計算機圖形學ppt課件 第一章計算機圖形學基礎知識

1、計算機圖形學戚世貴教學要求n了解圖形系統(tǒng)的框架及其涉及的軟件、硬件技術； n了解圖形學的基本問題，掌握圖形學的基本概念、方法與算法； n對與圖形相關的應用及當前的研究熱點有一個初步認識； n具有一定實踐體會和相關的編程能力。 教材或參考書n教材n潘云鶴：計算機圖形學-原理、方法及應用n主要參考書：n孫家廣：計算機圖形學（第三版），清華大學出版社，1999。n倪明田等，“計算機圖形學”，北京大學出版社，1999。ndonald hearn, m. pauline baker ,“computer graphics (c version)”, prentice hall , 1997. njame

2、s d. foley, andries van dam etc., “introduction to computer graphics”, addison-wesley, 1996 第一章 計算機圖形學基本知識1.1 研究內容1.2 發(fā)展歷史1.3 計算機圖形學的應用及研究前沿1.1計算機圖形學研究內容何謂圖形？圖形：計算機圖形學的研究對象能在人的視覺系統(tǒng)中產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)學方法描述的圖形等等構成圖形的要素？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、材質等計算機中如何表示圖形？點陣表示l枚舉出圖形中所有的點(強調圖形由點構成)l簡稱為圖

3、像（數(shù)字圖像）參數(shù)表示l由圖形的形狀參數(shù)(方程或分析表達式的系數(shù)，線段的端點坐標等)+屬性參數(shù)(顏色、線型等)來表示圖形l簡稱為圖形：l圖形主要分為兩類： 基于線條信息表示 明暗圖(shading)n什么是計算機圖形學？什么是計算機圖形學？定義：用計算機表示、生成、處理和顯示圖形對象的一門學科。定義：用計算機表示、生成、處理和顯示圖形對象的一門學科。n圖像處理圖像處理：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：將客觀世界中原來存在的物體的影像處理成新的數(shù)字化圖像的相關技術。像的相關技術。n模式識別模式識別：對輸入的圖像進行分析和識別，找出其中蘊涵的內在聯(lián)系：對輸入的圖像進行分析和識別

4、，找出其中蘊涵的內在聯(lián)系或抽象模型?；虺橄竽Ｐ汀Ｓ嬎銠C圖形學的研究內容n如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法，構成了計算機圖形學的主要研究內容。1.2圖像學的發(fā)展歷史n50年代n60年代n70年代n80年代n90年代：微機和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學的應用領域日益廣泛。 標準化、集成化、智能化 多媒體技術、人工智能、科學計算可視化、虛擬現(xiàn)實 三維造型技術硬件發(fā)展n圖形顯示器的發(fā)展 圖形顯示器是計算機圖形學中關鍵的設備n 60年代中期：畫線顯示器（亦稱矢量顯示器） 需要刷新。設備昂貴，限制普及n 60年代后期：存儲管式顯示器 不需刷新，價格較低，缺點是不

5、具有動態(tài)修改 圖形功能，不適合交互式。l70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的發(fā)展。l以點陣形式表示圖形，使用專用的緩沖區(qū)存放點陣，由視頻控制器負責刷新掃描 圖形顯示設備的發(fā)展：圖形顯示設備的發(fā)展：畫線顯示器（矢量顯示器/隨機掃描顯示器）存儲管式顯示器刷新式光柵掃描顯示器圖形輸入設備的發(fā)展第一階段：控制開關、穿孔紙等等第二階段：鍵盤第三階段：二維定位設備，如鼠標、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等，語音第四階段：三維輸入設備（如空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣），用戶的手勢、表情等等第五階段：用戶的思維1.3圖像學的應用n用戶接口介于人與計算機之間，人與機器的通信，人機界面（hc

6、i）：軟件硬件發(fā)展：由指示燈和機械開關組成的操縱界面由終端和鍵盤組成的字符界面（80年代）由多種輸入設備和光柵圖形顯示設備構成的圖形用戶界面（gui），（90年代）pc，工作站，wimp(w-windows、i-icons、m-menu、p-pointing devices)界面，所見即所得vr技術（發(fā)展方向）cad/cam是計算機圖形學在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應用領域l 飛機、汽車、船舶的外形的設計l 發(fā)電廠、化工廠等的布局l 土木工程、建筑物的設計l 電子線路、電子器件的設計l 設計結果直接送至后續(xù)工藝進行加工處理，如波音777飛機的設計和加工過程奧迪效果圖和線框圖奧迪效果圖和線框圖n地形

7、地貌和自然資源圖n科學計算可視化(scientific visualization)n計算機動畫和藝術電視廣告，節(jié)目片頭，科教演示（cai） quake iii，“古墓麗影”，“侏羅紀公園”、“皇帝的新衣”、完美風暴 maya, 3d-max, softimagen游戲當前研究熱點n當前研究熱點當前研究熱點 野外自然景物的模擬由清華大學自然景物平臺生成的野外場景日本yoshinori dobashi等人繪制的真實感云xfrog3.0生成的挪威云杉與計算機網絡技術的緊密結合遠程醫(yī)療與診斷遠程導航與維修遠程教育計算機圖形硬件簡介n圖形輸入設備n圖形輸出設備圖形輸入設備n矢量型圖形輸入設備n光柵型圖

8、形輸入設備功能：（1）確定點坐標，即定位（2）確定一系列點的坐標，即筆畫（3）確定數(shù)值（4）進行選擇（5）進行圖形識別（6）識別字符串n鍵盤n鼠標n坐標數(shù)字儀n光筆n觸摸屏n圖形掃描儀圖形輸出設備陰極射線管彩色陰極射線管射線穿透法影孔板法隨機掃描顯示系統(tǒng)光柵掃描系統(tǒng)圖形輸出設備陰極射線管(crt- cathode ray tube)組成：包括電子槍、加速結構、聚焦系統(tǒng)、偏轉組成：包括電子槍、加速結構、聚焦系統(tǒng)、偏轉系統(tǒng)、熒光屏系統(tǒng)、熒光屏工作原理工作原理:高速的電子束由電子槍發(fā)出，經過高速的電子束由電子槍發(fā)出，經過聚焦系統(tǒng)、加速系統(tǒng)和磁偏轉系統(tǒng)聚焦系統(tǒng)、加速系統(tǒng)和磁偏轉系統(tǒng)就會到達熒光屏的特定

9、位置。由于就會到達熒光屏的特定位置。由于熒光物質在高速電子的轟擊下會發(fā)熒光物質在高速電子的轟擊下會發(fā)生電子躍遷，即電子吸收到能量從生電子躍遷，即電子吸收到能量從低能態(tài)變?yōu)楦吣軕B(tài)。由于高能態(tài)很低能態(tài)變?yōu)楦吣軕B(tài)。由于高能態(tài)很不穩(wěn)定，在很短的時間內熒光物質不穩(wěn)定，在很短的時間內熒光物質的電子會從高能態(tài)重新回到低能態(tài)，的電子會從高能態(tài)重新回到低能態(tài)，這時將發(fā)出熒光，屏幕上的那一點這時將發(fā)出熒光，屏幕上的那一點就會亮了就會亮了要保持顯示一幅穩(wěn)定的畫面，必須不斷地發(fā)要保持顯示一幅穩(wěn)定的畫面，必須不斷地發(fā)射電子束射電子束刷新頻率刷新頻率l刷新一次是指電子束從上到下掃描一次刷新一次是指電子束從上到下掃描一次的

10、過程的過程l刷新頻率高到一定值后，圖象才能穩(wěn)定刷新頻率高到一定值后，圖象才能穩(wěn)定顯示顯示電子槍電子槍u電燈絲，陰極和控制柵組成。電燈絲，陰極和控制柵組成。u陰極：由燈絲加熱發(fā)出電子束，陰極：由燈絲加熱發(fā)出電子束，u控制柵：加上負電壓后，能夠控制通過其中小孔的控制柵：加上負電壓后，能夠控制通過其中小孔的帶負電的電子束的強弱。通過調節(jié)負電壓高低來控制帶負電的電子束的強弱。通過調節(jié)負電壓高低來控制電子數(shù)量，即控制熒光屏上相應點的亮度。電子數(shù)量，即控制熒光屏上相應點的亮度。聚焦系統(tǒng)保證電子束在轟擊屏幕時，匯聚成很細的點。加速電極加正的高壓電（幾萬伏），使電子束高速運動。 偏轉系統(tǒng)n控制電子束，靜電場或

11、磁場，產生偏轉。n電子束要到達屏幕的邊緣時，偏轉角度就會增大。到達屏幕最邊緣的偏轉角度被稱為最大偏轉角n最大偏轉角是衡量系統(tǒng)性能的最重要的指標，顯示器長短與此有關ncrt顯示器屏幕越大整個顯象管就越長熒光屏熒光物質：當它被電子轟擊時發(fā)出亮光熒光物質：當它被電子轟擊時發(fā)出亮光l持續(xù)發(fā)光時間：電子束離開某點后，該點的亮度值衰持續(xù)發(fā)光時間：電子束離開某點后，該點的亮度值衰減到初始值減到初始值1/10所需的時間所需的時間l刷新刷新(refresh)：為了讓熒光物質保持一個穩(wěn)定的：為了讓熒光物質保持一個穩(wěn)定的亮度值亮度值l刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù)刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù)某種crt產生穩(wěn)定圖像

12、所需要的最小刷新頻率=1秒/熒光物質的持續(xù)發(fā)光時間（例如）=1000/40=25hzl像素像素(pixel:picture cell)：構成屏幕（圖：構成屏幕（圖像）的最小元素像）的最小元素l分辨率分辨率(resolution)：crt在水平或豎直在水平或豎直方向單位長度上能識別的最大像素個數(shù)，單位方向單位長度上能識別的最大像素個數(shù)，單位通常為通常為dpi（dots per inch)。在假定屏幕。在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個屏幕所能容納尺寸一定的情況下，也可用整個屏幕所能容納的像素個數(shù)描述，如的像素個數(shù)描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等

13、等等彩色陰極射線管產生彩色的常用方法：射線穿透法影孔板法彩色陰極射線管-射線穿透法原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發(fā)光物質，電子束轟擊穿透熒光層的深淺，決定所產生的顏色電子束電子束熒光涂層熒光涂層產生顏色產生顏色低速電子束低速電子束較低速電子束較低速電子束較高速電子束較高速電子束高速電子束高速電子束彩色陰極射線管-影孔板法外層玻璃熒光涂層影孔板影孔板l球面顯示器與柱面顯示器普通的顯象管采用的都是點狀影孔板顯象管，顯象管的表面呈略微凸起的球面狀，故稱之為“球面管”。而柱面顯象管采用蔭柵式結構，它的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上卻是筆直的，呈圓柱狀，故稱之為“柱面管”l常用的點

14、狀影孔板顯象管有日本索尼公司的特麗瓏管（trinitron）和三菱公司的鉆石瓏管（diamondtron）顯示器n隨機掃描顯示器n存儲管式顯示器n光柵掃描式顯示器n液晶顯示器n等離子顯示器隨機掃描顯示器存儲管式圖形顯示器由于隨機掃描圖形顯示器使用一個獨立的存儲器來存儲圖形信息，然后不斷取出這些信息來刷新屏幕。由于存取速度的限制，使得顯示穩(wěn)定圖形時的畫線長度受到限制，且造價高。從70年代后期發(fā)展了利用管子本身來存儲信息的技術，這就是存儲管技術。存儲管的內部結構類似crt，也有電子槍、聚焦系統(tǒng)、偏轉系統(tǒng)。但是存儲管式顯示器的電子束不是直接轟擊到熒光屏上，而是先用寫入槍將信息“寫”到存儲柵。同時有一

15、個讀電子槍（泛流槍），它發(fā)出連續(xù)低能電子流把存儲柵上的信息重寫到屏幕上。在存儲柵上的后側有收集柵，主要作用是使讀出的電子流均勻，并以垂直方向接近屏幕。擦除圖形的正常方法是給存儲柵一個正脈沖，持續(xù)1ms400ms，這時存儲柵表面充電到與收集柵同樣的電壓，讀出電子流被帶正電荷的存儲柵表面吸引，使存儲柵放電到等同于讀出電子槍的陰極電壓，圖形就被刪除了。缺點：難于局部清除存儲的電荷，從而擦除部分圖形，這樣就阻礙了動態(tài)圖形的產生，缺乏有選擇擦除圖形的能力；因為不是連續(xù)刷新圖形，就不能用光筆；屏幕的發(fā)差較弱。光柵式掃描圖形顯示器基本概念水平掃描頻率為行頻。垂直掃描頻率為幀頻。隔行掃描方式是先掃偶數(shù)行掃描線

16、，再掃奇數(shù)行掃描線。整個屏幕被掃描線分成 n 行，每行有 m 個點，每個點為一個象素。整個屏幕有 m n 個象素。是指crt在水平或垂直方向的單位長度上能分辨出的最大光點（象素）數(shù)，分為水平分辨率和垂直分辨率。通常用屏幕上象素的數(shù)目來表示。比如上述的 n 行，每行 m 點的屏幕分辨率為 m n 。分辨率越高，相鄰象素點之間的距離越小，顯示的字符或圖像也就越清晰。分辨率受顯示器生產工藝、掃描頻率以及顯示存儲器容量的限制?；靖拍钕噜徬笏攸c之間的距離，與分辨率指標相關。指顯示字符、圖形特別是動態(tài)圖像的速度，與顯示器的分辨率及掃描頻率有關?？捎米畲髱挘ㄋ较笏財?shù) 垂直象素數(shù) 最大幀頻）來表示?；?/p>

17、概念n色彩與亮度等級亮度等級又稱灰度，主要指單色顯示器的亮度變化。色彩包括可選擇顯示器顏色的數(shù)目以及一幀畫面可同時顯示的顏色數(shù)，與熒光屏的質量有關，并受顯示存儲器vram容量的影響。n圖像刷新由于crt內側的熒光粉在接受電子束的轟擊時，只能維持短暫的發(fā)光，根據(jù)人眼視覺暫留的特性，需要不斷進行刷新才能有穩(wěn)定的視覺效果，因此刷新是指以每秒30幀以上的頻率反復掃描不斷地顯示每一幀圖像。圖像的刷新頻率等于幀掃描的頻率（幀頻），用每秒刷新的幀數(shù)表示。目前刷新頻率標準為每秒50120幀?；靖拍頵rame buffer 俗稱俗稱顯存顯存 存儲用于刷新的圖像信息的存儲器。幀緩沖存儲器的大小通常用x方向（行）

18、和y方向（列）可尋址的地址數(shù)的乘積來表示，稱為幀緩沖存儲器的分辨率。作用：存儲屏幕上像素的顏色值作用：存儲屏幕上像素的顏色值l幀緩存中單元數(shù)目與顯示器上像素的數(shù)目相同，單元與像素一一對應，各單元的數(shù)值決定了其對應像素的顏色。l顯示顏色的種類與幀緩存中每個單元的位數(shù)有關（圖示幀緩沖器的每個單元只有一位）。 黑白光柵顯示器1dac電子槍緩沖存儲器crt光柵對于黑白單灰度顯示器，每個像素需要1bit的存儲器。1024*1024像素組成的黑白灰度單灰度顯示器，需要最小的存儲空間就是220=1048576bit，并在一個位面上。緩沖存儲器是數(shù)字設備，光柵顯示器是模擬設備，所以中間要經過數(shù)模轉換。顯示器上

19、每個像素的位面中相應像素位置的內容決定的，即各個位的二進制值被存入指定的寄存器中，然后寄存器中二進制數(shù)被轉換成灰度等級，范圍為02n-1。在光柵圖形顯示器中需要足夠的位面和幀緩存結合起來才能反映圖形的顏色和灰度等級。如下圖是一個具有n位面灰度等級的幀緩存。顯示器上每個象素的亮度是由n位面中對應的每個象素位置的內容控制的。該存儲器的中的二進制的數(shù)被翻譯成灰度等級，范圍是0到2n-1之間。顯示器的像素地址通常以左下角點為屏幕的原點（0，0），對于nn個像素構成的顯示器，其行列編址的范圍是從0n-1。為限制緩沖存儲器的增加，可用顏色查找表來提高灰度級別。對于n個位面的緩沖存儲器，顏色查找表必須有2n

20、項，每項有w位字寬，當wn時，可以有2w灰度等級，但每次只能有2n個不同的灰度等級可用。彩色光柵顯示器紅、綠、藍三原色有三個位面緩沖存儲器和三個電子槍，其中每個位面的緩沖存儲器對應一個電子槍，三個顏色組合產生不同顏色：黑 black紅 red綠 green藍 blue黃 yellow青 cyan紫 magenta白 white紅01001011綠00101101藍000101113個位面的幀緩沖存儲器的顏色表每個顏色的電子槍可以通過增加幀緩存位面來提高顏色種類的灰度等級。如圖，每種原色電子槍有8個位位面的幀緩存和8位的數(shù)模轉換器，每種原色可有256中灰度，三種原色的組合將是(28)3=224若

21、每個單元有24位（每種基色占8位）即顯示系統(tǒng)可同時產生224種顏色（24位真彩色）。knmv2logn顯存問題高分辨率和真彩要求有大的顯存；曾經是個問題！解決方法：采用查色表(lookup table）或稱彩色表(color table)查色表工作原理1024*768真彩模式需要真彩模式需要3m字節(jié)顯存字節(jié)顯存 是一維線性表，其每一項的內容對應一種顏色，它的長度由幀緩存單元的位數(shù)決定，例如：每單元有8位，則查色表的長度為28256 目的：在幀緩存單元的位數(shù)不增加的情況下，具有大范圍內挑選顏色的能力：顏色信息在幀緩存中兩種存放方式：一是顏色值直接存儲在幀緩存中。二是把顏色碼放在一個獨立的表中，幀

22、緩存存放的是顏色表中各項的索引值，顏色范圍擴充了。單色系統(tǒng)：查色表固化彩顯：可修改、創(chuàng)建查色表。帶寬帶寬t與分辨率、幀頻與分辨率、幀頻f的關系的關系帶寬問題高分辨率和高的刷新頻率要求有高帶寬-依然是個問題！解決方法：隔行掃描（現(xiàn)在已經基本不用， 主流顯示器都采用逐行掃描方式）隔行掃描的：把一幀分兩場，即奇數(shù)場與 偶數(shù)場場頻：=2*幀頻fnmt隔行掃描工作原理n一幀完整的畫面分成兩場。n一場160秒，（場頻60hz），（幀頻30hz）畫面更新頻率仍為60hz，降低了閃爍效應，每一場160秒內，幀緩存中數(shù)據(jù)量比逐行掃描少一半。降低了視頻控制器存取幀緩存的速度及傳輸帶寬的要求。簡單的光柵掃描圖形顯示

23、系統(tǒng)的結構其中，幀緩存為系統(tǒng)內存任一塊區(qū)域，視頻控制器能夠直接存取該區(qū)域以刷新屏幕。較為典型的光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)的結構其中，幀緩存可以是專用的存儲器，也可以是系統(tǒng)內存中的一塊固定區(qū)域。視頻控制器n作用：建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應，負責刷新n邏輯結構工作原理刷新周期開始，光柵掃描發(fā)生器置x地址寄存器為0，置y地址寄存器為n-1，首先取出對應像素（0，n-1）的幀緩存單元的數(shù)值, 放入像素值寄存器，用來控制像素的顏色，然后x的地址寄存器的地址加一，如此重復，直到該掃描線上的最后一個像素。雙緩沖機制（double buffer)普通顯卡=視頻控制器+顯存顯示處理器n作用：代替cpu完成部分

24、圖形處理功能，掃描轉換、幾何變換、裁剪、光柵操作、紋理映射等等n具有專用顯示處理器的光柵顯示系統(tǒng)的結構圖形加速卡=視頻控制器+顯存+顯示處理器光柵顯示系統(tǒng)的特點光柵顯示系統(tǒng)的特點優(yōu)點：優(yōu)點：成本低成本低易于繪制填充圖形易于繪制填充圖形色彩豐富色彩豐富刷新頻率一定，與圖形的復雜程度無關刷新頻率一定，與圖形的復雜程度無關易于修改圖形易于修改圖形缺點：缺點：需要掃描轉換需要掃描轉換會產生混淆會產生混淆液體顯示器 crt固有的物理結構限制了它向更廣的顯示領域發(fā)展液體顯示器 lcd顯示器的優(yōu)點液體顯示器由層薄板組成：垂直電極板垂直細網格線電解層液晶層水平細網格線電解層水平電極層反射層n液晶顯示器lcd(

25、liquid crystal display)是由六層薄板組成的平板式顯示器lcd顯示器基本原理液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質，它具有液體的流態(tài)性質和固體的光學性質。當液晶受到電壓的影響時，就會改變它的物理性質而發(fā)生形變，此時通過它的光的折射角度就會發(fā)生變化，而產生色彩液晶屏幕后面有一個背光，這個光源先穿過第一層偏光板，再來到液晶體上，而當光線透過液晶體時，就會產生光線的色澤改變，從液晶體射出來的光線，還得必須經過一塊彩色濾光片以及第二塊偏光板液晶顯示有主動式和被動式兩種被動式液晶屏幕有stn（super tn超扭曲向列l(wèi)cd）和dstn（double layer super tn雙層超扭曲向列l(wèi)cd）等最流行的主動式液晶屏幕是tft（thin film transistor薄膜晶體管）主動式液晶顯示器使用了fet場效晶體管以及共通電極，這樣可以讓液晶體在下一次的電壓改變前一直保持電位狀態(tài)。這樣主動式液晶顯示器就不會產生在