計(jì)算機(jī)圖形學(xué)講義

第一章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述李健陜西科技大學(xué)電信學(xué)院計(jì)算機(jī)系lijianjsj@

2/4/20231本講的主要內(nèi)容1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本概念1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用1.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的熱點(diǎn)技術(shù)1.5圖形設(shè)備1.6關(guān)于該課程的學(xué)習(xí)2/4/20232計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究怎樣利用計(jì)算機(jī)來(lái)顯示、生成和處理圖形的原理、方法和技術(shù)的一門(mén)學(xué)科。IEEE定義：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)中最為活躍、得到廣泛應(yīng)用的分支之一。什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)？2/4/20233圖形：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對(duì)象通常意義下的圖形：能夠在人的視覺(jué)系統(tǒng)中形成視覺(jué)印象的客觀對(duì)象都稱為圖形。如：

(1)自然景物

(2)照片和圖片

(3)工程圖、設(shè)計(jì)圖和方框圖

(4)人工美術(shù)繪畫(huà)、雕塑品

(5)用數(shù)學(xué)方法描述的圖形（包括幾何圖形、代數(shù)方程、分析表達(dá)式或列表所確定的圖形）2/4/20234圖形：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對(duì)象計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的圖形概念:是指由點(diǎn)、線、面、體等幾何要素和明暗、灰度（亮度）、色彩等非幾何要素構(gòu)成的，從現(xiàn)實(shí)世界中抽象出來(lái)的帶有灰度、色彩及形狀的圖或形。2/4/20235圖形：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對(duì)象兩類圖形要素：

1.幾何要素：點(diǎn)，線，面，體等；

2.非幾何要素：明暗，灰度，色彩等計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中所研究的圖形：從客觀世界物體中抽象出來(lái)的帶有顏色及形狀信息的圖和形。2/4/20236計(jì)算機(jī)中表示圖形的方法圖形的兩種表示方法：點(diǎn)陣法是用具有顏色信息的點(diǎn)陣來(lái)表示圖形的一種方法，它強(qiáng)調(diào)圖形由哪些點(diǎn)組成，并具有什么灰度或色彩。參數(shù)法是以計(jì)算機(jī)中所記錄圖形的形狀參數(shù)與屬性參數(shù)來(lái)表示圖形的一種方法。圖形（Graphics）通常把參數(shù)法描述的圖形圖象（Image）把點(diǎn)陣法描述的圖形叫做點(diǎn)陣表示2/4/20237

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形、以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法，構(gòu)成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容。包括：圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形計(jì)算與顯示算法，科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。2/4/20238歸納為：圖形的輸入如何開(kāi)發(fā)利用圖形輸入設(shè)備及軟件將圖形輸入到計(jì)算機(jī)中去，以便作各種處理。圖形的處理包括對(duì)圖形進(jìn)行變換(幾何變換，投影變換)和運(yùn)算（集合運(yùn)算），著色，形變等……圖形的輸出如何將圖形特定的表示形式轉(zhuǎn)換成圖形輸出系統(tǒng)便于接受的表示形式，并將圖形在顯示屏、打印機(jī)繪圖機(jī)等輸出設(shè)備上輸出。2/4/20239本課程不會(huì)講到…任何軟件的應(yīng)用，包括Photoshop,CorelDraw,Flash,etc3DSMAX,Maya,etcAutoCAD,etc藝術(shù)設(shè)計(jì)游戲設(shè)計(jì)OpenGL&DirectX的開(kāi)發(fā)圖像、視頻處理2/4/202310計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與相關(guān)學(xué)科數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型圖像生成（計(jì)算機(jī)圖形學(xué)）模型（特征）提取（計(jì)算機(jī)視覺(jué)，模式識(shí)別）圖像變換（圖像處理）模型變換（計(jì)算幾何）計(jì)算幾何：研究幾何形體在計(jì)算機(jī)中的表示；分析、研究怎樣建立幾何形體的數(shù)學(xué)模型；研究曲線、曲面的表示、生成、拼接。圖像處理：研究如何對(duì)數(shù)字圖像做各種變換以方便處理；如何濾波；如何壓縮圖像數(shù)據(jù)；圖像邊緣提取，特征增強(qiáng)。計(jì)算機(jī)視覺(jué)：圖形學(xué)的逆過(guò)程，分析和識(shí)別輸入的圖像并從中提取二維或三維的數(shù)據(jù)模型（特征）。如手寫(xiě)體識(shí)別、機(jī)器視覺(jué)。發(fā)展特點(diǎn):交叉、界線模糊、相互滲透2/4/202311計(jì)算機(jī)圖形學(xué)2/4/202312圖像處理原圖片2/4/202313計(jì)算幾何2/4/202314計(jì)算機(jī)視覺(jué)2/4/202315浙江大學(xué)工程及計(jì)算機(jī)圖學(xué)所與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的學(xué)科

圖像信號(hào)CG計(jì)算機(jī)視覺(jué)和模式識(shí)別特征數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)數(shù)字圖象處理試圖從非圖象形式的數(shù)據(jù)描述來(lái)生成（逼真的）圖象旨在對(duì)圖象進(jìn)行各種加工以改善圖象的視覺(jué)效果研究用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬生物外顯或宏觀視覺(jué)功能的科學(xué)和技術(shù)分析、研究怎樣靈活方便地建立幾何形體的數(shù)學(xué)模型，提高算法效率，在計(jì)算機(jī)內(nèi)更好地存儲(chǔ)和管理這些模型等。研究曲線、曲面的表示、生成、拼接、數(shù)據(jù)擬合CAD/CAGD…2/4/2023161.2

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史50年代1950年，第一臺(tái)圖形顯示器作為美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）旋風(fēng)I號(hào)（WhirlwindI）計(jì)算機(jī)的附件誕生了，它類似于示波器的CRT來(lái)顯示簡(jiǎn)單圖形。--CRT的出現(xiàn)為計(jì)算機(jī)生成和顯示圖形提供了可能1958年，美國(guó)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(jì)算機(jī)上開(kāi)發(fā)SAGE空中防御體系，通過(guò)光筆在屏幕上指點(diǎn)與系統(tǒng)交互。--標(biāo)志著交互式圖形技術(shù)的誕生2/4/20231760年代1962年，雷諾汽車公司的工程師PierreBézier

提出Bézier曲線、曲面的理論1963年，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的IvanSutherland發(fā)表了題為“Sketchpad：一個(gè)人機(jī)交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文，提出了基本交互技術(shù)、圖元分層表示概念及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。確定了交互圖形學(xué)作為一個(gè)學(xué)科分支的地位。Sutherland本人也被公認(rèn)為圖形學(xué)之父。

1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了超限插值的新思想，通過(guò)插值四條任意的邊界曲線來(lái)構(gòu)造曲面。2/4/20231870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(wú)關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會(huì)議ACM成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，制定“核心圖形系統(tǒng)”（CoreGraphicsSystem）ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS等標(biāo)準(zhǔn)。2/4/202319真實(shí)感圖形學(xué)1970年，Bouknight提出了第一個(gè)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(jiǎn)單光照模型-Phong模型實(shí)體造型技術(shù)英國(guó)劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng)美國(guó)羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)2/4/20232080年代1980年Whitted提出了一個(gè)光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例。1984年，美國(guó)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，提出基于輻射度的圖形繪制方法。圖形硬件和各個(gè)分支均在這個(gè)時(shí)期飛速發(fā)展2/4/202321提高增強(qiáng)期（90年代）

90年代：微機(jī)和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化多媒體技術(shù)、人工智能、科學(xué)計(jì)算可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)三維造型技術(shù)總體特征：技術(shù)發(fā)展、需求驅(qū)動(dòng)2/4/202322小知識(shí)：IvanSutherland1938年5月16日，出生于美國(guó)內(nèi)布拉斯加州。在MIT導(dǎo)師Shannon的指導(dǎo)下，進(jìn)行了圖形編程的開(kāi)發(fā)，作為他博士研究的一部分。作為著名的科學(xué)家，ClaudeShannon以前是不會(huì)和一個(gè)研究生共同工作的。Sutherland的計(jì)算機(jī)編程，被稱為Sketchpad，是第一個(gè)可以在顯示屏幕上直接構(gòu)造圖形圖像的系統(tǒng)，不用再通過(guò)鍵盤(pán)向計(jì)算機(jī)輸入代碼和公式。1964年成為ARPA的信息處理技術(shù)辦公室主任。1966年到哈佛大學(xué)擔(dān)任電子工程專業(yè)的副教授。在哈佛，Sutherland開(kāi)始研究通過(guò)把用戶放入計(jì)算機(jī)生成的三維世界中進(jìn)一步集成人腦與計(jì)算機(jī)的可能性。這一方案的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)在戴在用戶頭上的雙目眼鏡內(nèi)的小計(jì)算機(jī)屏幕上放映圖像而完成的——這就是第一臺(tái)頭盔式顯示器。2/4/202323小知識(shí)：IvanSutherland1968年，猶他大學(xué)電子工程教授。同時(shí)創(chuàng)立了Evans&Sutherland，如今已成為業(yè)內(nèi)的主導(dǎo)設(shè)計(jì)者和制造商。1975年，離開(kāi)猶他大學(xué)和Evans&Sutherland，返回加州理工學(xué)院擔(dān)任計(jì)算機(jī)科學(xué)系的系主任。1980年離開(kāi)加州理工，建立了Sutherland,Sproull,andAssociates，一個(gè)顧問(wèn)和資本投資公司，即現(xiàn)今Sun微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的五家伙伴公司之一。1988年獲得A.M.圖靈獎(jiǎng)（A.M.TuringAward）。Sketchpad，1963

頭盔式顯示器，1967“達(dá)摩克利斯之劍”2/4/202324ACMSIGGRAPH會(huì)議小知識(shí)全稱：美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)圖形學(xué)專業(yè)委員會(huì)，“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”60年代中期，由Brown大學(xué)的教授AndriesvanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa發(fā)起1974年，在Colorado大學(xué)召開(kāi)了第一屆SIGGRAPH年會(huì)，并取得了巨大的成功每年只錄取大約80篇論文，而參加人數(shù)達(dá)幾萬(wàn)人開(kāi)設(shè)大量的相關(guān)課程，進(jìn)行研究和應(yīng)用培訓(xùn)2/4/202325硬件的發(fā)展圖形顯示器的發(fā)展60年代中期：畫(huà)線顯示器（亦稱矢量顯示器）。需要不停的刷新，設(shè)備昂貴，限制普及。60年代末，存儲(chǔ)管式顯示器70年代初，刷新式光柵掃描顯示器出現(xiàn)，大大地推動(dòng)了交互式圖形技術(shù)的發(fā)展。以點(diǎn)陣形式表示圖形，使用專用的緩沖區(qū)存放點(diǎn)陣，由視頻控制器負(fù)責(zé)刷新掃描2/4/202326硬件的發(fā)展

打印設(shè)備的發(fā)展EpsonLX-800(1980s)EPSONStylusPhoto950(2005)1959年，美國(guó)Calcomp公司研制出的世界上第一臺(tái)滾筒式繪圖機(jī)，使計(jì)算機(jī)輔助繪圖儀開(kāi)始代替人工繪圖。PloterHP3500CP2/4/202327圖形輸入設(shè)備的發(fā)展第一階段：控制開(kāi)關(guān)、穿孔紙等等第二階段：鍵盤(pán)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），用戶的手勢(shì)、語(yǔ)音表情等等第五階段：用戶的思維？？？（萌芽已經(jīng)產(chǎn)生了?。。?/4/202328計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展硬設(shè)備的發(fā)展2/4/202329硬件的發(fā)展

“大腦芯片”解碼意念信號(hào)美國(guó)布朗大學(xué)在一名嚴(yán)重癱瘓的男子的大腦中植入了一枚電子芯片，當(dāng)他想要移動(dòng)他的胳膊的時(shí)候，芯片就把信號(hào)轉(zhuǎn)送給電腦，電腦就在顯示屏上移動(dòng)光標(biāo)。試驗(yàn)中，從頸部以下完全癱瘓的這名病人能夠做一些簡(jiǎn)單的事情，比如控制電視無(wú)需將芯片植入大腦感應(yīng)帽便可讀出人的思想美國(guó)紐約大學(xué)的研究人員發(fā)明“感應(yīng)帽”，即在一個(gè)頭盔上安裝64個(gè)電極，這些電極可以從大腦皮層靈敏地捕捉到大腦發(fā)出的信號(hào)。已有4名試驗(yàn)者在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間訓(xùn)練后可以通過(guò)思想來(lái)操縱電腦顯示器的光標(biāo)。2/4/202330圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)形成

三種類型的計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)：用某種語(yǔ)言寫(xiě)成的子程序包(圖形庫(kù))GKS(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicssystem)GL，DirectXDraw&DirectX3D便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對(duì)較慢，效率低

擴(kuò)充計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，使其具有圖形生成和處理的功能TurboPascal、TurboC，AutoLisp等。簡(jiǎn)練、緊湊、執(zhí)行速度快，但不可移植專用圖形系統(tǒng)：效率高，但系統(tǒng)開(kāi)發(fā)量大，可移植性差2/4/202331通用的、與設(shè)備無(wú)關(guān)的圖形包，圖形標(biāo)準(zhǔn)GKS(GraphicsKernelSystem)，第一個(gè)官方標(biāo)準(zhǔn)，1977PHIGS(Programmer’s

HerarchicalInteractiveGraphicssystem),1988一些非官方圖形軟件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)界，成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)DirectX(MS)OpenGL(SGI)Xlib(X-Window系統(tǒng))Adobe公司Postscript趨勢(shì):開(kāi)放式、高效率2/4/2023321.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）CAD/CAM是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域飛機(jī)、汽車、船舶的外形的設(shè)計(jì)發(fā)電廠、化工廠等的布局土木工程、建筑物的設(shè)計(jì)電子線路、電子器件的設(shè)計(jì)2/4/202333波音公司的CAD案例波音飛機(jī)的設(shè)計(jì)：龐大的波音777飛機(jī)有300萬(wàn)個(gè)部件，其設(shè)計(jì)過(guò)程卻沒(méi)有使用過(guò)一張圖紙，也沒(méi)有做任何1比1模型，全部都在電腦系統(tǒng)中模擬完成。專業(yè)人員可在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行三維模擬設(shè)計(jì)。利用數(shù)字軟件，波音777的300萬(wàn)個(gè)零部件的尺寸和形狀數(shù)據(jù)在工作開(kāi)始時(shí)就被存入了數(shù)據(jù)庫(kù)。設(shè)計(jì)人員在需要時(shí)，可隨時(shí)從部件數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找匹配的部件，無(wú)需重新設(shè)計(jì)。據(jù)計(jì)算，應(yīng)用這樣的方法可使飛機(jī)設(shè)計(jì)效率提高約3倍。2/4/202334圖形用戶界面人機(jī)界面（HCI）：介于人與計(jì)算機(jī)之間，人與機(jī)器的通信。用戶接口是人們使用計(jì)算機(jī)的第一觀感。一個(gè)友好的圖形化的用戶界面能夠大大提高軟件的易用性發(fā)展：由指示燈和機(jī)械開(kāi)關(guān)組成的操縱界面由終端和鍵盤(pán)組成的字符界面（80年代）由多種輸入設(shè)備和光柵圖形顯示設(shè)備構(gòu)

成的圖形用戶界面（90年代）VR技術(shù)（發(fā)展方向）2/4/202335圖形學(xué)已經(jīng)全面融入HCI的方方面面，很多軟件幾乎可以不看任何說(shuō)明書(shū)，而根據(jù)它的圖形、或動(dòng)畫(huà)界面的指示進(jìn)行操作，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)界面是建立在以前的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究基礎(chǔ)上的。目前幾個(gè)大的軟件公司都在研究下一代用戶界面，開(kāi)發(fā)面向主流應(yīng)用的、自然、高效多通道的用戶界面。研究多通道語(yǔ)義模型、多通道整合算法及其軟件結(jié)構(gòu)和界面范式是當(dāng)前用戶界面和接口方面研究的主流方向，而圖形學(xué)在其中起主導(dǎo)作用。2/4/202336地理信息系統(tǒng)（GIS）建立在地理圖形之上的關(guān)于各種資源的綜合信息管理系統(tǒng)1998年，美國(guó)前副總統(tǒng)戈?duì)柼岢鰯?shù)字地球概念。以地形數(shù)據(jù)作為載體，全球信息化.軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查2/4/202337美國(guó)UCLA城市仿真小組：虛擬洛杉磯深圳規(guī)劃國(guó)土局：虛擬深圳2/4/202338VRSystemGISInternetDigitalEarthGISdatabaseTexturefileDEMserverCADsystem模型導(dǎo)入

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DataSourcesConnectorLayer2/4/202339計(jì)算機(jī)藝術(shù)二維交互式繪圖：Coreldraw,Photoshop相片真實(shí)感模擬與自然物體仿真技術(shù)三維建模和渲染軟件包：3DSMAX,Maya分形藝術(shù)2/4/202340早期：簡(jiǎn)單的二維交互式繪圖(PhotoShop,Flash,CorelDraw)優(yōu)點(diǎn)：提供多種風(fēng)格的畫(huà)筆畫(huà)刷提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對(duì)圖象進(jìn)行霧化，變形等操作可以任意修改，取消敗筆不足：無(wú)法達(dá)到傳統(tǒng)繪畫(huà)中風(fēng)格化的藝術(shù)效果很難得到有素描效果、油畫(huà)效果的藝術(shù)品2/4/202341非真實(shí)感繪制（NPR，Non-PhotorealisticRendering）用于模擬藝術(shù)效果，研究方法有別于真實(shí)感圖形學(xué)鋼筆素描的生成鋼筆素描產(chǎn)生于中世紀(jì)，從19世紀(jì)開(kāi)始成為一門(mén)藝術(shù)，20世紀(jì)90年代開(kāi)始研究用計(jì)算機(jī)模擬。GeorgesWinkenbach繪制的壺和碗(Siggraph’96)Salisbury繪制的茶壺(Siggraph’97)2/4/202342Salisbury繪制的熊(Siggraph’97)OliverDeussen繪制的素描樹(shù)(Siggraph’2000)2/4/202343中國(guó)國(guó)畫(huà)與書(shū)法的生成2/4/202344科學(xué)計(jì)算可視化海量的數(shù)據(jù)使得人們對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來(lái)越難，用圖形來(lái)表示數(shù)據(jù)的迫切性與日俱增1986年，美國(guó)科學(xué)基金會(huì)（NSF）專門(mén)召開(kāi)了一次研討會(huì)，會(huì)上提出了“科學(xué)計(jì)算可視化（VisualizationinScientificComputing）”科學(xué)計(jì)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。2/4/202345在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途是機(jī)械手術(shù)和遠(yuǎn)程手術(shù)的基礎(chǔ)將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖象，幫助醫(yī)生判別病人體內(nèi)的患處由CT數(shù)據(jù)產(chǎn)生在人體內(nèi)漫游的圖象可視化的前沿與難點(diǎn)可視化硬件的研究實(shí)時(shí)的三維體繪制體內(nèi)組織的識(shí)別分割——Segmentation2/4/202346VirtualReality（虛擬現(xiàn)實(shí)、靈境）用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)生成一個(gè)逼真的三維視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)或嗅覺(jué)等感覺(jué)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(duì)這一生成的虛擬世界客體進(jìn)行瀏覽和交互考察。2/4/202347在線虛擬現(xiàn)實(shí)VRMLQuickTimeVR2/4/2023481.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的熱點(diǎn)技術(shù)真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制自然景物仿真計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)造型技術(shù)2/4/202349真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制計(jì)算機(jī)中重現(xiàn)真實(shí)世界的場(chǎng)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(jiǎn)單的說(shuō)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(duì)位置，遮擋關(guān)系等等。研究?jī)?nèi)容：光照模型：簡(jiǎn)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2/4/202350物體網(wǎng)格模型的面片簡(jiǎn)化：對(duì)網(wǎng)格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內(nèi)，刪除點(diǎn)、邊、面，從而簡(jiǎn)化所繪制場(chǎng)景的復(fù)雜層度，加快圖形繪制速度基于圖象的繪制(IBR，ImageBasedRendering)：完全摒棄傳統(tǒng)的先建模，然后確定光源的繪制的方法。它直接從一系列已知的圖象中生成未知視角的圖象，適用于野外極其復(fù)雜場(chǎng)景的生成和漫游。真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制2/4/202351自然景物的模擬野外場(chǎng)景遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜于室內(nèi)場(chǎng)景，繪制難度更大，方法更趨多樣化主要繪制山、水、云、樹(shù)、草、火等等繪制火的粒子系統(tǒng)（ParticleSystem），基于生理模型的繪制植物的方法，繪制云的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)方法等2/4/202352由清華大學(xué)自然景物平臺(tái)生成的野外場(chǎng)景日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實(shí)感云2/4/202353Xfrog3.0生成的挪威云杉2/4/202354計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)近十多年來(lái)取得了很大的發(fā)展，已滲透到人們生活的各個(gè)角落商業(yè)廣告、影視特技/片頭、動(dòng)畫(huà)片教育、軍事、飛行模擬等分類二維動(dòng)畫(huà) 圖象變形形狀混合三維動(dòng)畫(huà)關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)變形物體的動(dòng)畫(huà)過(guò)程動(dòng)畫(huà)關(guān)節(jié)動(dòng)畫(huà)與人體動(dòng)畫(huà)2/4/202355基于特征的圖象變形2/4/202356Pixal3DBirdTheIncredibles2/4/202357造型技術(shù)規(guī)則形體：歐氏幾何方法不規(guī)則形體：分形幾何方法粒子系統(tǒng)紋理映射實(shí)體造型基于物理的造型基于圖像的造型2/4/2023582/4/2023592/4/2023602/4/2023611.5 圖形設(shè)備圖形顯示設(shè)備圖形輸出包括圖形的顯示和圖形的繪制，圖形顯示指的是在屏幕上輸出圖形圖形繪制通常指把圖形畫(huà)在紙上，也稱硬拷貝，打印機(jī)和繪圖儀是兩種最常用的硬拷貝設(shè)備2/4/202362彩色CRT顯示器CRT（CRTCathode－RayTube，陰極射線管）組成電子槍聚焦系統(tǒng)加速系統(tǒng)磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)2/4/202363CRT顯示器的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖燈絲(加熱)陰極(產(chǎn)生電子束)控制柵(調(diào)整強(qiáng)度)聚焦系統(tǒng)加速電極(高壓包)偏轉(zhuǎn)板水平偏轉(zhuǎn)垂直偏轉(zhuǎn)電子束熒光圖層2/4/202364顯示器工作原理高速的電子束由電子槍發(fā)出，經(jīng)過(guò)聚焦系統(tǒng)、加速系統(tǒng)和磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)就會(huì)到達(dá)熒光屏的特定位置。由于熒光物質(zhì)在高速電子的轟擊下會(huì)發(fā)生電子躍遷，即電子吸收到能量從低能態(tài)變?yōu)楦吣軕B(tài)。由于高能態(tài)很不穩(wěn)定，在很短的時(shí)間內(nèi)熒光物質(zhì)的電子會(huì)從高能態(tài)重新回到低能態(tài)，這時(shí)將發(fā)出熒光，屏幕上的那一點(diǎn)就會(huì)亮了由于余暉時(shí)間有限，所以要保持顯示一幅穩(wěn)定的畫(huà)面，必須不斷地發(fā)射電子束。2/4/202365電平控制器(控制柵)是用來(lái)控制電子束的強(qiáng)弱的，當(dāng)加上正電壓時(shí)，電子束就會(huì)大量通過(guò)，將會(huì)在屏幕上形成較亮的點(diǎn)，當(dāng)控制電平加上負(fù)電壓時(shí)，依據(jù)所加電壓的大小，電子束被部分或全部阻截，通過(guò)的電子很少，屏幕上的點(diǎn)也就比較暗。聚焦系統(tǒng)是一個(gè)電透鏡，能使眾多的電子聚集于一點(diǎn)。加速電極使電子達(dá)到轟擊激發(fā)熒光屏應(yīng)有的速度。最后由磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)來(lái)達(dá)到指定位置。2/4/202366偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制電子束，使其在熒光屏的適當(dāng)位置繪圖。要到達(dá)屏幕的邊緣時(shí)，偏轉(zhuǎn)角度就會(huì)增大。到達(dá)屏幕最邊緣的偏轉(zhuǎn)角度被稱為最大偏轉(zhuǎn)角CRT顯示器屏幕越大，要求最大偏轉(zhuǎn)角越大，則整個(gè)顯象管就越長(zhǎng)刷新頻率刷新一次是指電子束從上到下掃描一次的過(guò)程刷新頻率高到一定值后，圖象才能穩(wěn)定顯示2/4/202367電子束掃描過(guò)程示意圖掃描線垂直回掃2/4/202368隔行掃描與逐行掃描有些掃描速度較慢的顯示器，為了能得到好的顯示效果，采用一種叫隔行掃描的技術(shù)。首先從第0行開(kāi)始，每隔一行掃描，將偶數(shù)行都掃描完畢垂直回掃后，電子束從第1行開(kāi)始掃描所有奇數(shù)行。這樣的技術(shù)相當(dāng)于將掃描頻率加倍，比如逐行掃描30Hz人們會(huì)覺(jué)得閃爍，但是同樣的掃描頻率，如果用隔行掃描技術(shù)人們就不會(huì)覺(jué)得閃爍。掃描線垂直回掃2/4/202369熒光屏是最終顯示圖形的部件。電子束打在熒光屏上，產(chǎn)生光點(diǎn)。電子束的強(qiáng)弱決定了光點(diǎn)的亮度。CRT在水平方向和垂直方向上能識(shí)別的最大光點(diǎn)數(shù)稱為分辨率。光點(diǎn)也稱為像素(Pixel)。常見(jiàn)的分辨率有640×480,1024×768,1024*1024,1280*1024等。2/4/202370彩色CRT顯示器早期：射線穿透法影孔板法彩色CRT顯示器的熒光屏上涂有三種熒光物質(zhì)，它們分別能發(fā)紅、綠、蘭三種顏色的光。而電子槍也發(fā)出三束電子束來(lái)激發(fā)這三種物質(zhì)，中間通過(guò)一個(gè)控制柵格來(lái)決定三束電子到達(dá)的位置。三束電子經(jīng)過(guò)蔭罩的選擇，分別到達(dá)三個(gè)熒光點(diǎn)的位置。通過(guò)控制三個(gè)電子束的強(qiáng)弱就能控制屏幕上點(diǎn)的顏色。2/4/202371蔭罩式彩色CRT顯色原理2/4/202372三束電子經(jīng)過(guò)蔭罩的選擇，分別到達(dá)三個(gè)熒光點(diǎn)的位置。通過(guò)控制三個(gè)電子束的強(qiáng)弱控制屏幕上點(diǎn)的顏色。如將紅、綠兩個(gè)電子槍關(guān)了，屏幕上就只顯示蘭色了。如果每一個(gè)電子槍都有256級(jí)（8位）的強(qiáng)度控制，那么這個(gè)顯象管所能產(chǎn)生的顏色就是我們平時(shí)所說(shuō)的24位真彩色了。VC編程中的顏色控制“0xFF8800”2/4/202373平面顯示器熒光屏為完全平面，大大提高了圖形的顯示質(zhì)量。由于玻璃的折射，屏幕會(huì)產(chǎn)生內(nèi)凹的現(xiàn)象，但是通過(guò)一定的補(bǔ)償技術(shù)，就能產(chǎn)生真正平面的感覺(jué)。由于平面顯示器的高清晰度、低失真以及對(duì)人眼的低傷害，已經(jīng)越來(lái)越得到人們的喜愛(ài)。2/4/202374LCD顯示器CRT固有的物理結(jié)構(gòu)限制了它向更廣的顯示領(lǐng)域發(fā)展屏幕的加大必然導(dǎo)致顯象管的加長(zhǎng)，顯示器的體積必然要加大，在使用時(shí)候就會(huì)受到空間的限制CRT顯示器是利用電子槍發(fā)射電子束來(lái)產(chǎn)生圖像，容易受電磁波干擾長(zhǎng)期電磁輻射會(huì)對(duì)人們健康產(chǎn)生不良影響LCD顯示器的優(yōu)點(diǎn)外觀小巧精致，厚度只有6.5~8cm左右。不會(huì)產(chǎn)生CRT那樣的因?yàn)樗⑿骂l率低而出現(xiàn)的閃爍現(xiàn)象工作電壓低，功耗小，節(jié)約能源沒(méi)有電磁輻射，對(duì)人體健康沒(méi)有任何影響2/4/202375兩款LCD(SONY)2/4/202376LCD顯示器基本原理液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質(zhì)，它具有液體的流態(tài)性質(zhì)和固體的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)液晶受到電壓的影響時(shí)，就會(huì)改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變，此時(shí)通過(guò)它的光的折射角度就會(huì)發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩。液晶屏幕后面有一個(gè)背光，這個(gè)光源先穿過(guò)第一層偏光板，再來(lái)到液晶體上，而當(dāng)光線透過(guò)液晶體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光線的色澤改變，從液晶體射出來(lái)的光線，還得必須經(jīng)過(guò)一塊彩色濾光片以及第二塊偏光板。2/4/202377液晶顯示有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種被動(dòng)式液晶屏幕有STN（SuperTN超扭曲向列LCD）和DSTN（DoublelayerSuperTN雙層超扭曲向列LCD）等最流行的主動(dòng)式液晶屏幕是TFT（ThinFilmTransistor薄膜晶體管）主動(dòng)式液晶顯示器使用了FET場(chǎng)效晶體管以及共通電極，這樣可以讓液晶體在下一次的電壓改變前一直保持電位狀態(tài)。這樣主動(dòng)式液晶顯示器就不會(huì)產(chǎn)生在被動(dòng)式液晶顯示器中常見(jiàn)的鬼影、或是畫(huà)面延遲的殘像等2/4/202378LCD顯示器的基本指標(biāo)可視角度視線與屏幕中心法向成一定角度時(shí)，人們就不能清晰地看到屏幕圖象，而那個(gè)能看到清晰圖象的最大角度被我們稱為可視角度。一般所說(shuō)的可視角度是指左右兩邊的最大角度相加。工業(yè)上有CR10（ContrastRatio）、CR5兩種標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷液晶顯示器的可視角度。點(diǎn)距與分辨率液晶屏幕的點(diǎn)距就是兩個(gè)液晶顆粒（光點(diǎn)）之間的距離，一般0.28~0.32mm就能得到較好的顯示效果通常所說(shuō)的液晶顯示器的分辨率是指其真實(shí)分辨率，表示水平方向的像素點(diǎn)數(shù)與垂直方向的像素點(diǎn)數(shù)的乘積2/4/202379圖形處理器(GPU)圖形處理器是圖形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要元件，是連接計(jì)算機(jī)和顯示終端的紐帶。早期的圖形處理器只包含簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)器和幀緩沖區(qū)，它們實(shí)際上只起了一個(gè)圖形的存儲(chǔ)和傳遞作用，一切操作都必須有CPU來(lái)控制?，F(xiàn)在的圖形處理器不單單存儲(chǔ)圖形，而且能完成大部分圖形函數(shù)，專業(yè)的圖形卡已經(jīng)具有很強(qiáng)的3D處理能力，大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，提高了顯示質(zhì)量和顯示速度。RADEONX800制作工藝：0.13Micron晶體管：160Million2/4/202380圖形處理器的組成顯示主芯片顯卡的核心，俗稱GPU，它的主要任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)輸入的視頻信息進(jìn)行構(gòu)建和渲染顯示緩存用來(lái)存儲(chǔ)將要顯示的圖形信息以及保存圖形運(yùn)算的中間數(shù)據(jù)顯存的大小和速度直接影響著主芯片性能的發(fā)揮數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（RAMDAC）它的作用就是把二進(jìn)制的數(shù)字轉(zhuǎn)換成為和顯示器相適應(yīng)的模擬信號(hào)2/4/202381幀緩存(!)存儲(chǔ)將要顯示的圖形信息：屏幕每象素的色彩不同的顯示器設(shè)置，幀緩存不同屏幕幀緩存記錄屏幕每象素的色彩周期性讀取(按刷新率)計(jì)算OS應(yīng)用程序2/4/202382幀緩存(!)雙幀緩存：用于計(jì)算密集的情況(如實(shí)時(shí)三維游戲)2/4/202383圖形輸入設(shè)備最常用的圖形輸入設(shè)備就是基本的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備——鍵盤(pán)和鼠標(biāo)光筆是一種能檢測(cè)出計(jì)算機(jī)熒光屏發(fā)出熒光的筆式裝置，它對(duì)電子束打到特定象素點(diǎn)時(shí)熒光涂層瞬時(shí)發(fā)射的突發(fā)光敏感。光筆并未消失，但由于其精度低、操作容易疲勞、不能檢測(cè)屏幕黑暗區(qū)域，因此它不再普及。2/4/202384圖形輸入設(shè)備跟蹤球和空間球都是根據(jù)球在不同方向受到的推或拉的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)定位和選擇。數(shù)據(jù)手套則是通過(guò)傳感器和天線來(lái)獲得和發(fā)送手指的位置和方向的信息。這幾種輸入設(shè)備在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的構(gòu)造和漫游中特別有用。2/4/202385數(shù)字化儀是一種把圖形轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)能接收的數(shù)字形式專用設(shè)備基本工作原理是采用電磁感應(yīng)技術(shù)。由一塊數(shù)據(jù)板和一根觸筆組成。數(shù)據(jù)板中布滿了金屬柵格，當(dāng)觸筆在數(shù)據(jù)板上移動(dòng)時(shí)，其正下方的金屬柵格上就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流。根據(jù)已產(chǎn)生電流的金屬柵格的位置，就可以判斷出觸筆當(dāng)前的幾何位置。2/4/202386掃描儀圖形掃描儀是直接把圖形和圖象掃描到計(jì)算機(jī)中以象素信息進(jìn)行存儲(chǔ)的設(shè)備絕大多數(shù)是采用的固態(tài)器件是電荷耦合器件（CCD,ChargeCoupledDevice）工作原理用光源照射原稿，投射光線經(jīng)過(guò)一組光學(xué)鏡頭射到CCD器件上，得到元件的顏色信息，再經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖象數(shù)據(jù)暫存器等輸入到計(jì)算機(jī)2/4/202387掃描儀的模塊框圖2/4/202388真實(shí)物體的三維信息的輸入在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，許多零件和樣板要進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)就必須在計(jì)算機(jī)中生成三維實(shí)體模型，有時(shí)這個(gè)模型要通過(guò)已有的實(shí)物零件得到，這時(shí)候就需要一種設(shè)備來(lái)采集實(shí)物表面各個(gè)點(diǎn)的位置信息一般的方法是通過(guò)激光掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在國(guó)外已經(jīng)有許多這樣的商業(yè)儀器這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用就是掃描保存古代名貴的雕塑和其它藝術(shù)品的三維信息2/4/202389美國(guó)斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)系的著名圖形學(xué)專家MarcLevoy曾經(jīng)帶領(lǐng)他的30人的工作小組（包括美國(guó)斯坦福大學(xué)及美國(guó)華盛頓大學(xué)的教師和學(xué)生）于1998～1999學(xué)年專門(mén)在意大利對(duì)文藝復(fù)興時(shí)代的雕刻大師米開(kāi)朗基羅的眾多藝術(shù)品進(jìn)行掃描，保存其形狀和面片信息。采用專門(mén)的硬件和軟件系統(tǒng)。數(shù)據(jù)量：大衛(wèi)像（theDavid）就有20億個(gè)多邊形和7000張彩色圖象，總共需要72G的磁盤(pán)容量。這次工作可以說(shuō)是實(shí)體圖形輸入的一個(gè)顛峰之作。2/4/202390數(shù)字化米開(kāi)朗基羅計(jì)劃:大型雕塑的三維掃描記錄了十個(gè)米開(kāi)朗基羅完成的大型雕塑的三維模型。2/4/202391敦煌佛像雕塑的三維掃描和記錄2/4/202392圖形學(xué)的特點(diǎn)：1.

drivenbyrealrequirement；2.

drivenewapplications；3.

“steal”knowledgefromotherfi