計(jì)算機(jī)制圖基礎(chǔ)

1、第八章 計(jì)算機(jī)地圖繪圖基礎(chǔ)1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)簡(jiǎn)介第一部分 概述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域 2概述 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)簡(jiǎn)介 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（Computer Graphics）是近三十年來發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛的新興學(xué)科，它主要研究怎樣用數(shù)字計(jì)算機(jī)生成、處理和顯示圖形。 圖形的具體應(yīng)用范圍很廣，但是從基本的處理技術(shù)看只有兩類: 一類是線條，如工程圖、地圖、曲線圖表等； 另一類是明暗圖，與照片相似。 為了生成圖形，首先要有原始數(shù)據(jù)或數(shù)學(xué)模型，如工程人員構(gòu)思的草圖，地形航測(cè)的判讀數(shù)據(jù)，飛機(jī)的總體方案模型，企業(yè)經(jīng)營(yíng)的月統(tǒng)計(jì)資料等等。這些數(shù)字化的輸入經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后變成圖形輸出。 3概述 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)簡(jiǎn)介 數(shù)字成像一般是通過

2、首先建立模型，再進(jìn)行組裝，變換；然后確定顯示范圍，計(jì)算單元三角形的法向矢量，確定亮度，色彩；最后顯示的流程工作。 建立模型確定顯示范圍組裝、變換確定量度、色彩顯 示計(jì)算三角形的法向矢量4概述 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域主要有： 1、用戶接口 ； 2、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM） ； 4、地形地貌和自然資源圖 ； 3、科學(xué)技術(shù)及事務(wù)管理中的交互繪圖 ； 6、辦公自動(dòng)化及電子出版系統(tǒng) ； 5、過程控制（工業(yè)控制） ； 7、計(jì)算機(jī)藝術(shù)、廣告、動(dòng)畫和電影 ； 8、科學(xué)可視化 ；5概述 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域主要有： 9、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI) ； 1

3、0、多媒體技術(shù) ； 11、其它方面的應(yīng)用等。附：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用實(shí)例6概述 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域OpenGL三維顯示 - 海豚 7概述 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域浙江大學(xué)Gscad三維機(jī)械CAD系統(tǒng)實(shí)例18概述 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域浙江大學(xué)Gscad三維機(jī)械CAD系統(tǒng)實(shí)例29概述 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)字高程模型10概述 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域11概述 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域三維飛行12概述 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域三維飛行13計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的功能計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的分類第二部分 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)NEXT CHAPTER14計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng) 組成 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)從總體上來說由硬件設(shè)備及相應(yīng)的軟件

4、系統(tǒng)組成： 硬件主要包括：圖形輸入設(shè)備；圖形處理器；圖形輸出設(shè)備； 軟件包括相應(yīng)的操作系統(tǒng)，圖形應(yīng)用軟件及開發(fā)軟件。1、輸入設(shè)備 鍵盤 用來輸入非圖形數(shù)據(jù)； 鼠標(biāo) 分為光電式、光機(jī)式和機(jī)械式； 光筆 檢測(cè)光信號(hào)的裝置； 觸摸屏 分為電阻式、電容式、紅外線、聲表面波等，工作原理基本相同。15計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng) 組成1、輸入設(shè)備 數(shù)字化儀 將圖形轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接收數(shù)據(jù)的工具； 通訊 掃描儀 直接把圖形和圖象掃描輸入到計(jì)算機(jī)的工具； 數(shù)碼相機(jī) 影象匹配、模式識(shí)別；16計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng) 組成2、輸出設(shè)備（1）圖形顯示設(shè)備 圖形顯示器 （2）圖形繪制設(shè)備 繪圖儀（平板式、滾筒式） 打印機(jī)（點(diǎn)陣、噴墨、激光）

5、3、圖形處理器17計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng) 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、對(duì)話等5個(gè)方面的基本功能。18計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng) 功能1、計(jì)算功能 計(jì)算、變換、分析等；2、存儲(chǔ)功能 檢索、存儲(chǔ)等；3、輸入功能 幾何參數(shù)和命令的輸入；4、輸出功能 顯示、打印、繪圖等；5、對(duì)話功能 人機(jī)交互。19計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng) 分類 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)根據(jù)功能、硬件規(guī)模、軟件等可分為四類：1、以大型機(jī)為基礎(chǔ)的圖形系統(tǒng)；2、以中型機(jī)或超級(jí)小型機(jī)為基礎(chǔ)的圖形系統(tǒng)；3、以工作站為基礎(chǔ)的圖形系統(tǒng)；4、以PC機(jī)為基礎(chǔ)的圖形系統(tǒng)。20第三部分 大比例尺數(shù)字測(cè)圖中常用的坐標(biāo)變換XYO測(cè)量坐標(biāo)系計(jì)算機(jī)屏幕坐標(biāo)系XO繪圖儀坐標(biāo)

6、系 大比例尺數(shù)字測(cè)圖系統(tǒng)中常用的坐標(biāo)系統(tǒng)有測(cè)量坐標(biāo)系（大地坐標(biāo)系、高斯坐標(biāo)系、獨(dú)立坐標(biāo)系等）、繪圖坐標(biāo)系（計(jì)算機(jī)屏幕坐標(biāo)系和繪圖儀坐標(biāo)系等）。Y21坐標(biāo)系的變換 窗口：實(shí)際地形圖圖形顯示僅限于圖形的某個(gè)區(qū)域，這一區(qū)域也稱為窗口，為圖幅的顯示范圍。為方便起見，把窗口定義為矩形，通常窗口內(nèi)的圖形予以顯示，而窗口外的圖形則被裁減掉。22坐標(biāo)系的變換 1、測(cè)量坐標(biāo)系到屏幕坐標(biāo)系的變換XYO測(cè)量坐標(biāo)系計(jì)算機(jī)屏幕坐標(biāo)系XYOT(XT,YT)(XT,YT)max(XT,YT)minP(XP,YP)(XP,YP)max(XP,YP)min式中， KX, KY坐標(biāo)變換的比例系數(shù)：由于KX, KY的值不同，通常取

7、兩者的較小值作為坐標(biāo)變換的比例系數(shù)23坐標(biāo)系的變換 2、測(cè)量坐標(biāo)系到繪圖儀坐標(biāo)系的變換XYO測(cè)量坐標(biāo)系繪圖儀坐標(biāo)系T(XT,YT)(XT,YT)max(XT,YT)minP(XP,YP)(XP,YP)max(XP,YP)minM:作為坐標(biāo)變換的比例系數(shù),即待繪地形圖的比例尺XYO24坐標(biāo)系的變換 3、坐標(biāo)系的變換（1）平移(Translation)平移是將對(duì)象從一個(gè)位置(x, y)移到另一個(gè)位置(x，y)的變換,平移距離為:Txx x , Tyyy平移變換的公式為： xxxyyy25坐標(biāo)系的變換（2）旋轉(zhuǎn)(Rotation)旋轉(zhuǎn)是以某個(gè)參考點(diǎn)為圓心，將對(duì)象上的各點(diǎn)(x,y)圍繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)逆時(shí)

8、針角度，變?yōu)樾碌淖鴺?biāo)(x，y)的變換。當(dāng)參考點(diǎn)為(0，0)時(shí)，旋轉(zhuǎn)的公式為：xrcos(）rcoscosrsinsinyrsin(）rsincosrcossin xrcos,yrsin，所以上式可化為：xxcosysinyycosxsin 3、坐標(biāo)系的變換26坐標(biāo)系的變換（3）縮放（變比Scaling)變比是使對(duì)象按比例因子(Sx,Sy)放大或縮小的變換。變比計(jì)算公式為：xxsx yysy 3、坐標(biāo)系的變換27點(diǎn)的裁剪多邊形的裁剪第四部分 計(jì)算機(jī)制圖中二維圖形裁剪NEXT CHAPTER直線段的裁剪圓和曲線的裁剪字符的裁剪28點(diǎn)的裁剪若假設(shè)窗口的坐標(biāo)范圍為（Xmin , Ymin）和（Xmax

9、 , Ymax），那么某一點(diǎn)（x,y）為可見的充分必要條件是： XminXmaxYmaxYminP(x,y)29直線段的裁剪HGFEDCBAXminXmaxYmaxYmin對(duì)于直線裁剪的情況就比較復(fù)雜，如上圖所示，此時(shí)裁剪的任務(wù)就是要確定這條直線是完全可見、部分可見或完全不可見。 30直線段的裁剪編碼裁剪法（科恩薩塞蘭德算法） （1）編碼規(guī)則（2）判別方法（3）算法思想 （4）舉例說明 GH31多邊形的裁剪把整個(gè)多邊形先相對(duì)于窗口的第一條邊界裁剪，然后再把形成的新多邊形相對(duì)于窗口的第二條邊界裁剪，如此進(jìn)行到窗口的最后一條邊界，從而把多邊形相對(duì)于窗口的全部邊界進(jìn)行了裁剪。 32圓和曲線的裁剪圓和

10、曲線都可以用一組短的直線段來逼近，因此，圓和曲線的裁剪可采用對(duì)每一短直線段的裁剪，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圓和曲線的裁剪。 33文本的裁剪一、矢量裁剪（字符筆畫裁剪 ）這種方法是把一個(gè)字符看成一系列短直線即筆劃的集合。因此，字符的裁剪就歸結(jié)為對(duì)組成這些字符的筆劃的裁剪。 34文本的裁剪二、字符裁剪這種方法認(rèn)為每個(gè)字符被成為字符框的的矩形所包圍，然后以這個(gè)矩形框中的某一點(diǎn)（中心或某個(gè)角）與窗口進(jìn)行比較，如果這一點(diǎn)在窗口內(nèi)，則顯示此字符。 35文本的裁剪三、字符串裁剪 這種方法把整個(gè)字符串當(dāng)作一個(gè)整體來處理，或者全部顯示，或者全部不顯示。測(cè)試時(shí)可以用測(cè)試字符串邊框上的某一個(gè)點(diǎn)、測(cè)試字符串邊框的對(duì)角線以及測(cè)試整個(gè)

11、字符框邊界等方法。 36地圖符號(hào)的自動(dòng)繪制曲線光滑的數(shù)學(xué)方法第五部分圖形顯示的分層處理37地圖符號(hào)的自動(dòng)繪制 地形圖圖式是地形圖上表示各種地物和地貌要素的符號(hào)、注記和顏色的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)，是測(cè)繪和出版地形圖必須共同遵守的基本依據(jù)之一，是由國家統(tǒng)一頒布執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。 地形圖圖式中內(nèi)容的表達(dá)： 1、符號(hào)分類，規(guī)定每一種地物用什么樣的符號(hào)來表示； 2、符號(hào)使用方法的規(guī)定，如符號(hào)的定位點(diǎn)或定位線、是否依比例尺繪制、符號(hào)的方向和配置等。38地圖符號(hào)的自動(dòng)繪制 數(shù)字測(cè)圖軟件的圖式符號(hào)庫是實(shí)現(xiàn)以國家標(biāo)準(zhǔn)地形圖圖式表征數(shù)字圖的重要手段，庫的功能和內(nèi)容： 1、提供各種地物符號(hào)的繪制方法 ； 2、對(duì)這些符號(hào)的組織、檢索

12、、管理和應(yīng)用的方法 ； 3、對(duì)符號(hào)庫進(jìn)行增加、刪除、修改等操作的維護(hù)功能，以滿足不同專業(yè)用戶的要求 4、符號(hào)庫應(yīng)具有自我更新和調(diào)整的能力。 39地圖符號(hào)的自動(dòng)繪制一、獨(dú)立符號(hào)的自動(dòng)繪制 1、獨(dú)立符號(hào)庫的建立2、獨(dú)立符號(hào)的自動(dòng)輸出 40地圖符號(hào)的自動(dòng)繪制二、線狀符號(hào)的自動(dòng)繪制 1、基本線型繪制繪圖參數(shù)：定位點(diǎn)個(gè)數(shù)N； 定位點(diǎn)坐標(biāo)（ ，）（ = 1，2，3，N）， 實(shí)步長(zhǎng)D1，虛步長(zhǎng)D2、點(diǎn)步長(zhǎng)D3 41地圖符號(hào)的自動(dòng)繪制二、線狀符號(hào)的自動(dòng)繪制 2、線狀符號(hào)的繪制 42地圖符號(hào)的自動(dòng)繪制三、面狀符號(hào)的自動(dòng)繪制：面狀符號(hào)通常是在一定輪廓內(nèi)用填繪暈線或一系列某種密度的點(diǎn)狀符號(hào)來表示。 1、多邊形輪廓線

13、內(nèi)繪制暈線 繪圖參數(shù)：輪廓點(diǎn)個(gè)數(shù)N； 輪廓點(diǎn)坐標(biāo)（ ，）（ = 1，2，3，N）； 暈線間隔D，暈線和x軸夾角43地圖符號(hào)的自動(dòng)繪制多邊形輪廓線內(nèi)繪制暈線步驟： （1）對(duì)輪廓點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換 ，使暈線和y軸方向一致：（2）求暈線條數(shù)，并將暈線從左至右（從小至大）進(jìn)行編號(hào)： M = (x max x min) / D （3）求暈線和輪廓邊的交點(diǎn)：（4）交點(diǎn)排序和配對(duì)輸出44 地圖符號(hào)的自動(dòng)繪制2、面狀符號(hào)的自動(dòng)繪制 繪圖參數(shù)：輪廓點(diǎn)個(gè)數(shù)N； 輪廓點(diǎn)坐標(biāo)（ ，）（ = 1，2，3，N）； 符號(hào)軸線間的間隔D，軸線和x軸夾角，每一排軸線上符號(hào)的間隔d面狀符號(hào)自動(dòng)繪制步驟： 按計(jì)算暈線的方法求出面狀

14、符號(hào)的軸線。 計(jì)算面狀符號(hào)的中心位置。計(jì)算軸線（即暈線）長(zhǎng)度，根據(jù)軸線長(zhǎng)度和軸線上符號(hào)的間隔d，按均勻分布的原則計(jì)算注記符號(hào)的中心位置 填繪面狀符號(hào)。根據(jù)面狀符號(hào)代碼，在符號(hào)庫中讀取表示該符號(hào)的圖形數(shù)據(jù)，在上步計(jì)算出的符號(hào)中心位置上繪制面狀符號(hào)。 45圖形顯示的分層處理 在應(yīng)用數(shù)字測(cè)圖系統(tǒng)顯示地形圖和對(duì)圖形進(jìn)行編輯時(shí)，經(jīng)常需要區(qū)別不同類型的地物，并分別顯示在屏幕上。將顯示的圖形分成包含不同內(nèi)容的若干層次，這種處理方式便于更清楚地觀測(cè)地貌與地物之間、不同類型地物之間的關(guān)系，可以根據(jù)需要生成相關(guān)的圖形輸出。 實(shí)現(xiàn)分層的基礎(chǔ)是不同類型數(shù)據(jù)的編碼。 根據(jù)編碼在數(shù)據(jù)庫中檢索出所有符合特征的數(shù)據(jù)，構(gòu)成一個(gè)

15、顯示層。在屏幕上同時(shí)顯示多層圖形時(shí)，只需在區(qū)域內(nèi)重復(fù)畫出每一層的內(nèi)容，不同的物體就會(huì)按照各自的位置顯示。 46圖形顯示的分層處理 在計(jì)算機(jī)顯示三維圖形時(shí)，用于隱去對(duì)觀測(cè)者不可見的曲線和曲面的技術(shù)被稱為消隱。 深度緩沖區(qū)算法是圖形消隱的最簡(jiǎn)單的算法。 它根據(jù)被畫的點(diǎn)在垂直于顯示屏幕的方向（Z軸方向）上的距離（深度）決定是否畫出該點(diǎn)。顯示區(qū)域的每一個(gè)點(diǎn)都有其對(duì)應(yīng)的的深度緩沖區(qū)，用于存放該點(diǎn)的深度值。深度緩沖區(qū)的初始值被設(shè)為Zmax，即最大的深度值，相當(dāng)于離觀測(cè)者最遠(yuǎn)的距離值。在將圖形轉(zhuǎn)換成屏幕上的點(diǎn)時(shí)，對(duì)每一點(diǎn)都進(jìn)行以下的處理： 47圖形顯示的分層處理1、計(jì)算被畫點(diǎn)的深度值Z；2、如果Z小于深度緩沖區(qū)的當(dāng)前值，則把深度緩沖區(qū)的值改為Z，并畫出新的點(diǎn)；如果Z大于深度緩沖區(qū)中當(dāng)前的值，說明被畫點(diǎn)被遮擋，此時(shí)不改變深度緩沖區(qū)，即不畫出新的點(diǎn)。48曲線光滑的數(shù)學(xué)方法一、分段三次多項(xiàng)式插值法二、三次樣條插值法三、二次多項(xiàng)式加權(quán)平均法（拋物線加權(quán)平均法）49曲線光滑的數(shù)學(xué)方法一、分段三次多項(xiàng)式插值法 這種方法是在曲線上每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)之間（即每條折線段上）建立起一條三次曲線，在整條曲線上具有連續(xù)的一階導(dǎo)數(shù)，并且曲線通過每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。每點(diǎn)上的一階導(dǎo)數(shù)是以該點(diǎn)為中心，加上前后各相鄰的兩個(gè)點(diǎn)（