第一章 計算機(jī)圖形學(xué)簡介

計算機(jī)圖形學(xué)馮月萍計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院Email:fengyp@2/1/20231課程的主要內(nèi)容圖形基元的顯示圖形變換曲線和曲面圖形運(yùn)算形體的表示及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)消除隱藏線和隱藏面的算法真實(shí)感圖形的繪制2/1/20232參考書孫家廣等，計算機(jī)圖形學(xué)（第三版），清華大學(xué)出版社，2002計算機(jī)圖形學(xué)（第三版）電子工業(yè)出版社

DonaldHearnM.PaulineBaker著蔡士杰吳春镕等譯潘云鶴等，“計算機(jī)圖形學(xué)—原理、方法及應(yīng)用”，高等教育出版社，2003成績=作業(yè)+上機(jī)成績+期末考試2/1/20233第一章計算機(jī)圖形學(xué)簡介第一節(jié)計算機(jī)圖形學(xué)第二節(jié)計算機(jī)圖形學(xué)的起源第三節(jié)計算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用及發(fā)展動向第四節(jié)圖形系統(tǒng)的硬件第五節(jié)計算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn)2/1/20234計算機(jī)圖形學(xué)是指用計算機(jī)產(chǎn)生對象圖形的輸出的技術(shù)。是利用計算機(jī)研究圖形的表示、生成、處理、顯示的學(xué)科。計算機(jī)圖形學(xué)是研究通過計算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專門顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科。第一節(jié)計算機(jī)圖形學(xué)2/1/20235相關(guān)學(xué)科圖象處理是指用計算機(jī)來改善圖象質(zhì)量的數(shù)字技術(shù)。模式識別是指用計算機(jī)對輸入圖形進(jìn)行識別的技術(shù)。計算幾何學(xué)是研究幾何模型和數(shù)據(jù)處理的學(xué)科。交互式計算機(jī)圖形學(xué)是指用計算機(jī)交互式地產(chǎn)生圖形的技術(shù)。

2/1/202362/1/20237發(fā)展特點(diǎn):交叉、界線模糊、相互滲透數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型圖像生成（計算機(jī)圖形學(xué)）模型（特征）提取（計算機(jī)視覺，模式識別）模型變換（計算幾何）圖像變換（圖像處理）2/1/20238圖形學(xué)主要研究內(nèi)容如何在計算機(jī)中表示圖形、以及利用計算機(jī)進(jìn)行圖形的計算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法，構(gòu)成了計算機(jī)圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容。圖形的生成和表示技術(shù)圖形的操作與處理方法圖形輸出設(shè)備與輸出技術(shù)的研究圖形輸入設(shè)備、交互技術(shù)及用戶接口技術(shù)的研究2/1/20239圖形信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及存儲、檢索方法幾何模型構(gòu)造技術(shù)動畫技術(shù)（游戲）圖形軟硬件的系列化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的研究科學(xué)計算的可視化

2/1/202310計算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容定義

具體內(nèi)容圖形的輸入研究將圖形或圖形數(shù)據(jù)輸入到計算機(jī)中的技術(shù)和設(shè)備

鍵盤、鼠標(biāo)、圖形輸入板、掃描儀等設(shè)備的研制

圖形的表示研究在計算機(jī)中用點(diǎn)、線、面的坐標(biāo)值(幾何信息)和連接關(guān)系(拓?fù)湫畔?建立幾何模型的方法

線框模型、面模型、體模型等

圖形的存儲按一定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織圖形數(shù)據(jù)并將其存儲在動態(tài)或永久性介質(zhì)中

常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有線性鏈表、二叉樹、四叉樹等圖形的處理對圖形進(jìn)行幾何變換或投影變換以及并、交、差運(yùn)算等操作

圖形的顯示與輸出將計算機(jī)內(nèi)特定表示形式的圖形轉(zhuǎn)換成圖形輸出設(shè)備能夠接受的表示形式，并將圖形在計算機(jī)屏幕上或者打印機(jī)等輸出設(shè)備上顯示或繪制輸出

主要研制各種顯示器和打印、繪圖設(shè)備，如液晶顯示器、等離子顯示器以及攜帶更方便、色彩更豐富的新一代顯示器

2/1/202311第二節(jié)計算機(jī)圖形學(xué)的起源50年代1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學(xué)院（MIT）旋風(fēng)I號（WhirlwindI）計算機(jī)的附件誕生。1958年，美國Calcomp公司由聯(lián)機(jī)的數(shù)字記錄儀發(fā)展成滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數(shù)控機(jī)床發(fā)展成為平板式繪圖儀。50年代末期，MIT的林肯實(shí)驗(yàn)室在“旋風(fēng)”計算機(jī)上開發(fā)SAGE空中防御體系。2/1/20231260年代1962年，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的I.E.Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個人機(jī)交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文。他在論文中首次使用了計算機(jī)圖形學(xué)“ComputerGraphics”這個術(shù)語，證明了交互計算機(jī)圖形學(xué)是一個可行的、有用的研究領(lǐng)域，從而確定了計算機(jī)圖形學(xué)作為一個嶄新的科學(xué)分支的獨(dú)立地位。他在論文中所提出的一些基本概念和技術(shù),如交互技術(shù)、分層存儲符號的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等至今還在廣為應(yīng)用。成就“圖形學(xué)之父”的英名。2/1/2023131962年，法國雷諾汽車公司的工程師PierreBézier

提出Bézier曲線、曲面的理論，而成為CAGD的先驅(qū)。1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了超限插值的新思想，通過插值四條任意的邊界曲線來構(gòu)造曲面。圖形學(xué)最高獎以他名字命名(Coons)。獲得第一屆（1983）和第二屆(1985)StevenA.Coons

獎的，恰好是IvanE.Sutherland和PierreBézier，這也算是計算機(jī)圖形學(xué)的一段佳話。2/1/20231470年代光柵圖形學(xué)迅速發(fā)展區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應(yīng)算法紛紛誕生圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化1974年，ACMSIGGRAPH的與“與機(jī)器無關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會議ACM成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會，制定“核心圖形系統(tǒng)”（CoreGraphicsSystem）ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS2/1/202315真實(shí)感圖形學(xué)1970年，Bouknight提出了第一個光反射模型1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理1975年，Phong提出了著名的簡單光照模型-Phong模型實(shí)體造型技術(shù)英國劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng)美國羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)2/1/20231680年代1980年Whitted提出了一個光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例，實(shí)現(xiàn)Whitted模型1984年，美國Cornell大學(xué)和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計算機(jī)圖形學(xué)中圖形硬件和各個分支均在這個時期飛速發(fā)展2/1/202317計算機(jī)圖形學(xué)硬件設(shè)備的發(fā)展20世紀(jì)60年代中期：畫線顯示器需要刷新、設(shè)備昂貴、限制普及。20世紀(jì)60年代后期：存儲管式顯示器不需刷新，價格較低，缺點(diǎn)是不具有動態(tài)修改圖形功能，不適合交互式20世紀(jì)70年代初，刷新式光柵掃描顯示器大大地推動了交互式圖形技術(shù)的發(fā)展目前是多種顯示器并存液晶、等離子顯示器，基于分子材料的顯示器也在研究之中。圖形顯示器是計算機(jī)圖形學(xué)中關(guān)鍵的設(shè)備2/1/202318計算機(jī)圖形學(xué)硬件設(shè)備的發(fā)展（續(xù)）輸入設(shè)備的發(fā)展歷史第一階段：控制開關(guān)、穿孔紙等等第二階段：鍵盤第三階段：二維定位設(shè)備如鼠標(biāo)、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等第四階段：三維輸入設(shè)備如空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣第五階段：用戶的手勢、表情等等2/1/202319輸入板2/1/202320控制桿和跟蹤球

圖a是拱廊型控制桿，有一個可以轉(zhuǎn)向任意方向的杠桿，用于指明位置。圖b所示的跟蹤球上有一個可以被拇指轉(zhuǎn)向任意方向的球，用以改變光標(biāo)的位置。

2/1/202321空間球和數(shù)據(jù)手套2/1/2023222/1/202323戴著頭盔式顯示器和數(shù)據(jù)手套與虛擬世界交流2/1/202324頭盔式描準(zhǔn)器2/1/202325計算機(jī)圖形學(xué)算法研究的發(fā)展光柵掃描圖形生成

（點(diǎn)、線、面的離散表示）圖形變換（幾何變換、平行投影、透視投影）真實(shí)感圖形生成（隱藏線/面去除法、Z緩沖器算法、簡單光照模型、光線追蹤、輻射度、陰影、透明、紋理）幾何建模（線框模型、面模型、體模型）曲線與曲面生成算法（Furguson參數(shù)曲線/面Bézier

均勻B樣條非均勻B樣條）圖形學(xué)應(yīng)用算法（與具體應(yīng)用領(lǐng)域的算法相結(jié)合）2/1/202326第三節(jié)計算機(jī)圖形學(xué)

的應(yīng)用及發(fā)展動向科學(xué)技術(shù)事業(yè)制圖學(xué)計算機(jī)輔助設(shè)計和計算機(jī)輔助制造計算機(jī)仿真與動畫過程控制、計算機(jī)藝術(shù)及辦公室自動化2/1/202327虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)VirtualReality或稱虛擬環(huán)境（VirtualEnvironment)是用計算機(jī)技術(shù)來生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對這一生成的虛擬世界客體進(jìn)行瀏覽和交互考察。主要研究用計算機(jī)模擬（構(gòu)造）三維圖形空間，并使用戶能夠自然地與該空間進(jìn)行交互。對三維圖形處理技術(shù)的要求特別高。20世紀(jì)80年代初，美國的DARPA為坦克編隊作戰(zhàn)訓(xùn)練開發(fā)了一個實(shí)用的虛擬戰(zhàn)場系統(tǒng)SIMNET。1997年7月，地球上的工程師通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)操縱距地1.9億公里的火星上的火星車。輸入輸出設(shè)備，如頭盔式顯示器、立體耳機(jī)、頭部跟蹤系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)手套等。2/1/202328科學(xué)技術(shù)事業(yè)：地學(xué)應(yīng)用2/1/202329科學(xué)計算可視化可視化與可視計算海量的數(shù)據(jù)的圖形表示1986年，美國科學(xué)基金會（NSF）專門召開了一次研討會，會上提出了“科學(xué)計算可視化（VisualizationinScientificomputing）”科學(xué)計算可視化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、有限元分析、氣象分析當(dāng)中在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：機(jī)械手術(shù)和遠(yuǎn)程手術(shù)，醫(yī)用CT掃描數(shù)據(jù)的三維重建，基于CT數(shù)據(jù)的人體內(nèi)漫游2/1/202330事務(wù)和商務(wù)數(shù)據(jù)的圖形顯示繪制表示經(jīng)濟(jì)信息的各類二、三維統(tǒng)計管理圖表信息可視化:信息流量，商業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，股市行情2/1/202331計算機(jī)輔助設(shè)計和計算機(jī)輔助制造2/1/202332奧迪效果圖和線框圖2/1/202333飛機(jī)、艦船汽車應(yīng)用實(shí)例2/1/202334汽車曲面設(shè)計2/1/2023352/1/202336計算機(jī)仿真自然景物的模擬：山、水、云、樹、草、火等2/1/202337應(yīng)用實(shí)例－建筑2/1/2023382/1/2023392/1/202340應(yīng)用實(shí)例－醫(yī)學(xué)2/1/202341計算機(jī)動畫——商業(yè)領(lǐng)域廣告設(shè)計電腦游戲卡通動畫片:傳統(tǒng)動畫費(fèi)時費(fèi)力，質(zhì)量差，如：《大鬧天宮》，90*60*24=129，600張膠片，幾十位動畫工作者近兩年的時間計算機(jī)動畫（ComputerAnimation):效率高，質(zhì)量高如：《侏羅紀(jì)公園》等計算機(jī)動畫創(chuàng)作工具：3DMAX,MAYA等等影視特技:《珍珠島》等，災(zāi)難效果制作2/1/2023422/1/2023432/1/2023442/1/202345計算機(jī)動畫近十多年來取得了很大的發(fā)展，已滲透到人們生活的各個角落商業(yè)廣告、影視特技/片頭、動畫片教育、軍事、飛行模擬等二維動畫

圖象變形形狀混合三維動畫關(guān)鍵幀動畫變形物體的動畫過程動畫關(guān)節(jié)動畫與人體動畫2/1/202346基于特征的圖象變形(Morphing)2/1/2023472/1/202348由三維FFD操作得到的魚的變形圖,TheVisualComputer2001.2/1/202349電腦游戲?qū)崟r性；逼實(shí)性；蘊(yùn)含了先進(jìn)的圖形處理技術(shù)2/1/202350列車駕駛模擬

2/1/2023512/1/202352計算機(jī)藝術(shù)真實(shí)感圖形實(shí)時繪制與自然景物仿真計算機(jī)中重現(xiàn)真實(shí)世界的場景叫做真實(shí)感繪制真實(shí)感繪制的主要任務(wù)是模擬真實(shí)物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀，光學(xué)性質(zhì)，表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置，遮擋關(guān)系等等2/1/202353光照模型簡單光照模型局部光照模型整體光照模型繪制方法光線跟蹤輻射度加速算法包圍體樹、自適應(yīng)八叉樹等等2/1/2023542/1/2023552/1/2023562/1/2023572/1/202358布料與人體動畫2/1/202359

分形圖案計算機(jī)藝術(shù)2/1/202360計算機(jī)藝術(shù)2/1/202361計算機(jī)書法2/1/202362計算機(jī)繪制的松樹盆景2/1/202363非真實(shí)感繪制

NPRNon-PhotorealisticRendering非真實(shí)感圖形比真實(shí)感圖形應(yīng)用更廣泛，如文學(xué)讀物插圖，其中兒童讀物插圖量最大；用數(shù)字方法對傳統(tǒng)繪畫進(jìn)行模擬以掌握其規(guī)律性的東西；傳統(tǒng)動畫都是非真實(shí)感的，現(xiàn)在需要用計算機(jī)技術(shù)再現(xiàn)它們2/1/202364水彩畫2/1/202365油畫2/1/202366鋼筆畫效果鋼筆素描產(chǎn)生于中世紀(jì)，從19世紀(jì)開始成為一門藝術(shù)，然而用計算機(jī)模擬鋼筆繪畫卻是20世紀(jì)90年代的事情。2/1/202367鉛筆畫效果2/1/202368OliverDeussen繪制的素描樹(Siggraph’2000)2/1/202369Salisbury繪制的熊(Siggraph’97)2/1/202370Salisbury繪制的茶壺(Siggraph’97)2/1/202371GeorgesWinkenb1ach繪制的壺和碗2/1/202372基于圖像的NPR2/1/202373第四節(jié)圖形系統(tǒng)的硬件計算機(jī)圖形系統(tǒng)：計算機(jī)、顯示處理器(DPU)、圖形顯示器（陰極射線管顯示器CRT）、輸入設(shè)備和硬拷貝設(shè)備2/1/202374陰極射線管(CRT)組成：包括電子槍、聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏工作原理：電子槍發(fā)射電子束，經(jīng)過聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，轟擊到熒光屏的不同部位，被其內(nèi)表面的熒光物質(zhì)吸收，發(fā)光產(chǎn)生可見的圖形。圖形顯示設(shè)備2/1/202375CRT結(jié)構(gòu)2/1/202376圖形顯示設(shè)備熒光屏熒光物質(zhì)：吸收電子束而發(fā)光持續(xù)發(fā)光時間：電子束離開某點(diǎn)后，該點(diǎn)的亮度值衰減到初始值1/10所需的時間刷新(Refresh)：為了讓熒光物質(zhì)保持一個穩(wěn)定的亮度值刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù)2/1/202377圖形顯示設(shè)備彩色陰極射線管產(chǎn)生彩色的常用方法：射線穿透法、影孔板法射線穿透法應(yīng)用：畫線顯示器優(yōu)點(diǎn)：成本低缺點(diǎn)：只能產(chǎn)生有限幾種顏色2/1/202378圖形顯示設(shè)備射線穿透法原理電子束熒光涂層產(chǎn)生顏色低速電子束較低速電子束較高速電子束高速電子束2/1/202379圖形顯示設(shè)備影孔板法原理：影孔板被安裝在熒光屏的內(nèi)表面，用于精確定位像素的位置外層玻璃熒光涂層影孔板2/1/202380圖形顯示設(shè)備影孔板的類型點(diǎn)狀影孔板代表：大多數(shù)球面與柱面顯像管柵格式影孔板代表：Sony的Trinitron與

Mitsubishi的

Diamondtron顯像管

溝槽式影孔板代表：LG的Flatron顯像管2/1/202381圖形顯示設(shè)備點(diǎn)狀影孔板工作原理紅、綠、蘭三基色三色熒光點(diǎn)三個電子槍2/1/202382圖形顯示設(shè)備顯示器能同時顯示的顏色個數(shù)如果每個電子槍有256個等級，則顯示器能同時顯示256*256*256=16M種顏色，稱為真彩系統(tǒng)2/1/202383像素：構(gòu)成屏幕（圖像）的最小元素分辨率：CRT在水平或豎直方向單位長度上能識別的最大像素個數(shù)。在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個屏幕所能容納的像素個數(shù)描述，如800*600，1280*1024等等亮度等級或稱灰度等級數(shù)目是指單色顯示器象素的亮度可以有多少種不同的變化幀存儲器存儲屏幕上每個象素對應(yīng)的顏色或亮度值2/1/202384CRT圖形顯示器工作方式有兩種：隨機(jī)掃描方式和光柵掃描方式隨機(jī)掃描方式：電子束在任意方向上自由移動優(yōu)缺點(diǎn)：速度快，圖形分辨率高。不適合產(chǎn)生多種灰度、色調(diào)連續(xù)變化的圖形。2/1/202385光柵掃描方式2/1/2023862/1/202387繪圖過程2/1/202388圖形顯示設(shè)備邏輯部件：幀緩沖存儲器（FrameBuffer)，視頻控制器（VideoController)，顯示處理器（DisplayProcessor）CRT2/1/202389幀緩沖存儲器作用：存儲屏幕上像素的顏色值簡稱幀緩沖器，俗稱顯存工作原理2/1/202390黑白光柵掃描顯示器黑白光柵顯示器的邏輯框圖如上：其中幀緩存是一塊連續(xù)的計算機(jī)存儲器。對于黑白單灰度顯示器每一象素需要一位存儲器，對一個1024×1024象素組成的黑白單灰度顯示器所需要的最小緩存為220，并在一個位面上。一個位面的緩存只能存儲黑白圖形，幀緩存是數(shù)字設(shè)備，光柵顯示器是模擬設(shè)備，因而還需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。2/1/202391在光柵圖形顯示器中需要足夠的位面和幀緩存結(jié)合起來才能反映圖形的顏色和灰度等級。如下圖是一個具有N位面灰度等級的幀緩存。顯示器上每個象素的亮度是由N位面中對應(yīng)的每個象素位置的內(nèi)容控制的。該存儲器的中的二進(jìn)制的數(shù)被翻譯成灰度等級，范圍是0到2N-1之間。2/1/202392彩色光柵掃描顯示器下圖是彩色光柵顯示器的邏輯圖，對于紅、綠、藍(lán)三原色有三個位面的幀緩存和三個電子槍。2/1/202393每個顏色的電子槍可以通過增加幀緩存位面來提高顏色種類的灰度等級。如上圖，每種原色電子槍有8個位位面的幀緩存和8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，每種原色可有256種灰度，三種原色的組合將是(28)3=224。2/1/202394若每個單元有24位（每種基色占8位）即顯示系統(tǒng)可同時產(chǎn)生224種顏色（24位真彩色）。3個位面分辯率是1024×1024的顯示器，需要3×1024×1024（3145728）位的存儲器。若存儲器位長固定，則屏幕分辯率與同時可用的顏色種數(shù)成反比關(guān)系。1兆字節(jié)的幀緩存，若設(shè)分辯率為640×480，則幀緩存每個單元可有24位，可能同時顯示224種顏色，若設(shè)分辯率為1024×768，則每個單元分得的位數(shù)僅略多于8，只能工作于256色顯示模式下。2/1/202395顯存問題高分辨率和真彩要求有大的顯存；解決方法：采用查色表(LookupTable）或稱彩色表(ColorTable)查色表工作原理1024*768真彩模式需要接近3M字節(jié)顯存2/1/202396查色表是一維線性表，其每一項的內(nèi)容對應(yīng)一種顏色，它的長度由幀緩存單元的位數(shù)決定，例如：每單元有8位，則查色表的長度為28＝2562/1/202397顏色系統(tǒng)RGB（紅、綠、藍(lán)）、顏色查詢表（colorlookuptable）、CMY（青、品紅、黃）、HSV（色彩、飽和度、亮度）2/1/202398視頻控制器作用：刷新結(jié)構(gòu)2/1/202399顯示處理器作用：代替CPU完成部分圖形處理功能，掃描轉(zhuǎn)換、幾何變換、裁剪、光柵操作、紋理映射等等具有專用顯示處理器的光柵顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖形加速卡=視頻控制器+顯存+顯示處