計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實

計算機圖形學(xué)是計算機技術(shù)、電視顯示技術(shù)和圖形信息處理技術(shù)相結(jié)合的一門學(xué)科。它研究有關(guān)對象的圖形的計算機表示、生成、處理、視覺真實性實現(xiàn)的基本原理和基本技術(shù)。它是計算機領(lǐng)域中發(fā)展最迅速的學(xué)科之一，已廣泛用于科學(xué)研究、工業(yè)和建筑設(shè)計、醫(yī)學(xué)研究、文化教育、地理地質(zhì)，益智娛樂、商業(yè)廣告和軍事等領(lǐng)域1計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024圖形信息與文字信息相比具有直觀、形象、含義豐富等優(yōu)點，有著廣泛的應(yīng)用前景。但是圖形的生成、表示、處理、存儲和管理卻比文字信息復(fù)雜得多。2計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/20243計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024計算機圖形學(xué)（ComputerGraphics）是研究怎樣用計算機生成、處理和顯示圖形的一門新興學(xué)科.國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）定義為：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。4計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024

計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容圖形：計算機圖形學(xué)的研究對象能在人的視覺系統(tǒng)中產(chǎn)生視覺印象的客觀對象包括自然景物、拍攝到的圖片、用數(shù)學(xué)方法描述的圖形等等構(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、材質(zhì)等結(jié)束5計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024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(dá)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6計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024 計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容圖形的輸入

如何開發(fā)利用圖形輸入設(shè)備及軟件將圖形輸入到計算機中去，以便作各種處理。圖形的處理包括對圖形進(jìn)行變換(幾何變換，投影變換)和運算（集合運算）,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，并將圖形在顯示屏或打印機等輸出設(shè)備上輸出。7計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容.與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型圖像生成（計算機圖形學(xué)）模型（特征）提?。ㄓ嬎銠C視覺，模式識別）模型變換（計算幾何）圖像變換（圖像處理）.發(fā)展特點:交叉、界線模糊、相互滲透DIGITALIMAGING：8計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024用計算機生成、處理和顯示圖形的學(xué)科；由幾何數(shù)據(jù)和幾何模型，利用計算機進(jìn)行顯示并存儲，并可以進(jìn)行修改、完善以及有關(guān)操作的過程.計算機圖形學(xué)9計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024

計算幾何研究幾何模型和數(shù)據(jù)處理的學(xué)科，討論幾何形體的計算機表示、分析和綜合，研究如何方便靈活、有效地建立幾何形體的數(shù)學(xué)模型以及在計算機中更好地存貯和管理這些模型數(shù)據(jù)；10計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/20242024/5/911

數(shù)字圖象處理是將圖像信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式并利用計算機進(jìn)行處理的過程:圖像獲取、圖像變換、圖像增強、圖像復(fù)原、圖像編碼、圖像分析、圖像識別、圖像理解。

與計算機圖形學(xué)的概念容易混淆的是圖像處理。計算機圖形學(xué)的基本含義是使用計算機通過算法和程序在顯示設(shè)備上構(gòu)造出圖形來。與此相反，圖像處理是將客觀世界中原來存在的物體的影像處理成新的數(shù)字化圖像的相關(guān)技術(shù)，并研究如何從圖像中提取二維或三維物體的模型。它所研究的是計算機圖形學(xué)的逆過程。11計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024計算機視覺和模式識別:對所輸入的圖象進(jìn)行分析和識別，找出其中蘊涵的內(nèi)在聯(lián)系或抽象模型；如郵政分檢設(shè)備、地形地貌識別等；圖形學(xué)的逆過程，分析和識別輸入的圖像,并從中提取二維或三維的數(shù)據(jù)模型（特征）。手寫體識別、機器視覺12計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024

計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容涉及到用計算機對圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的硬件和軟件兩方面的技術(shù)，主要是圍繞著生成、表示物體的圖形圖像的準(zhǔn)確性、真實性和實時性的基礎(chǔ)算法，大致可分為以下幾類：13計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024

（1）基于圖形設(shè)備的基本圖形元素的生成算法，如用光柵圖形顯示器生成直線、圓弧、二次曲線、封閉邊界內(nèi)的圖案填充等。

（4）三維幾何造型技術(shù)，對基本體素的定義、輸入及它們之間的布爾運算方法。

（5）三維形體的實時顯示，包括投影變換、坐標(biāo)變換等。

（2）圖形元素的幾何變換，即對圖形的平移、放大和縮小、旋轉(zhuǎn)、鏡像等操作。

（3）樣條曲線和樣條曲面的插值、擬合、拼接、光順、整體和局部修改等。14計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024

（8）科學(xué)計算可視化和三維數(shù)據(jù)場的可視化，將科學(xué)計算中大量難以理解的數(shù)據(jù)通過計算機圖形顯示出來，從而加深人們對科學(xué)過程的理解。例如有限元分析的結(jié)果等；應(yīng)力場、磁場的分布等；各種復(fù)雜的運動學(xué)和動力學(xué)問題的圖形仿真等。

（7）山、水、花、草、煙、云等自然景物的模擬生成算法等。

（6）真實感圖形的生成算法，包括三維圖形的消隱、光照、色彩、陰影、紋理及彩色濃淡圖的生成算法。15計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)形成

三種類型的計算機圖形軟件系統(tǒng)：(1)用某種語言寫成的子程序包

GKS(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem) 便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對較慢，效率低(2）擴充計算機語言，使其具有圖形生成和處理的功能如：TurboPascal、TurboC，AutoLisp,VC等。簡練、緊湊、執(zhí)行速度快，但不可移植（3）專用圖形系統(tǒng)：效率高，但系統(tǒng)開發(fā)量大，可移植性差。(4)MATLAB,MathWorks公司,一種交互式面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言,工程計算領(lǐng)域中重要應(yīng)用軟件.16計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024通用的、與設(shè)備無關(guān)的圖形包，圖形標(biāo)準(zhǔn)

CGS(CoreGraphicsSystem,核心圖形系統(tǒng),1977年ACM提出)

GKS(GraphicsKernelSystem,)(第一個官方標(biāo)準(zhǔn)，ISO,1977)

PHIGS

(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem,程序員層次交互式圖形系統(tǒng))

一些非官方圖形軟件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)界，成為事實上的標(biāo)準(zhǔn)DirectX(MS)Xlib(X-Window系統(tǒng))OpenGL(SGI)Adobe公司Postscript

開放式、高效率的發(fā)展趨勢17計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024圖形標(biāo)準(zhǔn)的層次關(guān)系18計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024VirtualReality（虛擬現(xiàn)實、靈境）VirtualReality或稱虛擬環(huán)境（VirtualEnvironment)是用計算機技術(shù)來生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對這一生成的虛擬世界客體進(jìn)行瀏覽和交互考察。輸入輸出設(shè)備19計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024規(guī)則形體：歐氏幾何方法造型技術(shù)

20計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/20242024/5/921不規(guī)則形體：分形幾何方法粒子系統(tǒng)紋理映射實體造型基于物理的造型基于圖像的造型21計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024真實感圖形繪制技術(shù)光照明模型繪制算法快速算法基于圖像的繪制22計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024圖形繪制管線(Pipeline)圖形繪制管線的主要功能是在給定虛擬相機,三維物體,光源,照明模式,以及紋理等條件,如何生成或繪制一幅二維圖象。它是實時繪制的核心。應(yīng)用程序幾何光柵繪制管線的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)用程序?qū)⑿枰L制的幾何體（如點、線、矩形等）輸入到幾何階段光柵階段把幾何階段的對象表示成幀緩存的象素.23計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024模型與視點變換光照投影裁剪屏幕映射幾何階段的基本結(jié)構(gòu)24計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024計算機圖形學(xué)的相關(guān)開發(fā)技術(shù)

OpenGL（OpenGraphicsLib）

三維圖形處理庫、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，三維設(shè)計軟件

ACIS

SpatialTechnology公司，三維幾何引擎，三維造型和顯示DirectX

微軟，圖形應(yīng)用程序接口（API），三維游戲Java3D

SUN公司定義的3D顯示接口，網(wǎng)上三維顯示VRML

標(biāo)記語言，網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實25計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024

OPenGL

科學(xué)可視化、計算機動畫和虛擬現(xiàn)實是近年來計算機圖形學(xué)領(lǐng)域的三大熱門話題，而這三大熱門話題的技術(shù)核心都是三維真實感圖形顯示。當(dāng)前三維圖形顯示在軍事、航空、航天、地質(zhì)、游戲、藝術(shù)造型等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。OpenGL是目前比較完善的三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，它是由SGI公司推出，現(xiàn)在被Microsoft、DEC、HP、SUN等在計算機領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的大公司所采用，作為三維圖形的標(biāo)準(zhǔn)。隨著PC性能的不斷提高，3D圖形圖像開發(fā)已經(jīng)不再是圖形I作站的專利，尤其是微軟在主流操作系統(tǒng)Wndows中全面支持OpenGL以來，使在PC機上使用OpenGL開發(fā)高性能的圖形圖像產(chǎn)品成為一件比較簡單的事情，這大大地促進(jìn)了OpenGL的發(fā)展。

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OpenGL（OpenGraphicLibrary）開放式圖形庫，是一個3D圖形和模型庫。它由SiliconGraphics公司開發(fā)，前身是由SGI公司為其圖形工作站開發(fā)的IRISGL。OpenGL是業(yè)界最為流行也是支持最廣泛的一個底層3D技術(shù)，幾乎所有的顯卡廠商都在底層實現(xiàn)了對OpenGL的支持和優(yōu)化。OpenGL同時也定義了一系列接口用于編程實現(xiàn)三維應(yīng)用程序，有運行效率高、穩(wěn)定性強、跨平臺等特點，可運行在幾乎所有平臺，包括Unix、Windows、Linux、OS/2，也可被大多數(shù)編程語言調(diào)用，如C、C++Builder、VB、VC、Delphi等。OpenGL并不是編程語言，它更像一個C運行時函數(shù)庫，提供了一些預(yù)包裝的功能，是供那些專門設(shè)計用來（并進(jìn)行了優(yōu)化）顯示和操作3D圖形的計算機硬件所使用的。OpenGL具有多種用途，從CAD工程到建筑應(yīng)用程序、到電影中都能用來實現(xiàn)計算機生成的建模程序。OpenGL被設(shè)計成獨立于硬件，獨立于窗口系統(tǒng)的，在運行各種操作系統(tǒng)的各種計算機上都可用，并能在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下以客戶/服務(wù)器模式工作，是專業(yè)圖形處理、科學(xué)計算等高端應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)圖形庫。27計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024OPenGL函數(shù)的分類

OPenGL是一個與圖形硬件無關(guān)的應(yīng)用程序開發(fā)接口(API)，它包含了近200個函數(shù),使用這些函數(shù)可以開發(fā)出與現(xiàn)實世界相類似的三維景象。它的函數(shù)可分為4類：核心函數(shù)、實用函數(shù)、輔助函數(shù)和專用函數(shù)。28計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024核心函數(shù)在OpenGL中有115個核心函數(shù)，這些函數(shù)是最基本的，都以gl開頭，它們可以在任何OpenGL平臺中使用。用于繪制各種圖形、進(jìn)行場景變換、產(chǎn)生光照效果、進(jìn)行紋理映射等工作。實用函數(shù)核心函數(shù)比核心函數(shù)高一層次，它們將核心函數(shù)進(jìn)行組織和封裝，提供比較簡單的函數(shù)接口和用法，共有43個，以glu為前綴，可在任何OpenGL平臺中使用。輔助函數(shù)是一些特例函數(shù)，共有31個，以aux為前綴，不能在任何OpenGL平臺中使用，一般用于在Windows應(yīng)用程序中進(jìn)行窗口管理和輸入輸出處理以及繪制一些簡單的三維圖形。

29計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實5/9/2024專用函數(shù)

由6個以wgl為