數(shù)字媒體技術(shù)概論（融媒體版） 課件 5計(jì)算機(jī)圖形與動(dòng)畫(huà)技術(shù)

第5講：計(jì)算機(jī)圖形與動(dòng)畫(huà)技術(shù)數(shù)字媒體技術(shù)概論第5章：計(jì)算機(jī)圖形與動(dòng)畫(huà)技術(shù)1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概念2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用3色彩4真實(shí)感圖形學(xué)相關(guān)技術(shù)5計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述電影動(dòng)畫(huà)虛擬現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)圖形視頻游戲手機(jī)計(jì)算機(jī)顯示器……核心技術(shù)§5.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概念核心技術(shù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)廣闊的、蓬勃發(fā)展的計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域。二、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)定義§5.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概念計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門研究怎樣通過(guò)計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專門的設(shè)備上輸出的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科。美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（InstituteofElectricalandElectronicEngineers，IEEE）對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的定義如下：“Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.”二、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)定義§5.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概念廣義上講，圖形是能夠在人的視覺(jué)系統(tǒng)中形成視覺(jué)印象的客觀對(duì)象，它主要由幾何要素和非幾何要素組成。幾何要素能夠在人的視覺(jué)系統(tǒng)中形成視覺(jué)印象的客觀對(duì)象非幾何要素主要反映物體表面屬性或材質(zhì)的明暗、灰度、色彩等圖形在計(jì)算機(jī)中常用形狀參數(shù)和屬性參數(shù)表示，也稱之為矢量圖，具有數(shù)據(jù)量少、易于進(jìn)行變換操作等優(yōu)點(diǎn)。而數(shù)字圖像在計(jì)算機(jī)中用點(diǎn)陣圖表示，顧名思義就是由像素構(gòu)成的，若干個(gè)不同顏色的像素以矩陣排列成圖案。二、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)定義§5.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概念圖（a）-（d）中每個(gè)子圖的左側(cè)圖均為矢量圖，右側(cè)均為點(diǎn)陣圖?？s小點(diǎn)陣圖像并沒(méi)有產(chǎn)生像素空缺，不會(huì)模糊，如果將點(diǎn)陣圖不斷放大，就會(huì)變得模糊，由于放大后產(chǎn)生了像素空缺。矢量圖像通過(guò)記憶線段的坐標(biāo)來(lái)記錄圖像，無(wú)論放大多少倍都不會(huì)失真。矢量圖和點(diǎn)陣圖對(duì)比三、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容§5.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概念計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容就是研究如何在計(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。從處理技術(shù)來(lái)看，圖形主要分為兩類：基于線條信息表示明暗圖圖形硬件圖形標(biāo)準(zhǔn)圖形交互技術(shù)光柵圖形生成算法計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)自然景物仿真虛擬現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容…三、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容計(jì)算機(jī)圖形學(xué)需要大量的基礎(chǔ)知識(shí)：大量的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)：例如：向量、矩陣、齊次坐標(biāo)和幾何變換等；計(jì)算機(jī)軟硬件基礎(chǔ)知識(shí)，例如：圖形輸出設(shè)備與輸出技術(shù)的簡(jiǎn)單基礎(chǔ)知識(shí)（光柵顯示器基本原理、顏色處理與顏色模型等）。1.基礎(chǔ)模塊§5.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概念主要研究如何用圖形方式表示現(xiàn)實(shí)或虛擬世界中的對(duì)象與信息，如一座房子、一輛汽車、一個(gè)電影角色等。模型在外部顯示上通常以點(diǎn)、線、面、體等各種幾何元素及它們的組合來(lái)表現(xiàn)；在計(jì)算機(jī)內(nèi)部則是通過(guò)坐標(biāo)、連接關(guān)系所對(duì)應(yīng)的幾何信息與拓?fù)湫畔?lái)表示。2.建模與表示模塊三、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容§5.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概念主要將計(jì)算機(jī)中對(duì)象的數(shù)字幾何模型轉(zhuǎn)換為直觀形象的圖形或圖像形式，是數(shù)字幾何模型的視覺(jué)可視化過(guò)程。應(yīng)用程序幾何處理像素處理3.繪制模塊針對(duì)圖形對(duì)象，研究合適的輸入方法、操作方法，也就是友好的人機(jī)界面。典型的人機(jī)交互技術(shù)有定位技術(shù)、菜單技術(shù)、拾取技術(shù)、定值技術(shù)、拖拽技術(shù)、網(wǎng)格與捕捉技術(shù)等。此外還有圖形用戶界面，例如：窗口、菜單、指標(biāo)等。4.交互技術(shù)四、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)學(xué)科§5.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概念計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一個(gè)綜合性的學(xué)科，它集圖形學(xué)理論、現(xiàn)代數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等于一體。它還與數(shù)字圖像處理、計(jì)算幾何、計(jì)算機(jī)視覺(jué)及模式識(shí)別等學(xué)科交叉融合。著重強(qiáng)調(diào)在圖像之間進(jìn)行變換。旨在對(duì)圖像進(jìn)行各種加工以改善圖像的視覺(jué)效果。研究如何對(duì)一幅連續(xù)圖像取樣、量化以產(chǎn)生數(shù)字圖像，對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行各種變換以方便處理。1.數(shù)字圖像處理四、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)學(xué)科§5.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概念數(shù)據(jù)和模型域中研究幾何形體的計(jì)算機(jī)表示和分析的綜合技術(shù)。研究如何方便靈活、有效地建立幾何形體的數(shù)學(xué)模型；在計(jì)算機(jī)中更好的存儲(chǔ)和管理這些模型數(shù)據(jù)。2.計(jì)算幾何計(jì)算機(jī)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）。人工智能的一個(gè)分支。模式識(shí)別對(duì)所輸入的圖像進(jìn)行分析和識(shí)別，找出其中蘊(yùn)涵的內(nèi)在聯(lián)系或抽象模型。3.計(jì)算機(jī)視覺(jué)及模式識(shí)別第5章：計(jì)算機(jī)圖形與動(dòng)畫(huà)技術(shù)1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概念2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用3色彩4真實(shí)感圖形學(xué)相關(guān)技術(shù)5計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)第一臺(tái)圖形顯示器作為美國(guó)麻省理工學(xué)院旋風(fēng)I號(hào)（WhirlwindI）計(jì)算機(jī)的附件誕生。它使用一個(gè)類似于示波器的陰極射線管作為一種可行的顯示和交互界面，并引入了光筆作為輸入設(shè)備。1950年一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史§5.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)萌芽期：20世紀(jì)50年代旋風(fēng)I號(hào)（WhirlwindI）在MIT林肯實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的半自動(dòng)地面防空（Semi-AutomaticGroundEnvironment，SAGE）系統(tǒng)上進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)編寫(xiě)的一個(gè)小程序，可以捕捉人的手指運(yùn)動(dòng)，并在電腦屏幕上顯示其矢量信息。1959年一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史§5.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)萌芽期：20世紀(jì)50年代SAGE系統(tǒng)控制室麻省理工學(xué)院的學(xué)生SteveRussell創(chuàng)造了歷史上的第一個(gè)電子游戲：太空戰(zhàn)爭(zhēng)1961年一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史§5.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用線框圖形學(xué)：20世紀(jì)60年代第一個(gè)電子游戲：太空戰(zhàn)爭(zhēng)60年代初一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史§5.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用線框圖形學(xué)：20世紀(jì)60年代劍橋大學(xué)的ElizabethWaldram編寫(xiě)了在陰極射線管上顯示射電天文地圖的代碼。雷諾的工程師PierreBézier提出了Bézier曲線為雷諾汽車車身開(kāi)發(fā)三維建模技術(shù)。光線投射算法第一次被提出，該算法通過(guò)對(duì)光線從光源到場(chǎng)景中的曲面以及進(jìn)入相機(jī)的路徑進(jìn)行建模，成為實(shí)現(xiàn)圖形中照片真實(shí)感的基礎(chǔ)。1968年一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史§5.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用線框圖形學(xué)：20世紀(jì)60年代美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（AssociationforComputingMachinery，ACM）成立了一個(gè)圖形特別興趣小組（SIGGRAPH），負(fù)責(zé)組織計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域內(nèi)的會(huì)議、圖形標(biāo)準(zhǔn)和出版物。1969年ACM舉行了第一屆SIGGRAPH年會(huì)，這已成為該組織的重點(diǎn)之一1973年推出的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DynamicRandomAccessMemory，DRAM）芯片能夠在單個(gè)高密度存儲(chǔ)器芯片上保存千位數(shù)據(jù)，使整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)清晰度光柵圖形圖像保存在數(shù)字幀緩沖區(qū)中成為可能。1970年一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史§5.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用光柵圖形學(xué)：20世紀(jì)70年代金屬氧化物半導(dǎo)體MOS大規(guī)模集成技術(shù)出現(xiàn)，是實(shí)現(xiàn)實(shí)用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的一項(xiàng)重要技術(shù)進(jìn)步。70年代初出現(xiàn)了第一個(gè)與視頻兼容、基于光柵的計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)。1972年一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史§5.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用光柵圖形學(xué)：20世紀(jì)70年代Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理1971年P(guān)hong提出了著名的簡(jiǎn)單光照模型-Phong模型1975年這些模型為計(jì)算機(jī)圖形的著色奠定了基礎(chǔ)，使圖形從“平面”外觀轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼫?zhǔn)確地描繪深度的外觀引入了凹凸貼圖，這是一種模擬不平整表面的技術(shù)，也是當(dāng)今使用的許多更高級(jí)貼圖的前身1978年一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史§5.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用金屬氧化物半導(dǎo)體超大規(guī)模集成電路（VeryLargeScaleIntegration，VLSI）技術(shù)催生了16位中央處理器（CentralProcessingUnit，CPU）微處理器和第一個(gè)GPU芯片的出現(xiàn)，從而開(kāi)始了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的革命80年代初真實(shí)感圖形學(xué)：20世紀(jì)80年代在真實(shí)感圖形繪制領(lǐng)域，日本大阪大學(xué)開(kāi)發(fā)了LINKS-1計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)，這是一個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)。LINKS-1計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)使用了多達(dá)257個(gè)微處理器，目的是繪制逼真的3D計(jì)算機(jī)圖形。1982年一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史§5.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用真實(shí)感圖形學(xué)：20世紀(jì)80年代LINKS-1渲染的一個(gè)球體表面光線追蹤算法效果根據(jù)日本信息處理學(xué)會(huì)的說(shuō)法：“3D圖像渲染的核心是從給定的視點(diǎn)、光源和對(duì)象位置計(jì)算構(gòu)成渲染表面的每像素的亮度?！盠INKS-1系統(tǒng)：每像素都可以使用光線跟蹤獨(dú)立地進(jìn)行并行處理。LINKS-1能夠快速渲染高度逼真的圖像。計(jì)算機(jī)采用了通用的圖形處理框架，如DirectX和OpenGL。在這十年中，AMD公司成為了圖形學(xué)的領(lǐng)先開(kāi)發(fā)者，在這個(gè)領(lǐng)域形成了壟斷。20世紀(jì)末一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史§5.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)爆發(fā)期：20世紀(jì)90年代至今GPU持續(xù)增長(zhǎng)并且功能日益復(fù)雜，3D渲染功能成為標(biāo)準(zhǔn)功能，3D圖形GPU被認(rèn)為是臺(tái)式計(jì)算機(jī)制造商提供的必要設(shè)備。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在電影和視頻游戲領(lǐng)域的應(yīng)用，推出了大量代表性的作品。21世紀(jì)后一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史§5.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)爆發(fā)期：20世紀(jì)90年代至今非真實(shí)感圖形學(xué)得到了大家的關(guān)注，它用攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)代替人眼對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤和測(cè)量，并用計(jì)算的方法模擬人類的視覺(jué)系統(tǒng)。近年來(lái)人工智能的一個(gè)分支非真實(shí)感圖形學(xué)可以利用計(jì)算機(jī)模擬各種視覺(jué)藝術(shù)的繪制風(fēng)格，也用于發(fā)展新的繪制風(fēng)格。它的藝術(shù)表現(xiàn)形式豐富多樣，還能夠輔助完成原本工作量大、難度高的創(chuàng)作工作。非真實(shí)感圖形學(xué)特點(diǎn)二、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用§5.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用圖形圖像一直都比單純數(shù)據(jù)有更多的表現(xiàn)力：圖形可以將科學(xué)成果通過(guò)可視化的方式展示給人們；在游戲和電影特效中，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)也發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用；在藝術(shù)創(chuàng)作、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等行業(yè)，圖形學(xué)也起著很重要的基礎(chǔ)作用。可以說(shuō)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。二、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用§5.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用使用計(jì)算機(jī)或工作站來(lái)幫助設(shè)計(jì)的創(chuàng)建、修改、分析或優(yōu)化。CAD輸出通常以電子文件的形式進(jìn)行打印、加工或其他制造操作。與手工繪圖相比，CAD系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)包括材料清單的自動(dòng)生成、集成電路中的自動(dòng)布局、干擾檢查等?，F(xiàn)代CAD軟件包還經(jīng)常允許三維旋轉(zhuǎn)，允許從任何所需角度查看設(shè)計(jì)對(duì)象，甚至從內(nèi)部向外看。1.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer-AidedDesign，CAD）二、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用§5.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)：從基于二維矢量的繪圖系統(tǒng)到三維實(shí)體和曲面建模器。一些CAD軟件還能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)建模。數(shù)字藝術(shù)是一種藝術(shù)作品或?qū)嵺`使用數(shù)字技術(shù)作為創(chuàng)作或展示過(guò)程的一部分。數(shù)字藝術(shù)可以是純計(jì)算機(jī)生成的作品，如分形和算法藝術(shù)，也可以從其他來(lái)源獲取，如掃描照片或繪圖板使用矢量圖形軟件繪制的圖像。計(jì)算機(jī)的原生藝術(shù)形式主要有分形藝術(shù)、數(shù)據(jù)建模、算法藝術(shù)和實(shí)時(shí)生成藝術(shù)等。2.數(shù)字藝術(shù)二、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用§5.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用分形藝術(shù)的作品目的是以圖形化方式說(shuō)明科學(xué)數(shù)據(jù)，使科學(xué)家能夠理解、說(shuō)明并從數(shù)據(jù)中收集信息。通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件可以模擬特定系統(tǒng)的抽象模型，計(jì)算機(jī)模擬已經(jīng)成為物理學(xué)、計(jì)算物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)中許多自然系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模中常見(jiàn)的手段。3.科學(xué)可視化二、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用§5.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用科學(xué)可視化案例平面設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于一切視覺(jué)傳達(dá)上的應(yīng)用，從路標(biāo)到技術(shù)示意圖，從辦公室備忘錄到產(chǎn)品參考手冊(cè)。平面設(shè)計(jì)可以包括數(shù)據(jù)可視化，這涉及到使用程序來(lái)解釋數(shù)據(jù)并將其形成具有視覺(jué)吸引力的表示，并且可以與信息圖形相結(jié)合。4.平面設(shè)計(jì)二、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用§5.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用不同場(chǎng)景下的平面設(shè)計(jì)案例虛擬現(xiàn)實(shí)是一種與現(xiàn)實(shí)世界相似或完全不同的模擬體驗(yàn)。當(dāng)前的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)使用虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)或投影環(huán)境來(lái)生成逼真的圖像、聲音和其他感覺(jué)，以模擬用戶在虛擬環(huán)境中的實(shí)際感受。虛擬現(xiàn)實(shí)效果通常由VR頭戴式耳機(jī)產(chǎn)生，該頭戴式耳機(jī)由頭戴式顯示器組成，在眼睛前面有一個(gè)小屏幕，但也可以通過(guò)具有多個(gè)大屏幕的專門設(shè)計(jì)的房間產(chǎn)生。虛擬現(xiàn)實(shí)通常包括聽(tīng)覺(jué)和視頻反饋，但也可以通過(guò)觸覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)其他類型的感覺(jué)和壓力反饋。5.虛擬現(xiàn)實(shí)二、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用§5.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)常用于娛樂(lè)應(yīng)用，如視頻游戲、3D電影和社交虛擬世界。虛擬現(xiàn)實(shí)常被應(yīng)用于心理疾病、醫(yī)學(xué)、工程、美術(shù)、教育等領(lǐng)域。5.虛擬現(xiàn)實(shí)二、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用§5.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用案例第5章：計(jì)算機(jī)圖形與動(dòng)畫(huà)技術(shù)1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概念2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用3色彩4真實(shí)感圖形學(xué)相關(guān)技術(shù)5計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)一、色彩基礎(chǔ)§5.3色彩光是電磁波，能產(chǎn)生色覺(jué)的光只占電磁波中的一部分范圍。人類可以感受到的范圍是780納米（nm）到380納米之間，這部分光稱之為可見(jiàn)光。電磁波的種類與可見(jiàn)光一、色彩基礎(chǔ)§5.3色彩1671年，牛頓命名的光譜中，彩虹的常見(jiàn)顏色包括僅由單一波長(zhǎng)的可見(jiàn)光產(chǎn)生的所有顏色，即純光譜顏色或單色顏色。表格顯示了各種純光譜顏色的近似頻率（太赫茲）和波長(zhǎng)（納米）。一個(gè)常見(jiàn)的列表確定了六個(gè)主要波段：紅色、橙色、黃色、綠色、藍(lán)色和紫色。牛頓的構(gòu)想包括第七種顏色——靛藍(lán)，介于藍(lán)色和紫色之間。色彩最明顯的特征是色彩的相貌和主要傾向，也指特定波長(zhǎng)的色光呈現(xiàn)出的色彩感覺(jué)。色相指的是不同頻率的色的情況。頻率最低的是紅色，最高的是紫色。在色相環(huán)上排列的色是純度高的色，被稱為純色。這些色在環(huán)上的位置是根據(jù)視覺(jué)和感覺(jué)的相等間隔來(lái)進(jìn)行安排的。1.色度/色相二、色彩三屬性§5.3色彩色相環(huán)表示色所具有的亮度和暗度被稱為明度（亮度），明度是辨別色彩明暗的程度。計(jì)算明度的基準(zhǔn)是灰度測(cè)試卡。黑色為0，白色為10，在0—10之間等間隔的排列為9個(gè)階段。色彩可以分為有彩色和無(wú)彩色，但后者仍然存在著明度。2.亮度/明度二、色彩三屬性§5.3色彩色度、亮度和飽和度的變化示意圖純度（飽和度）指色彩的飽和度或純凈程度，也就是一種色彩中所含該色素成分的多少，含的越多，純度就越高。用數(shù)值表示色的鮮艷或鮮明的程度稱之為彩度。有彩色的各種色都具有彩度值，無(wú)彩色的色的彩度值為0，對(duì)于有彩色的色的彩度（純度）的高低，區(qū)別方法是根據(jù)這種色中含灰色的程度來(lái)計(jì)算的。降低純度的方法有以下幾種：加入白色，加入越多，純度越低，趨向粉色；加入黑色，加入越多，純度越低，趨向灰色；加入對(duì)比色，加入越多，純度越低，趨向灰色。3.飽和度/純度二、色彩三屬性§5.3色彩HSB色彩模式以人類對(duì)顏色的感覺(jué)為基礎(chǔ)，以色度（Hue）、飽和度（Saturation）和亮度（Brightness）來(lái)描述顏色的基本特征，為將自然顏色轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的色彩提供了一種直接方法。色度以角度（0°-360°）表示，飽和度和亮度以百分比值（0%-100%）表示。1.HSB三、色彩模型§5.3色彩HSB色彩模型RGB的含義為：紅色（Red）、綠色（Green）、藍(lán)色（Blue），通過(guò)RGB三種顏色的混合，能夠生成自然界里的任何一種顏色。在RGB模式中，每像素由24位的數(shù)據(jù)表示，其中RGB三種原色各用了8位，因此這三種顏色各具有256個(gè)亮度級(jí)，能表示出256種不同濃度的色調(diào)，用0-255之間的整數(shù)值來(lái)表示。RGB三種顏色疊加就能生成1677萬(wàn)種色彩。2.RGB三、色彩模型§5.3色彩RGB加色模式CMYK模式的顏色也被稱作印刷色，原因是CMYK模式大多用在印刷上。CMYK的含義為：青色（Cyan）、洋紅（Magenta）、黃色（Yellow）、黑色（black）。這四種顏色都是以百分比的形式進(jìn)行描述的，每一種顏色所占的百分比可以從0%到100%，百分比越高，顏色越暗。CMYK是一種用于印刷品依靠反光的色彩模式，是由陽(yáng)光或燈光照射到報(bào)紙上，再反射到我們的眼中，才看到內(nèi)容。3.CMYK三、色彩模型§5.3色彩CMYK減色模式Lab模式是根據(jù)國(guó)際照明委員會(huì)（CommissionInternationaledelEclairage，CIE）在1931年所制定的一種測(cè)定顏色的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建立的，于1976年被改進(jìn)，并且命名的一種色彩模式。Lab顏色模型彌補(bǔ)了RGB和CMYK兩種色彩模式的不足。它是一種設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色模型，也是一種基于生理特征的顏色模型。Lab顏色模型由三個(gè)要素組成，一個(gè)要素是亮度（L），a和b是兩個(gè)顏色通道。a包括的顏色從深綠色（低亮度值）到灰色（中亮度值）到亮粉紅色（高亮度值）；b是從亮藍(lán)色（低亮度值）到灰色（中亮度值）再到黃色（高亮度值）。4.Lab三、色彩模型§5.3色彩四、色彩對(duì)比和感覺(jué)§5.3色彩色彩對(duì)比，主要指色彩的冷暖對(duì)比冷調(diào)中間調(diào)暖調(diào)色彩對(duì)比的規(guī)律是：在暖色調(diào)的環(huán)境中，冷色調(diào)的主體醒目，在冷調(diào)的環(huán)境中，暖調(diào)主體最突出。兩種顏色對(duì)比時(shí)，在兩種顏色的邊緣部分對(duì)比效果最強(qiáng)烈，這種現(xiàn)象稱為邊緣對(duì)比。兩種顏色互為補(bǔ)色時(shí)對(duì)比更強(qiáng)烈。1.邊緣對(duì)比在色彩三屬性中以色度差異為主形成的對(duì)比稱為色度對(duì)比。對(duì)比強(qiáng)弱程度取決于色度之間在色度環(huán)上的距離（角度），距離（角度）越小對(duì)比越弱，反之則對(duì)比越強(qiáng)。2.色度對(duì)比四、色彩對(duì)比和感覺(jué)§5.3色彩在色彩三屬性中以亮度的差異形成的對(duì)比稱為亮度對(duì)比。亮度高的會(huì)顯得明亮，亮度低的會(huì)顯得更暗。3.亮度對(duì)比在色彩三屬性中以飽和度差異形成的對(duì)比稱為飽和度對(duì)比。同一飽和度的顏色，在幾乎等亮度、等色度而飽和度不同的兩種顏色背景上時(shí)，在飽和度低的背景色上的會(huì)顯得鮮艷一些，而在飽和度高的背景色上會(huì)顯得灰濁。4.飽和度對(duì)比四、色彩對(duì)比和感覺(jué)§5.3色彩第5章：計(jì)算機(jī)圖形與動(dòng)畫(huà)技術(shù)1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概念2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用3色彩4真實(shí)感圖形學(xué)相關(guān)技術(shù)5計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)數(shù)學(xué)物理學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)其他科學(xué)技術(shù)計(jì)算機(jī)圖形設(shè)備生成一幅真實(shí)感圖形時(shí)，我們必須逐像素地計(jì)算畫(huà)面上相應(yīng)景物表面區(qū)域的顏色；計(jì)算可見(jiàn)景物表面區(qū)域的顏色時(shí)，不但要考慮光源對(duì)該區(qū)域入射光及光亮度和光譜組成，而且還要考慮該表面區(qū)域?qū)庠吹某?，表面的材料和反射性質(zhì)等?！?.4真實(shí)感圖形學(xué)相關(guān)技術(shù)真實(shí)感圖形一、基本光學(xué)原理和光照模型§5.4真實(shí)感圖形學(xué)相關(guān)技術(shù)在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中為表達(dá)自然光照現(xiàn)象，需要根據(jù)光學(xué)物理的有關(guān)定律建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型去計(jì)算景物表面上任意一點(diǎn)投向觀察者眼中的光亮度的大小，這個(gè)就稱為光照模型。物體的類型場(chǎng)景中所設(shè)置的光源屬性物體相對(duì)于光源與其他物體的位置物體的透明度物體的表面光亮程度物體的表面紋理一、基本光學(xué)原理和光照模型§5.4真實(shí)感圖形學(xué)相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)單光照模型；入射光=漫反射光+鏡面反射光+環(huán)境光漫反射光指光照射到粗糙、無(wú)光澤表面的光現(xiàn)象，它的特點(diǎn)是向各個(gè)方向均勻反射。指光照在光滑表面，特別是有光澤的表面時(shí)，可能在某個(gè)方向上看到很強(qiáng)的高光。鏡面反射光環(huán)境光指光源間接對(duì)物體的影響，是在物體和環(huán)境之間多次反射，最終達(dá)到平衡時(shí)的一種光，環(huán)境光的光強(qiáng)分布是均勻的，它在任何一個(gè)方向上的分布都相同。一、基本光學(xué)原理和光照模型§5.4真實(shí)感圖形學(xué)相關(guān)技術(shù)Phong光照模型：由物體表面上一點(diǎn)P反射到視點(diǎn)的光強(qiáng)I為環(huán)境光的反射光強(qiáng)、理想漫反射光強(qiáng)、和鏡面反射光的總和。

（1）Ia：環(huán)境光強(qiáng)度

（2）Ka：環(huán)境光的反射系數(shù)。（3）Ip：入射光強(qiáng)度

（4）Kd：入射光的漫反射系數(shù)（0<Kd<1）（5）L：入射光的方向

（6）N：法線方向（7）Ks：鏡面反射系數(shù)

（8）R：鏡面反射方向（9）V：觀察者視線方向

（10）n：常數(shù)。Phong光照模型示意圖二、透明與陰影§5.4真實(shí)感圖形學(xué)相關(guān)技術(shù)對(duì)于透明或半透明的物體，在光線與物體表面相交時(shí)，一般會(huì)產(chǎn)生反射與折射，經(jīng)折射后的光線將穿過(guò)物體而在物體的另一個(gè)面射出，形成透射光。

（1）t：物體的透明度，t∈[0,1]（2）I1：像素(x,y)的視線與物體相交處的顏色（或光強(qiáng)）（3）I2：視線穿過(guò)物體與另一物體相交處的顏色（或光強(qiáng)）像素(x,y)的顏色（或光強(qiáng)）的計(jì)算式：二、透明與陰影§5.4真實(shí)感圖形學(xué)相關(guān)技術(shù)陰影是現(xiàn)實(shí)生活中一個(gè)很常見(jiàn)的光照現(xiàn)象，它是由于光源被物體遮擋而在該物體后面產(chǎn)生的較暗的區(qū)域。在真實(shí)感圖形學(xué)中，通過(guò)陰影可以提供物體位置和方向信息，從而可以反映出物體之間的相互關(guān)系，增加圖形圖像的立體效果和真實(shí)感。三、紋理映射技術(shù)§5.4真實(shí)感圖形學(xué)相關(guān)技術(shù)在現(xiàn)實(shí)世界中的物體，其表面通常有它的表面細(xì)節(jié)，即各種紋理，紋理映射是把我們得到的紋理映射到三維物體的表面的技術(shù)。顏色紋理通過(guò)顏色色彩或明暗度變化體現(xiàn)出來(lái)的表面細(xì)節(jié)，如刨光的木材表面上有木紋，建筑物墻壁上有裝飾圖案，機(jī)器外殼表面有文字說(shuō)明它的名稱、型號(hào)等。由于不規(guī)則的細(xì)小凹凸造成的，例如桔子皮表面的皺紋。幾何紋理/凹凸紋理三、紋理映射技術(shù)§5.4真實(shí)感圖形學(xué)相關(guān)技術(shù)在紋理映射技術(shù)中，最常見(jiàn)的紋理是二維紋理。映射將這種紋理變換到三維物體的表面，形成最終的圖像。二維紋理的函數(shù)表示：第5章：計(jì)算機(jī)圖形與動(dòng)畫(huà)技術(shù)1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概念2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用3色彩4真實(shí)感圖形學(xué)相關(guān)技術(shù)5計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)動(dòng)畫(huà)是一種操縱圖形并顯示為運(yùn)動(dòng)圖像的方法。在傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)中，圖像是用手在透明的膠片上繪制的，以便在膠片上播放展示。如今大多數(shù)動(dòng)畫(huà)都是用計(jì)算機(jī)生成圖像技術(shù)制作的。動(dòng)畫(huà)效果是通過(guò)快速連續(xù)的序列圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些圖像之間的差異比較小，從而產(chǎn)生連續(xù)的視覺(jué)效果：視覺(jué)暫留原理。為了誘使眼睛和大腦認(rèn)為他們看到的是一個(gè)平穩(wěn)移動(dòng)的物體，圖片應(yīng)該以每秒12幀或更快的速度繪制。在視覺(jué)暫留原理的指導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)許多先驅(qū)者的勞動(dòng)最終產(chǎn)生了電影和動(dòng)畫(huà)片，動(dòng)畫(huà)的技術(shù)指標(biāo)用“幀速率”來(lái)描述并最終確定為24幀／秒?！?.5計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)一、動(dòng)畫(huà)的起源兩萬(wàn)五千年前的石器時(shí)代洞穴上的野牛奔跑分析圖，是人類試圖捕捉動(dòng)作的最早證據(jù)?！?.5計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)從文藝復(fù)興時(shí)期，達(dá)·芬奇畫(huà)作上的人有四只胳膊，表示雙手上下擺動(dòng)的動(dòng)作；中國(guó)繪畫(huà)史上，藝術(shù)家有把靜態(tài)繪畫(huà)賦予生命的傳統(tǒng)，如南朝謝赫的“六法論”中主張“氣韻生動(dòng)”。清代蒲松齡的《聊齋志異》中，“畫(huà)中仙”人物走出卷軸同樣體現(xiàn)了古人對(duì)活動(dòng)畫(huà)面的訴求。這些和動(dòng)畫(huà)的概念都有相通之處一、動(dòng)畫(huà)的起源在真正的動(dòng)畫(huà)出現(xiàn)之前的數(shù)百年里，世界各地的人們都在欣賞由木偶、皮影戲和幻燈等手工制作和操縱的移動(dòng)人物表演。§5.5計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)從18世紀(jì)末到19世紀(jì)上半葉，在西歐劇院非常流行的多媒體幻影表演，以移動(dòng)的鬼魂和其他可怕的運(yùn)動(dòng)圖像的逼真投影為特色。1720年的幻燈，它將一個(gè)怪物投射到墻壁上一、動(dòng)畫(huà)的起源

1833年，頻閃觀測(cè)盤引入了現(xiàn)代動(dòng)畫(huà)的原理，連續(xù)圖像被一個(gè)接一個(gè)地快速顯示，形成了一種電影的視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)。頻閃動(dòng)畫(huà)原理也應(yīng)用于西洋鏡（1867年）、翻頁(yè)書(shū)（1868年）等原始動(dòng)畫(huà)制作中。§5.5計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)原始的動(dòng)畫(huà)播放裝置一、動(dòng)畫(huà)的起源

19世紀(jì)末期，由埃米爾·雷諾德（émileReynaud）發(fā)明的光學(xué)劇場(chǎng)是一種動(dòng)畫(huà)電影系統(tǒng)，并于1888年獲得專利。從1892年10月至1900年3月，雷諾德在巴黎格雷文博物館為總共50多萬(wàn)名觀眾舉辦了12800場(chǎng)演出?！?.5計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)1892年7月發(fā)表在自然雜志上的想象中的動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景二、傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)的發(fā)展史

1895年，電影攝影終于取得了突破，這一新型媒體對(duì)逼真細(xì)節(jié)的描繪被視為其當(dāng)時(shí)的偉大成就?！?.5計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)

埃米爾·科爾的《幻想曲》（1908年）是已知的最古老的傳統(tǒng)手繪動(dòng)畫(huà)。其他非常有影響力的動(dòng)畫(huà)短片有拉迪斯拉斯·斯塔雷維奇在1910年創(chuàng)作的木偶動(dòng)畫(huà)，以及溫莎·麥凱創(chuàng)作的《小尼莫》（1911年）和《恐龍格蒂》（1914年）等動(dòng)畫(huà)影片。二、傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)的發(fā)展史大約從1910年開(kāi)始，動(dòng)畫(huà)卡通的制作在美國(guó)開(kāi)始成為一個(gè)產(chǎn)業(yè)，動(dòng)畫(huà)產(chǎn)業(yè)在美國(guó)逐漸進(jìn)入黃金時(shí)期。

1928年，以米奇老鼠和米妮老鼠為主角的《汽船威利》（SteamboatWillie）以同步聲