計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(孫家廣第三版)-第1章

ComputerGraphics(CG)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院陳寅314581243@1Textbook：孫家廣，胡事民，《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程》，人民郵電出版社，2005-7。2References：孫家廣等，《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（3rd）》，清華大學(xué)出版社，1998-1。陳元琰，張曉竟，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)用技術(shù)，科學(xué)出版社，2000DavidF.Rogers著，石教英，彭群生等譯，ProceduralElementsforComputerGraphics(SecondEdition)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的算法基礎(chǔ)，機(jī)械工業(yè)出版社，20023CourseRequirements課程要求：Knowtheframeworkofagraphicalsystem,aswellasthesoftware/hardwaretechnologyofit;Knowthebasicproblemsofcomputergraphics(CG),commandthebasicconcepts,methodsandalgorithmsinCG;HaveainitialunderstandingoftheapplicationsrelatedtoCGandthecurrentresearchhotspotonCG;HavepracticalexperienceinCGandrelatedcodingability4考核形式：平時*40%+考試*60%考試形式：開卷5Chap.1IntroductionWhatisCG？CGisasubjectthatstudieshowtorepresent,generate,processanddisplaygraphics.（表示、生成、處理、顯示）CGisoneofthemostactive,widelyappliedbranchesincomputerscience.6ContentsinChap.1ResearchtopicsinCGHistoryofdevelopmentApplicationFieldsResearchfrontiersandtrends7

1.1 ResearchtopicsinCG

Howtorepresentgraphicsincomputers?Howtousecomputerstoperformgraphicalcomputation,processinganddisplay?Whataretheprinciplesandalgorithms?8

1.1 ResearchtopicsinCG

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，以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。9graphics圖形與images圖象image指計(jì)算機(jī)內(nèi)以位圖(Bitmap)形式存在的灰度(gray)信息。graphics含有幾何屬性(geometricinformation)，更強(qiáng)調(diào)場景(scene)的幾何表示(geometricrepresentation)，是由場景的幾何模型(geometricmodel)和景物的物理屬性(physicalproperty)共同組成的。Twocategoriesingraphics:基于線條信息表示明暗圖(Shading)101112131.2HistoryofCGdevelopment20thCentury1950sIn1950,thefirstgraphicdisplayintheworldwasmade,astheaccessoryofMIT’sWhirlwindIcomputer.In1958,

CalcompCorp.(US)developeddrumplotters(滾筒式繪圖儀),GerBerCorp.developedflatbedplotters(平板式繪圖儀).Attheendof1950s,theLincolnLab.ofMITdevelopedSAGEairdefensesystemonWhilwindcomputer.1420thCentury1960sIn1962,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1962年，雷諾汽車公司的工程師PierreBézier提出Bézier曲線、曲面的理論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。1520thCentury1970s光柵圖形學(xué)rastergraphics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、PHIGS16CGI：ComputerGraphicsInterfaceCGM：ComputerGraphicsMetafileGKS：GraphicsKernelSystemPHIGS：Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicsStandard17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)1820世紀(jì)80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(jì)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19ACMSIGGRAPH會議小知識全稱“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”20世紀(jì)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)召開了第一屆SIGGRAPH年會，并取得了巨大的成功每年只錄取大約50篇論文201.3ApplicationandResearchFrontier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Airplanes,

automobiles,ships

shapedesignPowerplants,chemicalplants

layoutCivilengineering,architectureElectroniccircuitsandcomponentsdesign設(shè)計(jì)結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進(jìn)行加工處理，如波音777飛機(jī)的設(shè)計(jì)和加工過程21網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行異地異構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)已不再是一個設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)孤立的技術(shù)問題，而是綜合了產(chǎn)品各個相關(guān)領(lǐng)域、相關(guān)過程、相關(guān)技術(shù)資源和相關(guān)組織形式的系統(tǒng)化工程從設(shè)計(jì)一開始就考慮產(chǎn)品生命周期的全部因素，從而達(dá)到快速響應(yīng)市場需求的目的協(xié)同設(shè)計(jì)的出現(xiàn)使企業(yè)生產(chǎn)的時空觀發(fā)生了根本的變化；異地設(shè)計(jì)、異地制造、異地裝配為企業(yè)在市場競爭中贏得了寶貴的時間223Dreconstructionbasedonengineeringdrawings基于工程圖紙的三維形體重建Definition：從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進(jìn)行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對應(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點(diǎn)、線、面及其拓?fù)潢P(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)形體的重建Advantages：可以做裝配件的干涉檢查、以及有限元分析、仿真、加工等后續(xù)操作，代表CAD技術(shù)的發(fā)展方向23工程圖及其三維重建結(jié)果124工程圖及其三維重建結(jié)果225可視化(Visualization)海量的數(shù)據(jù)使得人們對數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來越難，用圖形來表示數(shù)據(jù)的迫切性與日俱增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(jì)算可視化（VisualizationinScientificComputing）”科學(xué)計(jì)算可視化廣泛應(yīng)用于：MedicalScienceFluidDynamicsFiniteElementAnalysisMeteorologyAnalysis26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)VisualizationHardwaresReal-time3DSolidRenderingBodyTissueRecognitionandSegmentation2728Renalcyst腎囊腫29Renalcyst腎囊腫30Renalcyst腎囊腫Malignanttumor惡性腫瘤31Malignanttumor惡性腫瘤32真實(shí)感圖形實(shí)時繪制與自然景物仿真計(jì)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3334光照模型illuminationmodelsSimpleilluminationmodelLocalilluminationmodelGlobalilluminationmodel繪制方法RenderingMethods光線跟蹤輻射度加速算法包圍體樹、自適應(yīng)八叉樹等等35Currentresearchhotspot真實(shí)感圖形實(shí)時繪制物體網(wǎng)格模型的面片簡化：對網(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，從而簡化所繪制場景的復(fù)雜程度，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)雜場景的生成和漫游36野外自然景物的模擬野外場景遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜于室內(nèi)場景，繪制難度更大，方法更趨多樣化主要繪制山、水、云、樹、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)胞自動機(jī)方法等37由清華大學(xué)自然景物平臺生成的野外場景38日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實(shí)感云39Xfrog3.0生成的挪威云杉40計(jì)算機(jī)動畫ComputerAnimation計(jì)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CommercialAd,SpecialMovieEffects,CartoonsEducation,Military,FlightSimulation分類二維動畫 圖象變形形狀混合41三維動畫關(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42基于特征的圖象變形（貓變虎）43由三維自由形狀變形（FFD）操作得到的魚的變形圖44用戶接口UserInterface用戶接口是人們使用計(jì)算機(jī)的第一觀感。一個友好的圖形化的用戶界面能夠大大提高軟件的易用性圖形學(xué)已經(jīng)全面融入計(jì)算機(jī)的方方面面，很多軟件幾乎可以不看任何說明書，而根據(jù)它的圖形、或動畫界面的指示進(jìn)行操作45目前幾個大的軟件公司都在研究下一代用戶界面，開發(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。46計(jì)算機(jī)藝術(shù)ComputerArt用計(jì)算機(jī)軟件從事藝術(shù)創(chuàng)作二維平面的畫筆程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）圖表繪制軟件（如Visio）三維建模和渲染軟件包（如3DMAX，Maya）、以及一些專門生成動畫的軟件（如Alias，Softimage）47Advantages：提供多種風(fēng)格的畫筆畫刷提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖象進(jìn)行霧化，變形等操作可以任意修改，取消敗筆Disadvantages：無法達(dá)到傳統(tǒng)繪畫中風(fēng)格化的藝術(shù)效果很難得到有素描效果、油畫效果的藝術(shù)品48非真實(shí)感繪制（NPR，Non-PhotorealisticRendering）非真實(shí)感繪制指的是利用計(jì)算機(jī)生成不具有照片般真實(shí)感,而具有手繪風(fēng)格的圖形的技術(shù)。其目標(biāo)不在于圖形的真實(shí)性,而主要在于表現(xiàn)圖形的藝術(shù)特質(zhì)、模擬藝術(shù)作品(甚至包括作品中的缺陷)或作為真實(shí)感圖形的有效補(bǔ)充。49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)開始成為一門藝術(shù)，20世紀(jì)90年代開始研究用計(jì)算機(jī)模擬中國國畫與書法的生成50GeorgesWinkenb1ach繪制的壺和碗(Siggraph’96)51Salisbury繪制的茶壺(Siggraph’97)52Salisbury繪制的熊(Siggraph’97)53OliverDeussen繪制的素描樹(Siggraph’2000)541.4 圖形設(shè)備Graphicdisplayingdevices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55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)56StructureofCRT57工作原理高速的電子束由電子槍發(fā)出，經(jīng)過聚焦系統(tǒng)、加速系統(tǒng)和磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)就會到達(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，在很短的時間內(nèi)熒光物質(zhì)的電子會從高能態(tài)重新回到低能態(tài)，這時將發(fā)出熒光，屏幕上的那一點(diǎn)就會亮了要保持顯示一幅穩(wěn)定的畫面，必須不斷地發(fā)射電子束58電平控制器是用來控制電子束的強(qiáng)弱的，當(dāng)加上正電壓時，電子束就會大量通過，將會在屏幕上形成較亮的點(diǎn)，當(dāng)控制電平加上負(fù)電壓時，依據(jù)所加電壓的大小，電子束被部分或全部阻截，通過的電子很少，屏幕上的點(diǎn)也就比較暗聚焦系統(tǒng)是一個電透鏡，能使眾多的電子聚集于一點(diǎn)加速陽極使電子達(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)來達(dá)到指定位置59電子束要到達(dá)屏幕的邊緣時，偏轉(zhuǎn)角度就會增大。到達(dá)屏幕最邊緣的偏轉(zhuǎn)角度被稱為最大偏轉(zhuǎn)角CRT顯示器屏幕越大整個顯象管就越長刷新頻率RefreshRate刷新一次是指電子束從上到下掃描一次的過程刷新頻率高到一定值后，圖象才能穩(wěn)定顯示隔行掃描與逐行掃描60電子束掃描過程示意圖61彩色CRT顯示器顯示彩色的原理彩色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)出三束電子束來激發(fā)這三種物質(zhì)，中間通過一個控制柵格來決定三束電子到達(dá)的位置三束電子經(jīng)過蔭罩的選擇，分別到達(dá)三個熒光點(diǎn)的位置。通過控制三個電子束的強(qiáng)弱就能控制屏幕上點(diǎn)的顏色62蔭罩式彩色CRT顯色原理63LCD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，顯示器的體積必然要加大，在使用時候就會受到空間的限制CRT顯示器是利用電子槍發(fā)射電子束來產(chǎn)生圖像，容易受電磁波干擾長期電磁輻射會對人們健康產(chǎn)生不良影響64LCD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)約能源沒有電磁輻射，對人體健康沒有任何影響65索尼公司的兩款LCD外形66LCD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)，既可以像固體中的分子保持方向，又可以像液體中的分子自由移動。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，就會改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變，此時通過它的光的折射角度就會發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩液晶屏幕后面有一個背光，這個光源先穿過第一層偏光板，再來到液晶體上，而當(dāng)光線透過液晶體時，就會產(chǎn)生光線的色澤改變，從液晶體射出來的光線，還得必須經(jīng)過一塊彩色濾光片以及第二塊偏光板6768顯示原理通過阻塞或傳遞來自周圍或內(nèi)部光源的偏振光形成圖案69水平極板水平網(wǎng)格垂直網(wǎng)格垂直極板觀察方向背光源液晶體（未加電）70水平極板水平網(wǎng)格垂直網(wǎng)格垂直極板觀察方向背光源液晶體（加電）液晶顯示有主動式和被動式兩種被動式液晶屏幕有STN（SuperTN超扭曲向列LCD）和DSTN（DoublelayerSuperTN雙層超扭曲向列LCD）等最流行的主動式液晶屏幕是TFT（ThinFilmTransistor薄膜晶體管）主動式液晶顯示器使用了FET場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)。這樣主動式液晶顯示器就不會產(chǎn)生在被動式液晶顯示器中常見的鬼影、或是畫面延遲的殘像等71LCD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，人們就不能清晰地看到屏幕圖象，而那個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)的乘積長寬比72圖形處理器graphicsprocessingunitGPU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單的存儲器和幀緩沖區(qū)，它們實(shí)際上只起了一個圖形的存儲和傳遞作用，一切操作都必須有CPU來控制現(xiàn)在的圖形處理器不單單存儲圖形，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73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存儲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74顯卡工作原理簡單示意圖75Graphicalinputdevices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——鍵盤和鼠標(biāo)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實(shí)現(xiàn)定位和選擇。數(shù)據(jù)手套則是通過傳感器和天線來獲得和發(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)場景的構(gòu)造和漫游中特別有用76跟蹤球77數(shù)據(jù)手套78光筆是