多媒體技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用(第3版)鄂大偉cha.ppt

第6章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖形處理技術(shù),6.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概論 6.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用 6.3 二維矢量繪圖與編輯 6.4 三維真實(shí)感圖形技術(shù) 6.5 實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù) 6.6 矢量圖格式與繪圖軟件,6.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概論,6.1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的主要內(nèi)容,圖6-2 利用真實(shí)感圖形技術(shù)生成的的實(shí)體模型,6.1.2 計(jì)算機(jī)圖形處理的基本內(nèi)容 圖形處理包括的主要內(nèi)容有: 幾何變換，如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、透視和投影等 曲線和曲面擬合 建?；蛟煨?隱線隱面消除 陰暗處理 紋理產(chǎn)生 著色,6.1.3 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成與功能 作為一個(gè)圖形系統(tǒng)，至少應(yīng)具有計(jì)算、存儲(chǔ)、輸入、輸出、人機(jī)交互等五個(gè)方面的基本功能。 計(jì)算功能 存儲(chǔ)功能 輸入功能 輸出功能 人機(jī)交互功能,6.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用,6.2.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展,DAC-1, 世界上首個(gè)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī) 設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng)，1959年由IBM開(kāi)發(fā),世界上第一臺(tái)光筆交互式 圖形顯示器IBM2250,圖6-4 早期的計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)用系統(tǒng),6.2.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 1.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）,圖6-5 用CAD設(shè)計(jì)的波音（BOEING）777,2.圖形化的用戶接口 3.地形地貌和自然資源圖 4.科學(xué)計(jì)算可視化 5. 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫和藝術(shù),三維動(dòng)畫電影精靈鼠小弟,計(jì)算機(jī)創(chuàng)作的靜物風(fēng)格作品,圖6-7 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫與藝術(shù)創(chuàng)作,6.3 二維矢量繪圖與編輯,6.3.1 矢量圖形對(duì)象與繪圖工具 1.矢量圖形對(duì)象 2.繪圖工具,圖6-8 矢量繪圖軟件提供的工具箱,交互式工具是矢量繪圖軟件中的一個(gè)非常重要的功能，通過(guò) 一系列的交互工具的使用，可以創(chuàng)建出令人驚嘆的效果。使 用“調(diào)和工具”，可以將兩個(gè)對(duì)象通過(guò)調(diào)和平滑的組合在一 起，在矢量圖形對(duì)象之間產(chǎn)生形狀、顏色的連續(xù)變化 （圖6-9a）。交互式變形工具可以同時(shí)對(duì)多個(gè)矢量對(duì)象進(jìn)行變 形（圖6-9b）。,(a)交互式調(diào)和工具效果,(b)交互式變形工具效果（注意變形前后兩個(gè)圖形的不同）,圖6-9 交互式工具的使用,智能繪圖工具自動(dòng)對(duì)涂鴉的線條進(jìn)行識(shí)別、判斷并組織成 最接近的幾何形狀，如圖6-10所示。,圖6-10 智能繪圖工具能將手繪草圖 轉(zhuǎn)換成最接近的幾何形狀,6.3.2路徑與錨點(diǎn) 開(kāi)放路徑：路徑有兩個(gè)明顯的端點(diǎn)（錨點(diǎn)），中間有任意數(shù)目的定位點(diǎn)。 閉合路徑：路徑是連續(xù)的，沒(méi)有終點(diǎn)和起始點(diǎn)。閉合路徑對(duì)象是可以填充的，而開(kāi)放路徑對(duì)象則不能填充。 復(fù)合路徑：由兩個(gè)或多個(gè)開(kāi)放或閉合路徑組成。,圖6-11 路徑及其繪圖實(shí)例,6.3.3 曲線編輯,圖6-12 由兩個(gè)Bazzier曲線段連接而成的曲線， 拖動(dòng)方向線可改變曲線的彎曲形狀,6.3.4填充與漸變,圖6-13 漸變與圖案填充效果,圖6-14 漸變網(wǎng)格應(yīng)用示意圖及作品,6.3.5 矢量字體,圖6-15 用矢量繪圖軟件設(shè)計(jì)的美術(shù)字體,6.3.6 三維造型,圖6-16 用Adobe Illustrator CS 矢量繪圖軟件設(shè)計(jì)的三維圖形,6.4 三維真實(shí)感圖形技術(shù),6.4.1 真實(shí)感圖形技術(shù)研究的內(nèi)容 6.4.2 計(jì)算機(jī)三維圖形建模與表示 1.三維物體的投影與透射,圖6-17 直線段P1P2在投影平面平行投影,2.多邊形網(wǎng)格模型,圖6-19 一個(gè)物體的多邊形網(wǎng)格表示,圖6-20 三維模型的面是由多邊形或曲面組成的,3.三維物體的數(shù)值表示 圖6-21為一立方體模型。立方體的頂點(diǎn)表坐標(biāo)構(gòu)成該物體的三維模型信息。,圖6-21 立方體模型的頂點(diǎn)表示,4.如何獲取多邊形網(wǎng)格,(a) 三維數(shù)字化儀,(b)實(shí)物,(c)物體表面的網(wǎng)格表示,圖6-22 利用三維數(shù)字化儀為創(chuàng)建三維模型,6.4.3 三維幾何造型方法,圖6-23 三維實(shí)體模型的表示,圖6-24 復(fù)雜曲面的三維建模應(yīng)用： 表面模型（左圖）與實(shí)體模型（右圖）,6.4.4 三維物體消隱,(a)線框圖 (b)從右上往下看 （C）從左下住上看,圖6-25 線框模型具有二義性,線框圖 線消隱 面消隱,圖6-26 線消隱與面消隱,消隱算法大致可以分為：物體空間法、圖像空間法和排列優(yōu)先法。圖6-27是經(jīng)消隱算法處理后得到線消隱與面消隱三維圖形。,（a）經(jīng)線消隱處理的三維線框圖 (b) 經(jīng)面消隱處理的三維表面圖,圖6-27 經(jīng)消隱處理后的三維圖形,6.4.5 光照模型 1.局部光照模型與整體光照模型,(a)采用局部光照模型 繪制的三維球體,(b)采用整體光照模型 繪制的三維球體,圖6-28 局部光照模型和整體光照模型示例,表現(xiàn)場(chǎng)景整體照明效果的一個(gè)重要方面是透明現(xiàn)象的模擬。圖6-29模擬了場(chǎng)景中透明物體的整體照明效果。,圖6-29 用整體照明模型模擬的物體透明效果,2.光線跟蹤光透射 光線跟蹤（Ray-trace）是一種真實(shí)感地顯示物體的方法，最基本的光線跟蹤算法是跟蹤鏡面反射和折射。從光源發(fā)出的光遇到物體的表面，發(fā)生反射和折射，光就改變方向，沿著反射方向和折射方向繼續(xù)前進(jìn)，直到遇到新的物體，這是光線跟蹤算法的基礎(chǔ)。,圖630顯示了一個(gè)光線跟蹤的例子,圖6-30 光線跟蹤示例,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。由于透明物體可以透射光，因而我們可以透過(guò)這種材料看到后面的物體，由于光的折射通常會(huì)改變光的方向，要在真實(shí)感圖形學(xué)中模擬折射，需要較大的計(jì)算量。圖6-31是計(jì)算機(jī)生成的透明物體的光線跟蹤與光透射場(chǎng)景。,圖6-31 用光線跟蹤與光透射模型生成的三維透明物體場(chǎng)景,6.4.6 物體表面的紋理 在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，物體表面的細(xì)節(jié)稱為紋理（Texture）。紋理可以通過(guò)紋理映射（Texture Mapping）的方式生成。通常用一種特殊的算法來(lái)模擬它，將幾何紋理逼真地顯示出來(lái)，以滿足視覺(jué)感官的需要。圖6-32中顯示了顏色紋理映射和幾何紋理映射的真實(shí)感圖形作品。,圖6-32 采用紋理映射生成的物體表面,6.4.7陰影的生成,圖6-33 光照模型中的陰影表示,6.5 實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù),6.5.1 實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)概述 6.5.2 層次細(xì)節(jié)顯示簡(jiǎn)化技術(shù),圖6-34 人臉的層次細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化模型,圖6-35 兔子的層次細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化模型,6.5.3 基于圖像的繪制技術(shù),圖6-36 視圖插值技術(shù)利用了相鄰兩圖像之間的連貫性生成中間幀,6.6 矢量圖格式與繪圖軟件,6.6.1 矢量圖,（a）位圖放大后出現(xiàn)方塊化 (b)矢量圖放大后圖形邊緣仍平滑清晰,圖6-37 位圖(圖a)與矢量圖(圖b)放大后效果比較,矢量圖在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)格式大都不固定，要視各個(gè)軟件的特點(diǎn)由開(kāi)發(fā)者自定。相對(duì)于位圖來(lái)講，矢量圖占用的存儲(chǔ)空間較小。但在屏幕每次顯示時(shí)，它都需要經(jīng)過(guò)重新計(jì)算，故顯示速度沒(méi)有圖像快。圖6-38是常用的矢量圖格式文件。,圖6-38 常