計算機圖形學0645的知識

第一章導論2孔令德.計算機圖形學基礎教程（VisualC++版）孔令德.計算機圖形學實踐教程（VisualC++版）胡事民.計算機圖形學基礎教程參考文獻什么是計算機圖形學誰提出了計算機圖形學圖形圖像有何區(qū)別為什么說光柵掃描顯示器是畫點設備計算機圖形學的最新研究方向本章學習目標本章內容1.1計算機圖形學的應用領域1.2計算機圖形學的概念1.3計算機圖形學的相關學科1.4計算機圖形學的確立和發(fā)展1.5圖形顯示器的發(fā)展及其工作原理1.6圖形軟件標準的形成1.7計算機圖形學的最新技術1.8小結1.1計算機圖形學的應用領域“CG”是計算機圖形學（ComputerGraphics）的縮寫。計算機圖形學是計算機技術與電視技術、圖形圖像處理技術相互融合的結果。近年來，計算機圖形學已經在科學、藝術、電影、商業(yè)、廣告、教學和培訓等領域獲得廣泛的應用。1.1.1計算機輔助設計(CAD/CAM)1.1.2計算機藝術（CA）1.1.3虛擬現實（VR）1.1.4計算機輔助教學（CAI）

計算機輔助設計（ComputerAidedDesign，CAD）和計算機輔助制造（ComputerAidedManufacture，CAM）是計算機圖形學最早應用的領域，也是當前計算機圖形學最成熟的應用領域，典型的代表產品為AutoCAD系統軟件?，F在建筑、機械、飛機、汽車、輪船、電子器件等產品的開發(fā)幾乎都使用AutoCAD進行設計。1.1.1計算機輔助設計(CAD/CAM)

具體設計時，先使用線框模型將三維物體內部特征展示出來，然后采用真實光照模型和曲面繪制技術產生最終效果圖。旋耕刀輥設計圖

另外一個常用的設計軟件是3DSMAX。《侏羅紀公園》、《玩具總動員》等影片均是典型的3DSMAX技術產品。

3DSMAX是世界上應用最廣泛的三維建模、動畫、渲染軟件,完全滿足制作高質量動畫、最新游戲、設計效果等領域的需要。3DSMAX集中體現了計算機圖形學研究成果，綜合使用了圖形變換、消隱、光照、紋理以及實體造型等技術。辦公室效果圖

學生宿舍臥室

計算機圖形學廣泛應用于美術設計中，稱為計算機藝術（ComputerArt，CA），動畫設計是其典型代表。目前,計算機動畫已經廣泛應用于影視特技、商業(yè)廣告、游戲、計算機輔助教學等領域。1.1.2計算機藝術（CA）

許多商業(yè)廣告中還用到變形（Morph）的圖形處理方法，可以將一個人的臉變成另一個人的臉。邦德變女郎男變女制作軟件：FunMorph女人是老虎貓變虎

分形幾何學和計算機圖形學相結合的一門邊緣學科。分形通過遞歸實現復雜的圖形結構，主要用于描述歐幾里得幾何學無法描述的自然世界，諸如：起伏蜿蜒的山脈、坑坑洼洼的地面、曲曲折折的海岸線、層層分叉的樹枝、撕裂夜空的閃電、閃爍跳躍的火焰、以及金屬和非金屬材料的斷面、生物的大分子結構等等。1.1.2-分形藝術

謝爾賓斯基海綿的生成原理為：將一個立方體沿其各個面等分為27個小立方體，舍棄位于立方體面心的六個小立方體，以及位于體心的一個小立方體。對余下的20個立方體按相同的方法逐步遞歸。1.1.2-分形藝術舉例海綿1.1.3虛擬現實（VR）

虛擬現實（VirtualReality）用計算機生成一種虛擬環(huán)境，用戶“沉浸”到該環(huán)境中，并可通過一些特殊設備與該環(huán)境直接進行交互的技術。在虛擬現實中，看到的是全彩色的景象，聽到的是虛擬環(huán)境中的聲響，感受到的是虛擬環(huán)境設備反饋的作用力，從而產生身臨其境的感覺。家居花園三維視景仿真系統家居花園外景居室漫游博創(chuàng)研究所1.1.4計算機輔助教學（CAI）

計算機輔助教學(ComputerAidedInstruction)是利用計算機圖形學技術展示抽象原理或不可見過程的一種新的教學方法。在多媒體教室，教師使用集圖、文、聲、像為一體的多媒體課件，形象、生動地進行教學，有助于學生理解和接受深奧枯燥的理論。同時在網絡化學習（E-Learning）時代，網絡多媒體課件使得受教育者不必進入傳統的課堂也能接受到優(yōu)質的培訓，分享全世界范圍內的優(yōu)質教育資源。1.2什么是計算機圖形學

使用圖形生成原理和算法將數學模型轉化為圖像顯示的科學。簡單地說，計算機圖形學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、處理和顯示的相關原理與算法。1.2.1-計算機圖形學中圖形的分類一類是基于線條表示的幾何圖形,如線框圖、工程制圖、等高線地圖等另一類是基于光照、材質和紋理映射表示的真實感圖形。1.2.2計算機圖形學中圖形的表示方法參數法參數法是在設計階段采用幾何方法建立數學模型時，用形狀參數和屬性參數描述圖形的一種方法形狀參數可以是線段的起始點和終止點等幾何參數屬性參數則包括線段的顏色、線型、寬度等非幾何參數一般用參數法描述的圖形依舊稱為圖形。點陣法點陣法是在實現階段用具有顏色信息的像素點陣來表示圖形的一種方法，描述的圖形常稱為圖像。計算機圖形學就是研究將圖形的表示法從參數法轉換到點陣法的一門學科。用直線y=kx+b表示的圖形

用直線y=kx+b表示的圖像1.2.3-計算機圖形學的研究方向

圖形硬件、圖形標準、圖形交互技術、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形的生成算法，以及科學計算可視化、計算機動漫、自然景物仿真、虛擬現實等。1.3計算機圖形學的相關學科計算機圖形學密切相關的學科主要有：

圖像處理 模式識別

主要是指數字圖像處理，是對基于點陣圖像進行增強、去噪、復原、分割、重建、編碼、存儲、壓縮和恢復等不同處理方法的學科。如Photoshop就是著名的圖像處理軟件。1.3-圖像處理彩色圖像二值圖像灰度圖像1.3-模式識別（PatternRecognition，PR）

把點陣圖像進行特征抽取，然后用統計學方法給出圖形描述的學科。如帶手寫功能的手機就是模式識別的一個典型應用。

計算機圖形學、模式識別、圖像處理三者的關系數學模型圖像處理圖像顯示模式識別圖形學1.4計算機圖形學的確立和發(fā)展1946年2月14日，世界上第一臺計算機ENIAC在美國問世。1950年，美國麻省理工學院的旋風一號計算機配備了世界上第一臺顯示器——陰極射線管1963年美國麻省理工學院的IvanE.Sutherland完成了《Sketchpad：一個人機通訊的圖形系統》博士學位論文。IvanE.Sutherland1.5.1陰極射線管CRT1.5.4光柵掃描顯示器1.5.7三維顯示器1.5圖形顯示器的發(fā)展及其工作原理

CRT（CathodeRayTube），是光柵掃描顯示器的顯示部件，其功能與電視機的顯像管類似，主要是由電子槍、聚焦系統、偏轉系統、熒光粉層和玻璃外殼五大部分組成。1.5.1陰極射線管CRT電子槍聚焦系統偏轉系統熒光屏電子束蔭罩1.5.1-陰極射線管電子槍是由燈絲、陰極、控制柵組成。黑白CRT中只有一支電子槍。彩色CRT中有紅綠藍三支電子槍。有的顯示器的電子槍是單槍三束。CRT通電后燈絲發(fā)熱，陰極被激發(fā)射出電子，電子受到控制柵的調節(jié)形成電子束。電子束經聚焦系統聚焦后以高速轟擊到熒光屏上，熒光粉層被激發(fā)后發(fā)出輝光形成一個光點。CRT偏轉系統可以控制電子束在指定的位置上轟擊熒光屏，整個熒光屏依次掃描完畢后，圖像顯示完成。由于熒光粉具有余輝特性——電子束停止轟擊熒光屏后，熒光粉的亮度并不是立即消失，而是按指數規(guī)律衰減，圖像逐漸變暗，為了得到亮度穩(wěn)定的圖像，電子槍需要不斷地根據幀緩沖的內容轟擊熒光屏，反復重繪同一幅圖像，即不斷刷新屏幕。第一代：隨機掃描顯示器第二代：直視存儲管顯示器第三代：光柵掃描顯示器1.5-圖形顯示器的發(fā)展1.5.2隨機掃描顯示器20世紀60年代中期出現并得到推廣使用的圖形顯示器是隨機掃描（RandomScan，RS）顯示器。隨機掃描顯示器的電子束的定位和偏轉具有隨機性，電子束不進行全屏掃描，其軌跡隨圖像的定義而變化，只在需要的地方轟擊熒光屏。圖像的定義是存放在文件存儲器中的一組畫線命令。隨機掃描顯示器周期性地讀取畫線命令，依次在屏幕上畫出線條，當所有的畫線命令都執(zhí)行完畢后，圖像就顯示出來。這時隨機掃描顯示器又返回到第一條命令行進行屏幕刷新。隨機掃描顯示器可以直接按指定路徑畫線，所畫直線光滑沒有鋸齒，因而圖像清晰，主要用于顯示高質量的圖像。隨機掃描顯示器也稱作矢量顯示器，屬于畫線設備，不能顯示有陰影的圖像。隨機掃描顯示器演示1.5.3直視儲存管顯示器70年代后期發(fā)展了利用CRT本身來存儲信息，而且不再需要刷新屏幕的顯示器，這就是直視儲存管顯示器（DirectViewStorageTube，DVST）。DVST使用緊貼在熒光層后的存儲柵的電荷分布來存儲圖形。DVST使用兩支電子槍，一支是寫電子槍，用來存儲圖形；另一支是讀電子槍，用來圖形顯示。從表面上看DVST極象是一個長余輝的CRT，一條線一旦畫在屏幕上，在一小時之內都將是可見的。這種顯示器的電子束不是直接打在熒光屏上，而是先用寫入電子槍將圖像信息以正電荷“寫”在一個每英寸有250條細絲的存儲柵上。讀電子槍發(fā)出的電子流再把存儲柵上的圖像“重寫”在屏幕上。緊靠著存儲柵后面的是收集柵，主要作用是使讀出的電子流均勻，并以垂直方向射向屏幕。讀電子槍發(fā)出的電子流以低速流經收集柵，并被吸引到存儲柵上存有圖像信息的正電荷上去，而存儲柵上的非正電荷部分則被排斥。被吸引過去的電子直接通過存儲柵并轟擊熒光粉形成圖像。直視儲存管顯示器演示1.5.4光柵掃描顯示器

由于光柵掃描顯示器電子束的強度可以不斷變化，所以容易生成顏色連續(xù)變化的真實感圖像。光柵掃描顯示器是畫點設備，可看作是一個點陣單元發(fā)生器，并可控制每個點陣單元的亮度，這些點陣單元被稱為像素（PictureElement，Pixel）。像素1.5.5屏幕分辨率

屏幕縱橫比（AspectRatio）:顯示設備中顯示圖像的橫向尺寸與縱向尺寸的比例，最常見的為4:3，目前的高清晰度電視和一些新型顯示設備采用了16:9。800×6001024×768800/600=1024/768＝4/31.5.6-不走樣直線

在繪制水平，垂直直線及對角線時，像素點集在直線路徑上的位置是準確的，稱為不走樣直線。1.5.6-走樣直線

點陣形成的斜線呈階梯狀，形成鋸齒線，這稱為直線的走樣。1.5.6-走樣直線1.5.6反走樣直線

光柵顯示器為了在能整個屏幕上顯示出圖形，電子束需要從屏幕的左上角開始，沿著水平方向從左至右勻速地掃描，一直掃描到屏幕的右下角，顯示出一幀圖像。1.5.7-掃描線1.5.7-掃描線像素點掃描線1.5.8–陰罩式顯示器陰罩式顯示器1.5.8-蔭罩式彩色CRT的熒光點圖案1.5.8-蔭罩板

如果屏幕上每個像素的顏色只用一位（Bit）表示，其值非0即1，屏幕只能顯示黑白二色圖像，稱為黑白顯示器，此時幀緩沖器只有一個位面。如果屏幕分辨率為1024×768，則黑白顯示器的幀緩沖容量是1024×768×1＝786,432位1.5.9-位面1.5.9-1個位面位面一位面幀緩沖器1.5.9-8個位面

如果每個像素的顏色可以用一個字節(jié)（Byte）表示，幀緩沖器需要用八個位面，可表示256種灰度，稱為灰度顯示器。如屏幕分辨率為1024×768，則灰度顯示器的幀緩沖的容量是1024×768×8＝6,291,456位。

1.5.9-8個位面八位面幀緩沖器位面1.5.9-24個位面

如果每個像素用R、G、B三原色混合表示，其中每種原色分別用一個字節(jié)表示，各對應一把電子槍，每種顏色可有256種亮度，三種顏色的組合是224顏色，共有二十四個位面。

如屏幕分辨率為1024×768，則彩色顯示器的幀緩沖的容量是1024×768×8×3＝18,874,368位24個位面幀緩沖器

1.5.9-索引色

為了進一步提高顏色的種類，控制幀緩沖的增加，可把幀緩沖中的位面號作為顏色索引表的索引號，為每組原色配置一個顏色索引表，顏色索引表有256項，每一項具有w位字寬，當w大于8時，如w＝10，可以有210種亮度等級，但每次只能有256種不同的亮度等級可用，這種顏色稱為索引色。在本書后續(xù)的程序中，將使用COLORREFRGB(BYTEbRed，BYTEbGreen，BYTEbBlue)宏定義顏色。

一個像素的參數為位置坐標（x,y）和顏色值Color1.5.11-顯示器的種類CRT顯示器（CathodeRayTube，CRT）等離子顯示器（PlasmaDisplayPanel，PDP）液晶顯示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）CRT LCD PDP1.5.12三維顯示器二維顯示器上觀看三維圖像的方法坐標變換方法三維立體顯示方法立體眼鏡方法立體攝影方法三維立體畫方法三維顯示器1.5.12-坐標變換方法

這是目前光柵掃描顯示器顯示三維圖像的主流技術，通過坐標變換可以將三維點（x，y，z）變換為屏幕設備坐標點（x，y）。這種通過三維坐標系向二維坐標系的投影變換生成的三維圖像稱為準三維圖像。1.5.12-立體眼鏡方法紅綠立體1.5.12-立體攝影方法立體照片需要佩戴互補色眼鏡觀看1.5.12-三維立體畫方法三維立體畫生成原理1.5.12-三維立體畫方法“博創(chuàng)圖標”三維立體畫1.5.12-三維顯示器

不需要佩戴任何3D眼鏡就可以觀察到具有三維立體效果的圖像1.6圖形軟件標準的形成1974年，美國計算機協會圖形學專業(yè)委員會召開了一個“與機器無關的圖形技術”工作會議，提出了圖形軟件標準化問題。ISO批準的第一個圖形軟件標準軟件：圖形核心系統（GraphicsKernalSystem，GKS），它是二維圖形軟件標準1988年，ISO批準的第二個圖形軟件標準軟件：GKS3D。它是三維圖形軟件標準。1.6圖形軟件標準的形成

1986年，ISO又公布了第二個圖形軟件標準：程序員級的分層結構交互圖形系統（Programmer’sHierarchicalInteractiveSystem，PHIGS）。

PHIGS是對GKS的擴充，增加的功能有對象建模、彩色設定、表面繪制和圖形管理等。此后，PHIGS的擴充稱為PHIGS＋

1.6圖形軟件標準的形成

進入20世紀90年代以后存在著一些事實上的標準，如SGI公司開發(fā)的OpenGL（OpenGraphicsLibrary）開放式三維圖形標準微軟公司為PC游戲開發(fā)的應用程序接口標準DirectX等1.7計算機圖形學的最新技術

計算機圖形學的最新技術主要體現在三維實體造型上。對于三維模型可以按照給定的視點和視向進行觀察和消隱，也可以執(zhí)行投影變換獲得相應的二維圖形。為了繪制具有真實感的三維圖形，還需要采用適當的光照模型，模擬物體在現實世界的光照效果。構造一個三維實體需要人機交互技術、實體造型技術和真實感圖形顯示技術相互結合。1.7計算機圖形學的最新技術1.7.1基于幾何的繪制技術

1.7.2基于圖像的繪制技術1.7.3基于幾何和圖像的混合建模方法80年代：建模技術model＋繪制技術render本世紀：真實感圖形＋實時技術問題：虛擬現實中圖像的繪制速度。思路：損失一定的圖像質量來達到實時方法：LOD（LevelofDetail）IBR（ImagebasedRendering）1.7.1基于幾何的繪制技術（ModelBasedRendering）利用計算機圖形學技術，對真實場景進行抽象，從而建立三維場景模型，然后利用計算機實現場景模型的繪制、著色、消隱、光照以及投影等處理過程，最終生成給定的視點和視方