計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（第3版）課件：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)簡(jiǎn)介

2024/12/141計(jì)算機(jī)圖形學(xué)2024/12/142

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)簡(jiǎn)介第一節(jié)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第二節(jié)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的起源第三節(jié)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用及發(fā)展動(dòng)向第四節(jié)圖形系統(tǒng)的硬件第五節(jié)計(jì)算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn)2024/12/143

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)指用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生對(duì)象圖形輸出的技術(shù)。 確切地說(shuō)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究通過(guò)計(jì)算機(jī)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。

第一節(jié)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)生成圖形的過(guò)程：對(duì)象模型

圖形2024/12/144對(duì)象：客觀存在的實(shí)體?？梢允歉鞣N具體的、實(shí)在的物體，也可以是抽象的、假想的事物。

模型：能夠正確地表達(dá)出一個(gè)對(duì)象性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和行為的描述信息。

圖形：對(duì)象的一種外在表現(xiàn)形式，它是對(duì)象有關(guān)信息的具體體現(xiàn)。對(duì)象模型

圖形圓圓心(1,2)，半徑3模型圖形對(duì)象模型生成圖形生成2024/12/145

圖象處理是指用計(jì)算機(jī)來(lái)改善圖象質(zhì)量的數(shù)字技術(shù)。模式識(shí)別是指用計(jì)算機(jī)對(duì)輸入圖形進(jìn)行識(shí)別的技術(shù)。圖象處理圖形學(xué)圓的數(shù)據(jù)模式識(shí)別圓2024/12/146

計(jì)算幾何學(xué)是研究幾何模型和數(shù)據(jù)處理的學(xué)科。

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是指用計(jì)算機(jī)交互式地產(chǎn)生圖形的技術(shù)。

交互設(shè)備是實(shí)現(xiàn)交互技術(shù)，完成交互任務(wù)的基礎(chǔ)。交互設(shè)備有定位、鍵盤、選擇、取值和拾取。

交互任務(wù)是用戶輸入到計(jì)算機(jī)的一個(gè)單元信息，基本任務(wù)有四種：定位、字串、選擇、取值。模型生成圖元組合對(duì)象構(gòu)造交互輸入圖形輸出人機(jī)交互圖形模型生成菜單輸入圖形顯示2024/12/148第二節(jié)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的起源與發(fā)展1962年，麻省理工學(xué)院的IvanE.Sutherland，發(fā)表了博士論文——

“Sketchpad:一個(gè)人機(jī)交互通信的圖形系統(tǒng)”，此被視為是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為一個(gè)正式獨(dú)立學(xué)科分支的開(kāi)始。他也因?yàn)樵诮换ナ綀D形學(xué)方向的杰出貢獻(xiàn)獲得1988年的圖靈獎(jiǎng)。2024/12/149歷史追溯20世紀(jì)60年代以前1946年2月14日,世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)問(wèn)世。1950年,第一臺(tái)圖形顯示器誕生于麻省理工學(xué)院,從此計(jì)算機(jī)具有了圖像顯示功能,也搭建了圖形顯示與計(jì)算機(jī)技術(shù)聯(lián)系的橋梁。1959年,麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室第一次使用了具有指揮和控制功能的陰極射線管顯示器,讓單純顯示的“被動(dòng)式”圖形學(xué)開(kāi)始邁向交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)。商業(yè)公司比如美國(guó)Calcomp公司的滾筒式繪圖儀和美國(guó)GerBer公司的平板式繪圖儀。這些學(xué)術(shù)研究和商業(yè)應(yīng)用初步奠定了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為一個(gè)學(xué)科研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)。2024/12/1410歷史追溯20世紀(jì)70年代以來(lái)：真實(shí)感圖形學(xué)和實(shí)體造型技術(shù)開(kāi)始獲得廣泛的關(guān)注和研究1970年,美國(guó)計(jì)算機(jī)專家Bouknight提出了第一個(gè)光反射模型;1971年,法國(guó)計(jì)算機(jī)專家Gourand提出“漫反射模型+插值”的思想;1975年,美國(guó)計(jì)算機(jī)專家Phong提出Phong模型;70年代初期,英國(guó)劍橋大學(xué)的BUILD-1系統(tǒng),德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)的COMPAC系統(tǒng),日本北海道大學(xué)的TIPS-1系統(tǒng)和美國(guó)羅切斯特大學(xué)的PADL-1、PADL-2系統(tǒng)等實(shí)體造型系統(tǒng),都使用了多面體表示形體的方式,為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。2024/12/1411歷史追溯20世紀(jì)80年代中期之后,隨著計(jì)算機(jī)硬件的高速發(fā)展,特別是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的圖形處理器(GPU),計(jì)算機(jī)圖形學(xué)開(kāi)始具有強(qiáng)大的硬件計(jì)算基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的全局光照模型推動(dòng)了真實(shí)感圖形學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展,并大量運(yùn)用于CAD、科學(xué)計(jì)算可視化、動(dòng)畫、影視娛樂(lè)等各個(gè)領(lǐng)域。2024/12/1412第三節(jié)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容及應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在諸如工業(yè)、商業(yè)、政府部門、教育、科研、醫(yī)學(xué)、娛樂(lè)和廣告等領(lǐng)域,都有著廣泛的應(yīng)用。在科學(xué)技術(shù)事業(yè)中,可以使用計(jì)算機(jī)來(lái)繪制表示數(shù)值計(jì)算或數(shù)據(jù)處理結(jié)果的圖形。例如各種函數(shù)的圖形、統(tǒng)計(jì)用的直方圖、百分比圖等。在制圖學(xué)方面,可以利用計(jì)算機(jī)來(lái)繪制精確的地形圖、天氣圖、海洋圖、石油開(kāi)發(fā)圖、人口密度圖等。2024/12/1413第三節(jié)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容及應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造計(jì)算機(jī)仿真與動(dòng)畫2024/12/1414第三節(jié)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容及應(yīng)用計(jì)算機(jī)藝術(shù)與娛樂(lè)可視化科學(xué)計(jì)算可視化、商用可視化2024/12/1415第三節(jié)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容及應(yīng)用圖形用戶界面窗口、菜單和圖標(biāo)2024/12/1416圖形學(xué)主要研究?jī)?nèi)容1.圖形的生成和表示技術(shù)2.圖形的操作與處理方法2024/12/1417圖形學(xué)主要研究?jī)?nèi)容3.圖形輸出設(shè)備與輸出技術(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2024/12/1418圖形學(xué)主要研究?jī)?nèi)容5.圖形信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及存儲(chǔ)、檢索方法6.幾何模型構(gòu)造技術(shù)U－2024/12/1419圖形學(xué)主要研究?jī)?nèi)容7.動(dòng)畫技術(shù)8.圖形軟硬件的系列化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的研究9.科學(xué)計(jì)算的可視化2024/12/1420第四節(jié)圖形系統(tǒng)的硬件計(jì)算機(jī)圖形學(xué)硬件系統(tǒng)系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)(CPU)、顯示處理器(GPU)、圖形顯示器、輸入設(shè)備和硬拷貝設(shè)備2024/12/1421顯示處理器顯示處理器(GraphicProcessingUnit,GPU)是專門用于圖形顯示過(guò)程中涉及運(yùn)算的處理器,是一種具有專門用途的CPU。GPU的加入實(shí)現(xiàn)了將三維圖像和特效處理功能集中在顯示芯片內(nèi),即所謂的“硬件加速”功能,使圖形的顯示效率大大提高。它能夠在硬件水平基礎(chǔ)上完成圖形處理過(guò)程中的多種運(yùn)算。2024/12/1422顯示處理器今天,GPU通用計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展受到多方的廣泛關(guān)注,GPU的工作能力已不再僅僅局限于3D圖形處理。各種各樣的事實(shí)也證明在浮點(diǎn)運(yùn)算、并行計(jì)算等方面,GPU可以提供數(shù)十倍乃至上百倍于CPU的性能。2024/12/1423圖形顯示器圖形顯示器是將最終的顯示效果呈現(xiàn)出來(lái)的部件。圖形顯示器也經(jīng)歷了從存儲(chǔ)管式顯示器、隨機(jī)掃描顯示器、光柵掃描顯示器、彩色CRT光柵掃描顯示器到平板顯示器等發(fā)展階段。2024/12/1424圖形顯示器陰極射線管(CathodeRayTube,CRT)曾是最為廣泛使用的顯示器。CRT純平顯示器可視角度大、無(wú)壞點(diǎn)、色彩還原度高、響應(yīng)時(shí)間短。光柵掃描方式應(yīng)用較廣。2024/12/1425圖形顯示器現(xiàn)在液晶顯示器(LiquidCrystalDisplay,LCD)已取代了CRT顯示器。與傳統(tǒng)CRT顯示器相比,LCD體積小、厚度薄、重量輕、能耗低、無(wú)輻射、無(wú)閃爍。26基本概念（性能指標(biāo)）象素屏幕上可以點(diǎn)亮或熄滅的最小單位分辨率顯示屏上象素的總數(shù)，常用每行象素?cái)?shù)與行數(shù)的乘積表示2024/12/1427基本概念（性能指標(biāo)）亮度等級(jí)或稱灰度等級(jí)數(shù)目是指單色顯示器象素的亮度可以有多少種不同的變化幀存儲(chǔ)器存儲(chǔ)屏幕上每個(gè)象素對(duì)應(yīng)的顏色或亮度值x亮度等級(jí)2024/12/1428顏色系統(tǒng)RGB（紅、綠、藍(lán)）、顏色查詢表（colorlookuptable）、CMY（青、品紅、黃）、HSV（色彩、飽和度、亮度）2024/12/1429x地址和y地址計(jì)數(shù)器圖形顯示時(shí)，光柵掃描發(fā)生器中的x地址和y地址計(jì)數(shù)器不斷計(jì)數(shù)。數(shù)值通過(guò)光柵掃描電路使CRT電子束產(chǎn)生掃描偏轉(zhuǎn)，作為地址值讀出幀存儲(chǔ)器中的內(nèi)容以控制顯示屏上對(duì)應(yīng)像素的顏色或亮度。2024/12/1430第五節(jié)計(jì)算機(jī)圖形編程接口

計(jì)算機(jī)圖形的標(biāo)準(zhǔn)是指圖形系統(tǒng)及其相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)中各界面之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和通信的接口標(biāo)準(zhǔn)，近些年來(lái),包括DirectX和OpenGL等計(jì)算機(jī)圖形編程接口的廣泛發(fā)展和諸如OpenInventor的圖形庫(kù)在業(yè)界的大規(guī)模使用,更是極大地促進(jìn)了高質(zhì)量圖形界面的開(kāi)發(fā)和推廣。2024/12/1431OpenGLOpenGL是個(gè)專業(yè)的3D程序接口，

是一個(gè)功能強(qiáng)大，調(diào)用方便的底層3D圖形庫(kù)。OpenGL的前身是SGI公司為其圖形工作站開(kāi)發(fā)的IRIS

GL。IRIS

GL是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的3D圖形軟件接口，功能雖然強(qiáng)大但是移植性不好，于是SGI公司便在IRISGL的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了OpenGL。OpenGL是“開(kāi)放的圖形程序接口”。雖然DirectX在家用市場(chǎng)全面領(lǐng)先，但在專業(yè)高端繪圖領(lǐng)域，OpenGL是不能被取代的主角。2024/12/1432OpenGL優(yōu)點(diǎn)：OpenGL是個(gè)與硬件無(wú)關(guān)的軟件接口，可以在不同的平臺(tái)之間進(jìn)行移植。因此，支持OpenGL的軟件具有很好的移植性，可以獲得非常廣泛的應(yīng)用。2024/12/1433OpenGL缺點(diǎn)：由于OpenGL是3D圖形的底層圖形庫(kù)，沒(méi)有提供幾何實(shí)體圖元，不能直接用以描述場(chǎng)景。但是，通過(guò)一些轉(zhuǎn)換程序，可以很方便地將AutoCAD、3DS等3D圖形設(shè)計(jì)軟件制作的DFX和3DS模型文件轉(zhuǎn)換成OpenGL的頂點(diǎn)數(shù)組。OpenGL的發(fā)展一直處于一種較為遲緩的態(tài)勢(shì)，每次版本的提高，新增的技術(shù)很少，大多只是對(duì)其中部分做出修改和完善。目前，隨著DirectX的不斷發(fā)展和完善，OpenGL的優(yōu)勢(shì)逐漸喪失。2024/12/1434DirectXDirectX是由微軟公司開(kāi)發(fā)的用途廣泛的API，它包含有DirectGraphics(Direct3D+DirectDraw)、DirectInput、DirectPlay、DirectSound、DirectShow、DirectSetup、DirectMediaObjects等多個(gè)組件，它提供了一整套的多媒體接口方案。2024/12/1435DirectX在3D圖形方面的優(yōu)秀表現(xiàn)。DirectX開(kāi)發(fā)之初是為了彌補(bǔ)Windows3.1系統(tǒng)對(duì)圖形、聲音處理能力的不足，而今已發(fā)展成為對(duì)整個(gè)多媒體系統(tǒng)的各個(gè)方面都有決定性影響的接口。DirectX從5.0版本開(kāi)始逐漸成熟起來(lái),目前已發(fā)展到13.0版本。從9.0版本開(kāi)始,DirectX對(duì)硬件新功能的支持已超過(guò)OpenGL。OpenInventorOpenInventor(以下簡(jiǎn)稱OIV)是SGI公司開(kāi)發(fā)的基于OpenGL的面向?qū)ο笕S圖形軟件開(kāi)發(fā)包.OIV具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性,可以在MicrosoftWindows,Unix,Linux等多種操作系統(tǒng)中使用。OIV允許使用C、C++、Java、DotNet等多種編程語(yǔ)言進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)2024/12/1436OpenInventorOpenInventor已經(jīng)基本上成為面向?qū)ο蟮?D圖形開(kāi)發(fā)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),廣泛地被應(yīng)用在機(jī)械工程設(shè)計(jì)與