形學中的圖形一般是指由點、線、面、體等幾何要素(geometric attribute)和明暗、灰度（亮度）、色彩等視覺要素

2、(visual attribute)構(gòu)成的，從現(xiàn)實世界中抽象出來的圖或形。圖形強調(diào)所表達對象的點、線、面、結(jié)構(gòu)等幾何要素。·而圖像則只是指一個二維的像素集合，至于這個集合所構(gòu)成的圖案的意義、幾何元素等，計算機并不知曉。可以一條直線作比方來說明。 1.2、解釋“計算機圖形學” 研究的主要內(nèi)容。答：是一種使用數(shù)學算法將二維或三維圖形轉(zhuǎn)化為計算機顯示器的柵格形式的科學。簡單地說，計算機圖形學的主要研究內(nèi)容就是研究如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。（百度百科）·Modeling建模 構(gòu)建三維模型的場景·Rendering繪制

3、(渲染) 渲染的三維模型，計算每個像素的顏色。顏色是有關(guān)照明，環(huán)境，對象材料等。·Animation動畫1.3、能列舉計算機圖形學的一些應用實例。答：CAD工業(yè)制造仿真、電影特效合成、3D動畫、3D游戲2、Graphic Devices in Computer System2.1、了解圖形輸出設備中“陰極射線管(CRT)”的主要工作原理。答：顯示屏、電子槍、和偏轉(zhuǎn)控制裝置三部分組成。當燈絲被加熱時，電子槍陰極釋放出電子，電子經(jīng)過聚焦系統(tǒng)和加速系統(tǒng)后形成電子束，經(jīng)過偏轉(zhuǎn)控制裝置時軌跡發(fā)生變化，打在顯示屏磷粉涂層上發(fā)光。·Storing: 為每個象素設置一個電容維持一定的電壓，

4、使象素持續(xù)發(fā)光。·Refresh: 不斷重復轟擊像素，使其不斷重復發(fā)光；由于人眼的視覺暫留效應，就會產(chǎn)生象素持續(xù)發(fā)光的印象。2.2、解釋“隨機掃描顯示器”與“光柵掃描顯示器”的不同。答：隨機掃描顯示器顯示圖形時，電子束的移動方式是隨機的,電子束可以在任意方向上自由移動，按照顯示命令用畫線的方式繪出圖形，因此也稱矢量顯示器。而光柵掃描顯示器顯示圖形時，電子束依照固定的掃描線和規(guī)定的掃描順序進行掃描。電子束先從熒光屏左上角開始，向右掃一條水平線，然后迅速地回掃到左邊偏下一點的位置，再掃第二條水平線，照此固定的路徑及順序掃下去，直到最后一條水平線，即完成了整個屏幕的掃描。隨機掃描顯示器依靠

5、顯示文件對屏幕圖形進行刷新；光柵掃描顯示器則依靠幀緩存實現(xiàn)對屏幕圖形的刷新。·隨機掃描顯示器（向量顯示器）：控制電路比較復雜，不適于顯示非常復雜的圖像，已基本被淘汰。·光柵掃描顯示器：似乎很笨，但控制簡單，可繪制任意復雜的圖像，故遠遠優(yōu)于vector display；出現(xiàn)以后迅速成為主流，并大大促進了圖形學的發(fā)展（因其能夠繪制任意復雜的圖像）。也有采用隔行掃描的，即先掃描所有偶數(shù)行，再掃描所有奇數(shù)行。2.3、理解有關(guān)光柵掃描顯示器的一些主要概念：光柵、像素、掃描線、分辨率(resolusion)、幀緩存(frame buffer)、刷新頻率(refresh rate)。光柵

6、：一個點或點的矩形陣列像素：一個點或圖片元素的光柵掃描線：一個像素行分辨率：該點沒有可顯示的最大數(shù)目重疊的CRT被稱為該決議幀緩存：圖片定義存儲在一個稱為幀緩沖區(qū)或刷新緩沖區(qū)的內(nèi)存區(qū)刷新率：在其中一張照片是在屏幕上繪制頻率稱為刷新率 3、Algorithms for Drawing 2D Primitives3.1解釋DDA算法的原理，并寫出DDA算法的主要流程答：取整void lineDDA (int xs, int ys, int xe, int ye)int k = abs(xexs);if (abs(yeys)>k) then k = abs(yeys)； float xincr

7、e = (xexs)/k；float yincre = (yeys)/k；float x, y; for(i=1; i<=k; i+) setPixel(round(x), round(y)； x = x + xincre； y = y + yincre； 4.1解釋何為掃描轉(zhuǎn)換，解釋何為區(qū)域填充，兩者的區(qū)別是什么？答：光柵圖形的一個基本問題是把多邊形的頂點表示轉(zhuǎn)換為點陣表示，這種轉(zhuǎn)換稱為多邊形的掃描轉(zhuǎn)換。區(qū)域填充指先將區(qū)域的一點賦予指定的顏色，然后將該顏色擴展到整個區(qū)域的過程。多邊形的掃描轉(zhuǎn)換主要是通過確定穿越區(qū)域的掃描線的覆蓋區(qū)間來填充。區(qū)域填充是從給定的位置開始涂描直到指定的邊界條

8、件為止。1.基本思想不同: 多邊形的掃描轉(zhuǎn)換是指將多邊形的頂點表示轉(zhuǎn)換成點陣表示。在掃描轉(zhuǎn)換過程中利用了多邊形各種形式的連貫性。區(qū)域填充只改變區(qū)域的顏色，不改變區(qū)域的表示方法。在填充過程中利用了區(qū)域的連通性。2.算法的要求不同: 在區(qū)域填充中要求指定區(qū)域內(nèi)的一點為種子點，然后從這點開始對區(qū)域進行著色。對多邊形的掃描轉(zhuǎn)換沒有這個要求。3.對邊界的要求不同 : 在多邊形的掃描轉(zhuǎn)換中要求每一條掃描線與多邊形邊界的交點個數(shù)是偶數(shù)。在區(qū)域填充中要求4連通區(qū)域的邊界為封閉的8連通區(qū)域，而8連通區(qū)域的邊界為封閉的4連通區(qū)域。4.2理解掃描線填充算法(Scan-line Polygon Fill Algori

9、thm)的基本步驟答：求出掃描線與多邊形邊的交點 2)將交點按照x升序排列 3)將排好序的交點兩兩配對，然后繪制相應線段。4.2.1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的使用答：邊的分類表(Edge Table, ET)；邊的活化鏈表(Active Edge List, AEL)4.2.2奇點的處理方法一是當掃描線與頂點相交時，交點的取舍。當與那個頂點關(guān)聯(lián)的邊在掃描線同側(cè)時，交點自然算兩次，當與那個頂點關(guān)聯(lián)的邊在掃描線兩側(cè)時，交點只能算一次。我們使用“下閉上開”的辦法。二是多邊形邊界上的像素取舍，我們采用“左閉右開”的辦法。4.3理解何為四連通區(qū)域和八連通區(qū)域答：4-連通區(qū)域：從區(qū)域上的一點出發(fā)，通過訪問已知點的4-鄰接

10、點，在不越出區(qū)域的前提下，遍歷區(qū)域內(nèi)的所有象素點。8-連通區(qū)域：從區(qū)域上的一點出發(fā)，通過訪問已知點的8-鄰接點，在不越出區(qū)域的前提下，遍歷區(qū)域內(nèi)的所有象素點。4.4解釋在光柵化顯示中，何為走樣？走樣的原因是什么？列舉出“走樣”可能造成的顯示問題定義：用離散量表示連續(xù)量引起的失真，就叫做走樣（Aliasing）。原因：數(shù)學意義上的圖形是由無線多個連續(xù)的、面積為零的點構(gòu)成；但在光柵顯示器上，用有限多個離散的，具有一定面積的象素來近似地表示他們。走樣造成的顯示問題：一是光柵圖形產(chǎn)生的階梯形。一是圖形中包含相對微小的物體時，這些物體在靜態(tài)圖形中容易被丟棄或忽略，在動畫序列中時隱時現(xiàn)，產(chǎn)生閃爍。4.5解

11、釋克服“走樣”的兩類方法以面積采樣代替點采樣（邊界使用過度色階） 超采樣（高分辨率計算，低分辨率顯示）5、Graphics Pipeline (圖形流程)5.2圖形流程中Transformation所要完成的任務是什么，它包含哪幾個主要過程？任務是將三維模型轉(zhuǎn)換為二位圖表主要過程有：幾何變換 、投影變換 、裁減 、窗口到視口的變換 5.2.1、寫出平移變換(Translation)與放縮變換(Scaling)的矩陣表達式平移變換： 放縮變換：5.2.2、能夠推出圖形繞某一坐標軸旋轉(zhuǎn)的矩陣表達式Rotation relative to the y-axis and x-axis5.2.3、解釋幾

12、何變換中為何需要采用齊次坐標系，能夠?qū)懗錾鲜鲎儞Q矩陣的齊次坐標表達形式許多圖形應用涉及到幾何變換，主要包括平移、旋轉(zhuǎn)、縮放。以矩陣表達式來計算這些變換時，平移是矩陣相加，旋轉(zhuǎn)和縮放則是矩陣相乘，綜合起來可以表示為p' = m1*p + m2(m1旋轉(zhuǎn)縮放矩陣， m2為平移矩陣， p為原向量 ，p'為變換后的向量)。引入齊次坐標的目的主要是合并矩陣運算中的乘法和加法，表示為p' = M*p的形式。即它提供了用矩陣運算把二維、三維甚至高維空間中的一個點集從一個坐標系變換到另一個坐標系的有效方法。平移： 縮放：旋轉(zhuǎn)：u Global transformation1.每一次變換

13、均可以看成是相對于原始坐標系執(zhí)行的2.我們前面講的平移、放縮和旋轉(zhuǎn)矩陣實現(xiàn)的都是全局變換u Local transformation1.每一次變換均可以看成是在上一次變換所形成的新的坐標系中進行2.可以通過顛倒矩陣相乘的順序來實現(xiàn)局部變換每次的變換矩陣都乘在原矩陣的右側(cè)，而最后變換頂點時，頂點也乘在總體變換矩陣的右側(cè)。這樣就造成了先調(diào)用的變換實際上是后執(zhí)行的，因而如果是按照OpenGL的變換語句的順序來理解的話，其效果應當是局部變換的效果。因此，如果按照變換語句的順序來理解的話，OpenGL采用的是local transformation5.2.6、寫出OpenGL中有關(guān)幾何變換的相關(guān)函數(shù)vo

14、id glTranslated(double x, double y, double z)/平移void glScalefd(TYPE Sx, TYPE Sy, TYPE Sz)/縮放void glRotatefd (TYPE angle, TYPE x, TYPE y, TYPE z);/旋轉(zhuǎn)5.3.1、解釋何為透視投影，何為平行投影一個點光源把一個圖形照射到一個平面上、這個圖形的影子就是它在這個平面上的中心投影，中心投影后的圖形與原圖形相比雖然改變較多、但直觀性強、看起來與人的視覺效果一致。有時光線是一組互相平行的射線，例如太陽光或探照燈光的一束光中的光線。由平行光線形成的投影是平行投影（

15、parallel projection).5.3.2、寫出OpenGL中關(guān)于這兩種投影方式的函數(shù)透視投影：void glFrustum( );void gluPerspective( );平行投影：void glOrtho();裁剪裁剪操作對編程人員來說是隱藏的；目前圖形流水線中的裁剪發(fā)生在投影變換之前。裁剪之后往往就不是以前的多邊形了，可能變成了一個或多個多邊形。OpenGL中是三維裁剪。6、OpenGL6.1、“OpenGL是一個狀態(tài)機”，這句話如何解釋？整個繪制操作會按照固定的流程進行，仿佛一臺虛擬的機器。OpenGL函數(shù)只是用來設置這臺虛擬機器的一些狀態(tài)參數(shù)，而并不是用來真正執(zhí)行繪制操

16、作的。6.2、OpenGL中的模型變換(Model-View Transformation) 采用了棧來管理變換矩陣，解釋glLoadIdentity(), glPushMatrix()和glPopMatrix()這三個棧管理函數(shù)的作用glLoadIdentity() - Set the stack top as an unit matrix (使棧頂矩陣為單位矩陣)glPushMatrix() -將棧頂矩陣復制一份，入棧.glPopMatrix() -退棧.6.4、如何計算一個面片的法向？Normal is closely related to the lighting computatio

17、n (法向與光照計算緊密相關(guān))；Normals should be given by programmersThe normal of trangle (v1, v2, v3):vector1 = v2 - v1;vector2 = v3 - v1;NormalVector is the cross product of vector1 and vector27、Visible-Surface Detection (消隱)7.1、解釋圖形顯示中為何需要消隱處理在繪制時需要消除被遮擋的不可見的線或面，習慣上稱作消除隱藏線和隱藏面，簡稱為消隱。消除二義性 提高繪制效率7.2、何為depth buf

18、fer? 理解z-buffer方法的原理Z軸緩沖也被稱為深度緩沖，它保存在屏幕上每個像素的深度值。在把顯示對象的每個面上每一點的顏色值填入幀緩沖器相應單元前，要把這點的z坐標值和z緩沖器中相應單元的值進行比較。只有前者大于后者時才改變幀緩沖器的那一單元的值，同時z緩沖器中相應單元的值也要改成這點的z坐標值。如果這點的z坐標值小于z緩沖器中的值，則說明對應象素已經(jīng)顯示了對象上一個點的屬性，該點要比考慮的點更接近觀察點。對顯示對象的每個面上的每個點都做了上述處理后，便可得到消除了隱藏面的圖。注意：如果當前像素的深度和深度緩存中的值相等，那么也認為當前像素被擋住了。·Z-Buffer算法在

19、像素級上以近物取代遠物。面片在屏幕上的出現(xiàn)順序是無關(guān)緊要的。這種取代方法實現(xiàn)起來遠比總體排序靈活簡單，有利于硬件實現(xiàn)；缺點：占用空間大，沒有利用圖形的相關(guān)性與連續(xù)性8、Photo-realistic Rendering in Computer Graphics8.1、寫出Phong光照明模型，理解模型中三個部分的意義及計算方法，并能解釋各部分參數(shù)的含義Illumination Model (光照明模型)Ambient + Diffuse + SpecularI = ka Ia + kd Il cos + ks Il cosn = ka Ia + kd Il (N .L) + ks Il (R .V)nPhong光照明模型1.Diffuse reflection (漫反射)漫反射光可以認為是光穿過物體表面層被部分吸收后，重新發(fā)射出來的光。因此漫反射光均勻地散布在各個方向觀察者不論站在哪一方位上他所觀察到的漫射光的強度均相等。粗糙的物體表面可以理解為由一系列各向異性的微小平面構(gòu)