第1章 計算機圖形學(xué)簡介

ComputerGraphics

計算機圖形學(xué)

郭曉新

計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

2011-10-271

ComputerGraphics

第一章計算機圖形學(xué)簡介

第一節(jié)計算機圖形學(xué)

第二節(jié)計算機圖形學(xué)的起源

第三節(jié)計算機圖形學(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)計算機圖形標(biāo)準(zhǔn)

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圖形的基本概念

■對象：客觀存在的實體。

可以是各種具體的、實在的物體，如家

具、機械零件、房屋建筑等，也可以是

抽象的、假想的事物，如天氣形勢、人

口分布、經(jīng)濟增長趨勢等等。

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圖形的基本概念

?模型：能夠正確地表達出一個對象性質(zhì)、

結(jié)構(gòu)和行為的描述信息。

建模是計算機圖形學(xué)的首要工作。模型,

由點、線、曲線、曲面、體元等各

種幾何元素以及他們的組合構(gòu)造。

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圖形的基本概念

?圖形基元：（簡稱“圖元”——

Primitives）是基本的圖形元素，指點、

線、/弧等，其信息包含圖元的幾何信

息與屬性信息（顏色、線型、線寬等顯

式屬性和層次等隱式屬性）。

?像素:（Pixel）或圖像單元（Pels,

pictureelements）最基本的圖元，其信息

包括點坐標(biāo)與它的屬性信息（顏色、灰

度、亮度等）。

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圖形的基本概念

?圖形(Graphics)：從客觀世界物體中抽

象出來的帶有顏色及形狀信息的表示。

以矢量形式呈現(xiàn)。計算機中由場景的幾

何模型和景物的物理屬性表示的圖形，

它更強調(diào)場景的幾何表示，記錄圖形的

形狀參數(shù)與屬性參數(shù)。

例如,工程圖紙(Drawing)。

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圖形的基本概念

?圖像(ImageorPicture)：以點陣形式呈

現(xiàn)。計算機中以具有顏色信息的點陣來

表示的圖形，它強調(diào)圖形由哪些點組成，

記錄點及它的灰度或色彩。

例如，照片、掃描圖片和由計算機產(chǎn)生

的真實感和非真實感圖形等。

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圖形的基本概念

?抽象圖形的本質(zhì)可以概括地說:

圖形=圖元+屬性

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圖形的基本概念

?簡單來說，計算機圖形學(xué)是指用計算機

產(chǎn)生對象圖形的輸出的技術(shù)。

?確切地說，計算機圖形學(xué)是研究通過計

算機將數(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。

它綜合了應(yīng)用數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)等多方

面的知識。

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圖形的基本概念

計算機生成圖形的過程：對象一模型一圖形

本質(zhì)上，計算機圖形學(xué)研究兩個問題：如何在計算機中

“建模（表示）”和“顯示（繪制）”出多彩的客觀

世

界：

（1）建模（表示）：建立對象的模型，即對該對象作出

所需的正確的信息描述。通俗地講，是如何將客觀世

界（幾何）“放到”計算機中去——幾何建模；

（2）顯示（繪制）：利用計算機對這個模型進行各種必

要的處理，從無到有地產(chǎn)生出能正確反映對象的某種

性質(zhì)的圖形輸出。通俗地講，是如何將計算機中抽象

的“幾何”用一種形象的（靜態(tài)或動態(tài)的圖形，含圖

像）方式表現(xiàn)出來——幾何的視覺實現(xiàn)。

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計算機圖形學(xué)定義

?瑞士計算機科學(xué)家Wirth在1976年對“程

序”給出了如下定義：

算法+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)=程序。

?對計算機圖形學(xué)給出如下定義：

計算機圖形學(xué)=幾何+繪制

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構(gòu)成圖形的要素

-構(gòu)成圖形的要素

-幾何要素：刻畫對象的輪廓、形狀等

-非幾何要素：刻畫對象的顏色、紋理等

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計算機中表示圖形的方法

-點陣表示

?枚舉出圖形中所有的點（強調(diào)圖形由點構(gòu)成）

■簡稱為圖像（數(shù)字圖像）

—參數(shù)表示

?由圖形的形狀參數(shù)（方程或分析表達式的系數(shù)，

線段的端點坐標(biāo)等）+屬性參數(shù)（顏色、線型等）來

表示圖形

■簡稱為圖形：

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計算機中表示圖形的方法

從處理技術(shù)上來看，圖形主要分為兩

類，

?基于線條信息表示的，如工程圖、

等高線地圖、曲面的線框圖等，

?明暗圖(Shanding),也就是通常所說

實感圖形。

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計算機圖形學(xué)的總體架構(gòu)

?數(shù)學(xué)基礎(chǔ)(Math.Fuandemental),主要

是向量與幾何變換，如幾何建模時的三

維空間變換，繪制時的三維到二維的投

影變換和二維空間的窗口和視圖變換等。

?幾何(Geometry),三維及二維空間的

各種幾何模型?？梢允墙馕鍪奖磉_的簡

單形體，或是隱函數(shù)表達的復(fù)雜曲線、

曲面，也可以是面片表達的任意幾何體

等等。

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計算機圖形學(xué)的總體架構(gòu)

?繪制(Rendering),幾何的視覺實現(xiàn)

(決定幾何的屬性)過程。計算機圖形

學(xué)典型的反走樣、光照、紋理等理論和

算法均可被認為是對幾何的繪制處理。

?交互技術(shù)(Interaction),交互技術(shù)提供

圖形通訊手段，成為人機交互的主要工

具。

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與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系

?圖像處理(ImageProcessing)

?模式識別(PatternRecognition)

?計算幾何(ComputationalGeometry)

?交互式計算機圖形學(xué)(Interactive

ComputerGraphics)

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與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系

?圖像處理是指用計算機來改善圖像質(zhì)量

的數(shù)字技術(shù)。

?圖像處理是指用計算機對圖像進行處理,

以使其適應(yīng)于某種特殊的需求的數(shù)字技

術(shù)。如CT掃描、X射線探傷等。

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與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系

■圖像處理：研究對象為數(shù)字圖像

-對一幅連續(xù)圖像采樣、量化以產(chǎn)生數(shù)字圖像,

-對數(shù)字圖像做各種變換以方便處理，

-如何濾去圖像中無用的噪聲，

-如何壓縮圖像數(shù)據(jù)以便存儲和傳輸，

-如何提取圖像的物體邊緣，

-如何增強圖像的某些特征等。

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與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系

?模式識別是指用計算機對輸入圖形進行

識別的技術(shù)。

?模式識別：是分析和識別輸入的數(shù)字圖

像并從中提取二維或三維的數(shù)據(jù)模型

（特征）的技術(shù)，如手寫漢字識別。

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與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系

?計算幾何學(xué)是研究幾何模型和數(shù)據(jù)處理

的學(xué)科。

?計算幾何：研究幾何形體在計算機內(nèi)的

表示、分析和綜合。包括曲線曲面的表

示、生成、拼接和造型，三維立體造型,

散亂數(shù)據(jù)插值，計算復(fù)雜性等。

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與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系

?交互式計算機圖形學(xué)：指用計算機交互

式地產(chǎn)生圖形的技術(shù)。交互式繪圖允許

操作人員以對話方式控制和操縱圖形的

生成。圖形可以邊生成，邊顯示，邊修

改，直到產(chǎn)生符合使用要求的圖形為止。

交互式繪圖可以使人的邏輯思維能力、

分析能力和計算機準(zhǔn)確快速的計算能力

結(jié)合起來，從而發(fā)揮更大的威力，使人

們運用起來更加方便。

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與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系

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與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系

圖像生成（計算機圖形學(xué)）

數(shù)

數(shù)

據(jù)

字

圖像變換模型變換

模

（圖像處理）圖（計算幾何）

型

像

模型（特征）提取

（計算機視覺，模式識別）

發(fā)展特點:交叉、界線模糊、相互滲透

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Tn

第二節(jié)計算機圖形學(xué)的起源

歷史追溯

硬件發(fā)展

圖形顯示器的發(fā)展

圖形輸入設(shè)備的發(fā)展

圖形軟件及軟件標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

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歷史追溯

?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)計算機的

附件誕生了。

■該顯示器用一個類似于示波器的陰極射線管

(CRT)來顯示一些簡單的圖形，

?主要用于圖形輸出，

?沒有交互功能。

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匕Rs/元、

NAMEWhirlwind

MANUFACTURERMIT

TYPEProfessionalComputer

出VJr

ORIGINU.S.A.

YEARApril1951

ENDOFPRODUCTION1953

BUILTINLANGUAGENone

KEYBOARDFlexowritertypewriting/wordprocessingunit

CPUVacuumtubes

SPEED20KIPSinitially,increasedto40KIPSwithcorememory

CO-PROCESSORNone

RAM2K16-bitwords(Williams-KilbumstorageCRTinitially,core,1953)

VRAMNone

ROMBootloaderontogglepanel

一■

TEXTMODESNone___一一

GRAPHICMODES256x256v’一——-1

COLORSMonochrome4"2T

…▼,“IWO學(xué)

SOUNDYestfe-d百士

SIZE/WEIGHTTwostories/Severaltons二三」膻W■口

I/OPORTSNone3a1

Mr

BUILTINMEDIATape箭

OSNone謝號7翊

POWERSUPPLY1MWJ一』1

PERIPHERALSNone■r,、

PRICE$708,909

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歷史追溯

?50年代

-1958年美國Calcomp公司由聯(lián)機的數(shù)字記錄

儀發(fā)展成滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數(shù)

控機床發(fā)展成為平板式繪圖儀。

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歷史追溯

?50年代

-在整個50年代，

?只有電子管計算機，

?用機器語言編程，

?主要應(yīng)用于科學(xué)計算，

?為這些計算機配置的圖形設(shè)備僅具有輸出功能。

■計算機圖形學(xué)處于準(zhǔn)備和醞釀時期，并稱之為:

“被動式”圖形學(xué)。

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歷史追溯

?50年代

—到50年代末期，MIT的林肯實驗室在“旋風(fēng)”

計算機上開發(fā)SAGE空中防御體系，第一次

使用了具有指揮和控制功能的CRT顯示器，

操作者可以用筆在屏幕上指出被確定的目標(biāo)。

與此同時，類似的技術(shù)在設(shè)計和生產(chǎn)過程中

也陸續(xù)得到了應(yīng)用，它預(yù)示著交互式計算機

圖形學(xué)的誕生。

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歷史追溯

?60年代

-1963年，MIT林肯實驗室的IvanE.

Sutherland發(fā)表了一篇題為"Sketchpad：

一個人機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圖形學(xué).

"ComputerGraphics”這個術(shù)語，證明了交互計

算機圖形學(xué)是一個可行的、有用的研究領(lǐng)域，從

而確定了計算機圖形學(xué)作為一個嶄新的科學(xué)分支

的獨立地位，他也被人們稱為“圖形學(xué)之父”。

?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。

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Tn

第二節(jié)計算機圖形學(xué)的起源

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歷史追溯

?60年代

-1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了被

后人稱為超限插值的新思想，通過插值四條

任意的邊界曲線來構(gòu)造曲面。

-同在60年代早期，法國雷諾汽車公司的工程

部PierreB6zier發(fā)展了一套被后人稱為

BGzier曲線、曲面的理論，成功輪角手幾何

外形設(shè)計，二并開發(fā)了用于汽車外形設(shè)計的

UNISURF系統(tǒng)。

-Coons方法和B6zier方法是CAGD最早的開

創(chuàng)性工作。

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歷史追溯

?60年代

-值得一提的是，計算機圖形學(xué)的最高獎是以

Coons的名字命名的，而獲得第一屆(1983)

和第二屆(1985)StevenA.Coons獎的，恰好

是IvanE.Sutherland和PierreBezier,這也

算是計算機圖形學(xué)的一段佳話。

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歷史追溯

?60年代

—60年代，CAD/CAM在計算機、汽車以及航

空工業(yè)領(lǐng)域被發(fā)展起來，出現(xiàn)了例如美國通

用汽車公司的輔助汽車設(shè)計的實用CAD系統(tǒng),

但總的說，由于圖形硬件設(shè)備非常昂貴，實

用技術(shù)也少，圖形學(xué)還是一個很小的專業(yè)化

學(xué)科。

2011-10-2737

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歷史追溯

?70年代

-70年代是計算機圖形學(xué)發(fā)展過程中一個重要

的歷史時期。由于光柵顯示器的產(chǎn)生，在60

年代就已萌芽的光柵圖形學(xué)算法，迅速發(fā)展

起來，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，圖形學(xué)進入了

第一個興盛的時期。由于大規(guī)模集成電路技

術(shù)的快速發(fā)展，計算機硬件性能不斷提高，

體積縮小，價格降低，特別是廉價的圖形輸

入輸出和大容量存儲介質(zhì)的出現(xiàn)，使得以小

型機為基礎(chǔ)的圖形系統(tǒng)進入市場并成為主流。

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歷史追溯

?70年代

-圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化

■1974年，ACMSIGGRAPH的“與機器無關(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、PHIGS

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歷史追溯

-真實感圖形學(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)

2011-10-2740

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歷史追溯

?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

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歷史追溯

?90年代：微機和軟件系統(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)計算可視化、

虛擬現(xiàn)實

-三維造型技術(shù)

2011-10-2742

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圖形學(xué)有關(guān)學(xué)術(shù)會議的發(fā)展

?ACMSIGGRAPH會議

-全稱“theSpecialInterestGrouponComputer

GraphicsandInteractiveTechniques^

-60年代中期，由Brown大學(xué)的教授Andrie?

vanDam(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

2011-10-2743

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硬件發(fā)展

?圖形顯示器的發(fā)展

圖形顯示器是計算機圖形學(xué)中關(guān)鍵的設(shè)備

?60年代中期：畫線顯示器（亦稱矢量顯示器）

需要刷新。設(shè)備昂貴，普及受到限制。

?60年代后期：存儲管式顯示器

不需刷新，價格較低，缺點是不具有動態(tài)修改

圖形功能，不適合交互式。

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硬件發(fā)展

?70年代初，刷新式光柵掃描顯示器出現(xiàn)，

大大地推動了交互式圖形技術(shù)的發(fā)展。

?以點陣形式表示圖形，使用專用的緩沖區(qū)

存放點陣，由視頻控制器負責(zé)刷新掃描。

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硬件發(fā)展

圖形輸入設(shè)備的發(fā)展

-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，語音

-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

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ComputerGraphics

7

2011-10-2747

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第三節(jié)計算機圖形學(xué)的應(yīng)用及發(fā)展動

計算機圖形學(xué)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

?1.計算機輔助設(shè)計與制造(CAD/CAM)

?2.可視化

?3.圖形實時繪制與自然景物仿真

?4.計算機動畫

?5.用戶接口

?6.計算機藝術(shù)

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計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM

計算機圖形學(xué)被用來進行土建工程、機械結(jié)

和產(chǎn)品的設(shè)計，包括設(shè)計飛機、汽車、船舶的

外形和發(fā)電廠、化工廠等的布局以及電子線路、

電子器件等。有時，著眼于產(chǎn)生工程和產(chǎn)品相

應(yīng)結(jié)構(gòu)的精確圖形，然而更常用的是對所設(shè)計

的系統(tǒng)、產(chǎn)品和工程的相關(guān)圖形進行人-機交

互設(shè)計和修改，經(jīng)過反復(fù)的迭代設(shè)計，便可利

用結(jié)數(shù)據(jù)輸出零件表、材料單、加工流程和

工藝,或者數(shù)據(jù)加工代碼的指令。

?應(yīng)用領(lǐng)域：飛機、輪船、汽車外形，大規(guī)模集

成電路，建筑，服裝，玩具

?優(yōu)點：設(shè)計周期短，成本低，質(zhì)量高

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可視化

科菜計蠲普福鬲塞造雕和圖發(fā)形展的趨形式勢表，示提出取

最本質(zhì)的特征。

?目標(biāo)：用圖形表現(xiàn)抽象的數(shù)據(jù)

?應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)，遙感，流場等等

2011-10-2750

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可視化

■1986年，美國科學(xué)基金會(NSF)專門召開】

一次研討會，會上提出了“科學(xué)計算可視化

(VisualizationinScientificComputing)”。

第二年，美國計算機成像專業(yè)簍員會向NSF提

交了“科學(xué)計算可視化的研究報告”后，

VISC就迅速發(fā)展起來了。

?目前科學(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。

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圖形實時繪制與自然景物仿真

在計算機中重現(xiàn)真實世界的場景叫做真實感繪

制。實感繪制的主要任務(wù)是模擬真實物體的

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。這其中光照和表面屬

性是最難模擬的。實時的真實感繪制已經(jīng)成為

當(dāng)前真實感繪制的研究熱點，而當(dāng)前真實感圖

形實時繪制的兩個熱點問題則是物體網(wǎng)格模型

的面片簡化和基于圖像的繪制(IBRImage

BasedRendering)。

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計算機動畫

耨瞿髓髓嘉需疆髀霜畫的藝

■計算機動畫生成一幅幅靜態(tài)的圖像，但是每一

幅都是對前一幅做一小部分修改（如何修改便

是計篡機動畫的研究內(nèi)容），這樣，當(dāng)這些畫

面連殘播放時，整個場景就動起來了。

?電影，廣告設(shè)計，電腦游戲也頻頻運用計算機

動畫。計算機動畫也因這些商業(yè)應(yīng)用的大力推

動而有了底大的發(fā)展。

2011-10-2753

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計算機動畫

?早期的計算機動畫，在生成幾幅被稱做“關(guān)鍵

幀”的畫面后，由計算機對兩幅關(guān)鍵幀進行插

值生成若干“中間幀”，連續(xù)播放時兩個關(guān)鍵

幀就被有機地結(jié)合起來了。

?近年來人們普遍將注意力轉(zhuǎn)向基于物理模型的

計算機動畫生成方法。該方法大量運用彈性力

學(xué)和流體力學(xué)的方程進行計算，力求使動畫過

程體現(xiàn)出最適合真實世界的運動規(guī)律

2011-10-2754

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用戶接口

?用戶接口是介于使用者與硬件而設(shè)計彼此之間

互動溝通相關(guān)軟件，目的在使得使用者能夠方

便有效率地去操作硬件以達成雙向之互動，完

成所希望借助硬件完成之工作，用戶接口包含

了人機交互與圖形用戶接口，凡參與人類與機

械的信息交流的領(lǐng)域都存在著用戶接口。

2011-10-2755

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用戶接口

?用戶接口是人們使用計算機的第一觀感。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。

?在任何一臺普通計算機上都可以看到圖形學(xué)在

用戶接口方面的應(yīng)用。操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件中

的圖形、動畫比比皆是，程序直觀易用。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行操作。

■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

國總界面。圖形學(xué)在其中起主導(dǎo)作用。,

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計算機藝術(shù)

?在真實感圖形學(xué)發(fā)展的同時？模拼....一?

感繪制(NPRNon-Photorealistictendering)也在逐

漸發(fā)展。

?優(yōu)點：

-提供多種風(fēng)格的畫筆畫刷

-瞿揖漆種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖像進行霧化，變形

-可立任意修改，取消敗筆

?不足：

-無法達到傳統(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

2011-10-2757

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圖形學(xué)主要研究內(nèi)容

?L圖形的生成和表示技術(shù)。

-圖形基元的顯示

-消隱算法

-真實感圖形的繪制

?2、圖形的操作與處理方法。

-圖形變換

-圖形運算

2011-10-2758

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圖形學(xué)主要研究內(nèi)容

?3、圖形輸出設(shè)備與輸出技術(shù)的研究。

-圖形顯示器及其技術(shù)的研究

-圖形顯示卡及其技術(shù)的研究

?4、圖形輸入設(shè)備、交互技術(shù)及用戶接口技

術(shù)的研究。

-圖形輸入設(shè)備及其技術(shù)的研究

-圖形用戶界面的基本元素和交互對話技術(shù)的研

究

2011-10-2759

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圖形學(xué)主要研究內(nèi)容

?5、圖形信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及存儲、檢索方法。

-圖形信息的各種機內(nèi)表示方法，組織形式，存

取技術(shù)。

-圖形數(shù)據(jù)庫的管理。

-圖形信息的通訊。

2011-10-2760

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圖形學(xué)主要研究內(nèi)容

?6、幾何模型構(gòu)造技術(shù)。

-刻畫被處理對象幾何性質(zhì)的描述信息就構(gòu)成它

的幾何模型。

-研究幾何模型的構(gòu)造方法及性能分析等。

?7、動畫技術(shù)。

-研究實現(xiàn)高速動畫生成的各種軟硬件方法、開

發(fā)工具、動畫語言等。

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基于物理模型的計算機動畫生成方法

2011-10-2762

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圖形學(xué)主要研究內(nèi)容

?8、圖形軟硬件的系列化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化

的研究

-當(dāng)前主要有兩種圖形API

?Java的集成方法，圖形與用戶界面工具包被集成在

一起。

?優(yōu)點：可移植性高，完全標(biāo)準(zhǔn)化，作為語言的一部

分得到支持。

2011-10-2763

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圖形學(xué)主要研究內(nèi)容

?8、圖形軟硬件的系列化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化

的研究

-當(dāng)前主要有兩種圖形API

?Direct3D和OpenGL,繪圖命令是軟件庫的一部分,

軟件庫與某種語言分離，而用戶界面軟件是獨立的

實體，一般隨系統(tǒng)不同而不同。調(diào)用時，軟件庫與

某種語言（如C++）綁定。

?核點：軟件庫獨立性好，開發(fā)平臺靈活，繪圖效率

演JO

?缺點：不易編寫可移植代碼。

2011-10-2764

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圖形學(xué)主要研究內(nèi)容

?9、科學(xué)計算的可視化

-指應(yīng)用計算機圖形生成技術(shù)，將科學(xué)及工程計

算的結(jié)果以及測量數(shù)據(jù)等，以圖形的形式在計

算機屏幕上顯示出來，使人們能觀察到用常規(guī)

手段難以觀察到的自然現(xiàn)象和規(guī)律，實現(xiàn)計算

環(huán)境和工具進一步現(xiàn)代化。

2011-10-2765

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科學(xué)計算可視化

AirflowinsideaThunderStrom

(BobWilhelmson,Univ,ofIllinois

atUrbana-Champaign)

2011-10-2766

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第四節(jié)圖形系統(tǒng)的硬件

計算機圖形系統(tǒng)：

?計算機

?顯示處理器(DPU)目前已被圖形處理器替代

(GPU)

?圖形顯示器

?輸入設(shè)備

?硬拷貝設(shè)備

2011-10-2767

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CPU的圖形處理

?軟件模擬，在CPU端完成

■執(zhí)行串行工作，不適合圖形渲染的并行處理

?大部分晶體管主要用于構(gòu)建控制電路（如分支預(yù)

測）和Cache（緩存），只有少部分的晶體管來完

成實際的運算工作，速度上無法達到實時圖形繪

制要求

?實時生成的三維圖像很粗糙

?技術(shù)進步正在慢于摩爾定律

2011-10-2768

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GPU的圖形處理

?GPU的控制相對簡單，對Cache的需求小，大部

分晶體管可以組成各類專用電路、多條流水線。

?處理浮點運算的能力強。

?望術(shù)進步速度超過摩爾定律，每6個月其性能加

倍。。

2011-10-2769

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GPU的圖形處理

s

d

o

i

o

GPU與CPU浮點處理能力對比

2011-10-2770

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GPU的圖形處理

?第一代GPU(1995年)：

-硬件實現(xiàn)深度緩沖區(qū)(z-buffer)和紋理映射(texture

mapping)。z-buffer利由象素的深度決定遮擋關(guān)系，

從而消除隱藏面；利用紋理映射功能則可以十分逼真

地表達物體表面細節(jié)。在GPU上執(zhí)行的圖形操作被

稱為硬件加速。

-3D圖形實時渲染(主要指游戲)的速度、畫質(zhì)取得了一

個飛躍。

2011-10-2771

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GPU的圖形處理

?第二代GPU(1999年)：

-包括了硬件級的圖形幾何變換與光照計算(transform

andlighting簡稱T&L或TnL)。而在此之前T&L都是

由CPU完成的。

-解決了系統(tǒng)的瓶頸，減輕了CPU的負荷，速度明顯

七日*

J/E叵I。

2011-10-2772

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GPU的圖形處理

?第三代GPU：

-2001年，引入了可編程vertexshader（頂點著色器）單元。緊接

著在2002年，可編程pixelshader（像素著色器）單元也加入了

GPUo

-在繪制時，

?GPU接收CPU以圖元頂點形式發(fā)送的幾何數(shù)據(jù)。

?由頂點著色器進行處理，完成幾何變換與頂點屬性計算等功能。

?三維空間的圖元由一個固定功能的光柵生成器轉(zhuǎn)換為二維屏幕上的像

素，每個像素的最終顏色值都通過在像素著色器上的小程序運算而得。

2011-10-2773

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圖形流水線

圖形流水線基本運算是把三維頂點位置映射到二維屏幕位置,

三國形進行明暗處理，使其看起來比較真實且按適當(dāng)?shù)那昂髮哟?/p>

顯小O

二維屏

二維屏

2011-10-2774

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2.CRT顯示器工作方式

⑴隨機掃描方式(畫線顯示器，矢量顯示器)

(2)光柵掃描方式

隨機掃描光柵掃描光柵掃描

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隨機掃描方式

?隨機掃描又稱為矢量掃描或軌跡掃描。隨機掃描

顯示器又成為畫線顯示器。

?隨機掃描方式：通過畫出一系列線段來畫出圖形。

CRT的電子束沿箭頭指出的路線點亮各線段，就

顯示出一個多邊形的輪廓。

?優(yōu)點：畫線速度快，產(chǎn)生圖形分辨率高，

?缺點：難以產(chǎn)生具有多種灰度、色調(diào)能連續(xù)變化

的圖形。

2011-10-2776

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光柵掃描方式

?光柵掃描又稱為電視掃描。

?光柵掃描方式：CRT的電子束從屏的左上角開始由左向

右進行正向掃描，當(dāng)掃到最右位置時迅速回到最左邊位

置。電子束同時還進行自上而下的掃描，所以行掃描線

略向下傾斜，回掃后電子束到達下一行的左邊位置。當(dāng)

電子束如此逐行掃描到達屏面右下角時，即完成整個屏

幕的掃描。

?優(yōu)點：能產(chǎn)生相當(dāng)逼真的圖形顯示，已經(jīng)成為當(dāng)前最重

要的顯示方式。

2011-10-2777

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電子束掃描過程示意圖

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