第1章-計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述課件

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)ComputerGraphics計(jì)算機(jī)圖形學(xué)ComputerGraphics1{x,y}={(1,2),(2,3),(3,4),(4,5),(5,6)}{x,y}={(1,2),(2,3),(3,4),(4,2廣義的圖形概念 凡是能夠在人的視覺系統(tǒng)中形成視覺印象的客觀對象都稱為圖形。如：(1)自然景物(2)照片和圖片(3)工程圖、設(shè)計(jì)圖和方框圖(4)人工美術(shù)繪畫、雕塑品(5)用數(shù)學(xué)方法描述的圖形（包括幾何圖形、代數(shù)方程、分析表達(dá)式或列表所確定的圖形）圖形的概念廣義的圖形概念圖形的概念3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的圖形概念

是指由點(diǎn)、線、面、體等幾何要素和明暗、灰度（亮度）、色彩等非幾何要素構(gòu)成的，從現(xiàn)實(shí)世界中抽象出來的帶有灰度、色彩及形狀的圖或形。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的圖形概念4??????????5顯示器等輸出設(shè)備如何進(jìn)行圖形圖像的顯示？計(jì)算機(jī)圖形學(xué)解決了什么問題顯示器等輸出設(shè)備如何進(jìn)行圖形圖像的顯示？計(jì)算機(jī)圖形學(xué)解決了什6計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究計(jì)算機(jī)如何生成、處理和顯示圖形的！其一：我們可以看一下書上介紹的一些算法；比如說畫直線的算法——DDA算法，從這個算法大家可以知道了，原來圖形學(xué)就是比較基礎(chǔ)的，研究如何來畫出圖形的科學(xué)。其實(shí)現(xiàn)在很多可視化的高級語言都提供一些很方便的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)畫直線、畫框、畫圓、填充等畫圖動作，圖形學(xué)就是研究這樣一些函數(shù)是怎么編寫的。其二：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)另一個主要的目的就是要利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生令人賞心悅目的真實(shí)感圖形。為此，必須建立圖形所描述的場景的幾何表示，再用某種光照模型，計(jì)算在假想的光源、紋理、材質(zhì)屬性下的光照明效果。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)也就要研究如何產(chǎn)生上述的效果。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是如計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)、科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動畫、虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互等學(xué)科的基礎(chǔ)，或說在這些領(lǐng)域中圖形學(xué)起著越來越重要的作用。所以，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)習(xí)為今后的研究工作打下基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究計(jì)算機(jī)如何生成、處理和顯示圖形的！其一：7計(jì)算機(jī)動畫CAD/CAM可視化線框圖計(jì)算機(jī)動畫CAD/CAM可視化線框圖8NurbsSurface

Bézier

SurfaceNurbs或Bezier曲面NurbsSurface9帶紋理的圖像帶紋理的圖像10TheStanfordBunny

斯坦福兔子TheStanfordBunny斯坦福兔子11體繪制面繪制面繪制可視化體繪制面繪制面繪制可視化12

morphing圖像morphing技術(shù)是指把一幅數(shù)字圖像以一種自然流暢的、戲劇性的、超現(xiàn)實(shí)主義的方式變換到另一幅數(shù)字圖像。morphing圖像morphing技術(shù)是指把一幅數(shù)131、坐標(biāo)系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)世界中，所有的物體都具有幾何特征，但計(jì)算機(jī)本身只能處理數(shù)字，將幾何實(shí)體與數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起的唯一紐帶就是坐標(biāo)，如：現(xiàn)實(shí)的幾何實(shí)體的數(shù)字表示可以是一些坐標(biāo)值，如（x,y,z）。為了使被顯示的幾何實(shí)體數(shù)字化，要在被顯示的物體所在的空間中定義坐標(biāo)系。預(yù)備概念1、坐標(biāo)系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)世界中，所有的物體都具有幾何特征，但計(jì)算14(1)、模型坐標(biāo)系（局部坐標(biāo)系）：當(dāng)構(gòu)造單個對象的數(shù)字模型時，為了方便,可以將其置于一個特定的坐標(biāo)系下，即模型坐標(biāo)系或局部坐標(biāo)系.(2)、世界坐標(biāo)系：為描述圖形場景中所有圖形之間的空間關(guān)系，將它們置于一個統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，該坐標(biāo)系被稱為世界坐標(biāo)系。(3)、設(shè)備坐標(biāo)系：要輸出經(jīng)過處理后的數(shù)字化圖形，需要在輸出設(shè)備上建立一個坐標(biāo)系，稱為設(shè)備坐標(biāo)系。(1)、模型坐標(biāo)系（局部坐標(biāo)系）：當(dāng)構(gòu)造單個對象的數(shù)字模型(15說明：在計(jì)算機(jī)顯示三維世界的過程中，需要在世界坐標(biāo)系中給定一個視見體，視見體內(nèi)包含的內(nèi)容是我們對場景感興趣的部分。計(jì)算機(jī)顯示三維場景過程中的三個空間：三維景物空間－－－二維投影平面－－－二維顯示平面視區(qū)窗口說明：在計(jì)算機(jī)顯示三維世界的過程中，需要在世界計(jì)算機(jī)顯示三維162、幾何實(shí)體的表示和建模

獲得三維物體在圖形設(shè)備上真實(shí)感圖形，首先要做的就是建立物體的模型，或者稱為物體的計(jì)算機(jī)描述，它輸出幾何對象。再簡單點(diǎn)：建模的過程＝讓計(jì)算機(jī)“認(rèn)識”該物體的過程。如，比較簡單的，可以用一個隱函數(shù)來表示一個幾何實(shí)體，如一個球的表示:2、幾何實(shí)體的表示和建模獲得三維物體在圖形設(shè)備上真實(shí)感圖形173、幾何處理我們把確定場景中的所有可見面；計(jì)算場景中可見面的顏色；將三維幾何描述轉(zhuǎn)換為二維透視圖，歸結(jié)為幾何處理。建模輸出的幾何對象要經(jīng)過一系列的變換，最終要將其變換到顯示屏幕坐標(biāo)系，并且只有那些處于觀察者視域內(nèi)的圖元才能經(jīng)過光柵化后顯示在屏幕上。（1）變換:是指對象在不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，這些變換可能改變它們的形狀和位置，或者改變它們的表示，如平移、旋轉(zhuǎn)、錯切等變換。在第4章，我們將詳細(xì)討論變換過程。3、幾何處理我們把確定場景中的所有可見面；計(jì)算場景中可見面18（2）消除隱藏線、面：如果被其它的對象遮擋，則圖形不能被顯示在屏幕上。隱藏面的消除即去掉那些看不到的面，留下可見面。在第7章，我們將詳細(xì)討論如何進(jìn)行隱藏面的消除。（2）消除隱藏線、面：如果被其它的對象遮擋，則圖形不能被顯示19（3）裁剪：確定了可見面之后需要裁剪操作，是由于顯示系統(tǒng)不可能一次看到整個世界。在投影平面上加一個裁剪窗口，如果對象的投影在裁剪窗口之內(nèi)，則它會出現(xiàn)在圖像上；如果對象的投影在裁剪窗口之外，則它要被裁剪掉，就不會出現(xiàn)在圖像里。如果對象的投影與裁剪窗口相交，則只在圖像中看到窗口內(nèi)的那部分。（3）裁剪：確定了可見面之后需要裁剪操作，是由于顯示系統(tǒng)不可20（4）光照：如果進(jìn)行真實(shí)感圖形繪制，需要計(jì)算可見面投射到觀察者眼中的光亮度大小和色彩組成，并將它轉(zhuǎn)換成適合圖形設(shè)備的顏色值，從而確定投影畫面上每一象素的顏色，最終生成圖形。第8章將詳細(xì)介紹光照明模型。（4）光照：如果進(jìn)行真實(shí)感圖形繪制，需要計(jì)算可見面投射到觀察21（5）投影：經(jīng)過多次變換和裁剪處理后，最后得到的基本圖元（是指沒有被裁剪掉、會出現(xiàn)在圖像里面的對象）必須投影成為二維對象，才能顯示在屏幕上。存在多種投影方法可以使用，我們將在第4章詳細(xì)討論。概念：投影:三維空間中的對象要在二維的屏幕或圖紙上顯示出來，就必須通過投影。投影的方法有兩種，平行投影和透視投影。透視投影平行投影（5）投影：經(jīng)過多次變換和裁剪處理后，最后得到的基本圖元（是224、光柵化當(dāng)完成了投影變換，接下來處理的對象就是二維對象。二維對象的圖元已經(jīng)用屏幕坐標(biāo)系表示了。如要顯示上述的投影后的圖形元素，必須利用一個光柵化或掃描轉(zhuǎn)化過程，把這些圖形的幾何信息轉(zhuǎn)換為一組象素值，放在幀緩存里。將如何生成簡單幾何元素（點(diǎn)、線、面等）的光柵圖形問題放在第3章中首先討論。5、顯示一旦確定了對應(yīng)象素值，把幀緩存里的圖形輸出到顯示屏幕或繪制器上過程可自動完成，具體顯示原理在第2章中詳細(xì)討論。

4、光柵化23第1章-計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述課件24第1章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述第1章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述25計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(computergraphics,CG)：用計(jì)算機(jī)生成景物的數(shù)字模型，并將它顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，或者繪制在紙張或膠片上。它是研究如何在計(jì)算機(jī)環(huán)境下生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究對象景物的幾何建模方法(modeling)、對模型的處理方法、幾何模型的繪制技術(shù)(rendering)、圖形輸入和控制的人機(jī)交互界面(userinterface)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形如何利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形計(jì)算、處理圖形的顯示表示處理顯示計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(computergr26圖形與圖像的關(guān)系圖形與圖象兩個概念間的區(qū)別越來越模糊，但還是有區(qū)別的A、圖形含有幾何屬性，更強(qiáng)調(diào)場景的幾何表示，是由場景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成例如：作為圖形在機(jī)內(nèi)的存儲圖AB、圖像是由掃描儀、攝像機(jī)等輸入設(shè)備捕捉實(shí)際的畫面產(chǎn)生的數(shù)字圖像。純指計(jì)算機(jī)內(nèi)以位圖形式存放的灰度信息例如：作為圖像在機(jī)內(nèi)的存儲圖B圖A圖B圖形與圖像的關(guān)系圖A圖B27計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展史計(jì)算機(jī)圖形設(shè)備和交互技術(shù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)而發(fā)展起來的早期的計(jì)算機(jī)是用來做數(shù)值計(jì)算和處理的。計(jì)算的結(jié)果用圖形輸出更直觀，易理解。例如：對數(shù)據(jù){x,y}={(1,2),(2,3),(3,4),(4,5),(5,6)}計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展史計(jì)算機(jī)圖形設(shè)備和交互技術(shù)281946年，第一臺電子計(jì)算機(jī)的問世推動了許多學(xué)科的發(fā)展和新學(xué)科的建立，其中就包括現(xiàn)代圖形學(xué)技術(shù)。1946年，第一臺電子計(jì)算機(jī)的問世推動了許多學(xué)科的發(fā)展和新學(xué)291959年，美國Calcomp公司研制出的世界上第一臺滾筒式繪圖機(jī)，使計(jì)算機(jī)輔助繪圖儀開始代替人工繪圖。1959年，美國Calcomp公司研制出的世界上第一臺滾筒式3020世紀(jì)50年代末期，美國MIT林肯實(shí)驗(yàn)室研制出的空中防御系統(tǒng)標(biāo)志著交互式圖形技術(shù)的誕生。1962年，I.E.薩瑟蘭德在其博士論文《SKETCHPAD:一個人機(jī)通信的圖形系統(tǒng)》中首次提出計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、交互技術(shù)、分層存儲符號的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等新思想。這些基本理論和技術(shù)至今仍是現(xiàn)代圖形技術(shù)的基礎(chǔ)。20世紀(jì)50年代末期，美國MIT林肯實(shí)驗(yàn)室研制出的空中防御系31計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)在幾何造型系統(tǒng)中，描述物體的三維模型有三種，即線框模型、實(shí)體模型和表面模型早期的繪圖軟件大都采用線框式圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)特別適合于圖形的幾何變換和交互顯示，但無法在計(jì)算機(jī)內(nèi)完整地定義三維物體。這種初期的線框造型系統(tǒng)只能表達(dá)基本的幾何信息，不具備表達(dá)幾何數(shù)據(jù)間拓?fù)潢P(guān)系的能力，實(shí)體拓?fù)湫畔⒁约靶误w表面信息的缺失使得CAM均無法實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)早期的繪圖軟件大都采用線框式圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)322）20世紀(jì)60年代末期開始研究和發(fā)展實(shí)體造型技術(shù)，如英國劍橋大學(xué)的I.C.Braid的BUILD系統(tǒng)、美國羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)和日本北海道大學(xué)的TIPS-1系統(tǒng)。這些系統(tǒng)都在計(jì)算機(jī)內(nèi)提供了對物體的完整的幾何定義，可隨時提取所需信息?？梢灾苯釉谌S空間進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、修改、觀察，從而使設(shè)計(jì)活動變得直觀、簡單和高效。2）20世紀(jì)60年代末期開始研究和發(fā)展實(shí)體造型技術(shù)，如英國劍33目前國際上應(yīng)用較廣的實(shí)體造型系統(tǒng)有IBM公司的CADAM、DassaultSystem公司的CATIA、SDRC公司的Geomod、PT公司的Pro/Engineer、SpatialTechnology公司的ACIS、Solidworks公司的Solidworks等。設(shè)計(jì)人員可以直接在三維空間進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、修改、觀察，從而使設(shè)計(jì)活動變得直觀、簡單、高效。IBM公司的CADAM系統(tǒng)DassaultSystem公司的CATIACATIA系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輪船PT公司的Pro/Engineer系統(tǒng)目前國際上應(yīng)用較廣的實(shí)體造型系統(tǒng)有IBM公司的CADAM、D343)1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了被后人稱為通過插值四條任意的邊界曲線來構(gòu)造曲面,發(fā)展成表面造型技術(shù)（曲面造型）P(u,0)P(0,v)Bezier、B-樣條、孔斯3)1964年MIT的教授StevenA.Coons提35計(jì)算機(jī)圖形的標(biāo)準(zhǔn)化官方標(biāo)準(zhǔn)第一個圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)是由德國提出的圖形核心系統(tǒng)GKS，這是一個二維圖形軟件包。1988年，GKS的三維擴(kuò)充GKS-3D成為三維圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)。GKS標(biāo)準(zhǔn)下的圖形計(jì)算機(jī)圖形的標(biāo)準(zhǔn)化GKS標(biāo)準(zhǔn)下的圖形361986年，ISO提出程序員分層交互圖形系統(tǒng)PHIGS，支持三維圖形的層次嵌套結(jié)構(gòu)。PHIGS標(biāo)準(zhǔn)下的圖形1986年，ISO提出程序員分層交互圖形系統(tǒng)PHIGS，支持37非官方標(biāo)準(zhǔn)SGI等公司開發(fā)的OpenGL，Sun公司推出的Java3D，Microsoft公司的DirectX等。OpenGL制作的游戲Java3D制作的游戲DirectX制作的游戲非官方標(biāo)準(zhǔn)OpenGL制作的游戲Java3D制作的游戲Di381.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造

(computeraideddesignandmanufactory，CAD/CAM)地理信息系統(tǒng)

(geographicalinformationsystem,GIS)科學(xué)計(jì)算可視化

(visualizationinscientificcomputing，VS)計(jì)算機(jī)動畫和藝術(shù)計(jì)算機(jī)模擬和仿真虛擬現(xiàn)實(shí)

(virtualreality,VR)1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(compu39

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、船舶的外形設(shè)計(jì)、超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)，以及建筑、服裝、印染、玩具設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。CAD技術(shù)使得工程、雪佛萊敞篷轎車曲面造型產(chǎn)品設(shè)計(jì)和施工圖紙不必再由人工繪制，可大大縮短設(shè)計(jì)周期。（1）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、雪佛40（2）地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)記錄著關(guān)于人口、城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村、高山平原地形、礦藏、森林、旅游等大量信息。利用地理系統(tǒng)中的圖形軟件可繪制出地理、地質(zhì)的以及其他自然現(xiàn)象的高精度勘探、測量圖形，如地理圖、人口分布圖、水資源分布圖等。（2）地理信息系統(tǒng) 地理信息系統(tǒng)記錄著關(guān)于人口、城鎮(zhèn)41（3）科學(xué)計(jì)算可視化可視化技術(shù)廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)、有限元分析、醫(yī)學(xué)、天氣預(yù)報(bào)、海洋和空間探測等領(lǐng)域。已成為一種從海量的計(jì)算數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)中發(fā)掘其蘊(yùn)含的自然、物理現(xiàn)象和規(guī)律的新的通用手段。（3）科學(xué)計(jì)算可視化可視化技術(shù)廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)42（4）計(jì)算機(jī)動畫和技術(shù)計(jì)算機(jī)動畫和藝術(shù)是用計(jì)算機(jī)來生成各種逼真的虛擬場景畫面和特效效果，從而為人們提供一個充分展示個人想象力和藝術(shù)才能的空間。（4）計(jì)算機(jī)動畫和技術(shù)計(jì)算機(jī)動畫43（5）計(jì)算機(jī)模擬和仿真計(jì)算機(jī)模擬和仿真已廣泛應(yīng)用到產(chǎn)品和工程設(shè)計(jì)、航空駕駛和實(shí)驗(yàn)等工作中，如構(gòu)造虛擬天空、地面、山峰、樹木等，并產(chǎn)生出巨大的經(jīng)濟(jì)效益。（5）計(jì)算機(jī)模擬和仿真計(jì)算機(jī)模擬和仿真已廣泛應(yīng)用44（6）虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)是指由計(jì)算機(jī)實(shí)時生成一個虛擬的三維空間，用戶可在其中自由運(yùn)動，隨意觀察周圍的景物，并通過一些特殊的設(shè)備與虛擬物體進(jìn)行交互操作。（6）虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)是指由45計(jì)算機(jī)圖形學(xué)ComputerGraphics計(jì)算機(jī)圖形學(xué)ComputerGraphics46{x,y}={(1,2),(2,3),(3,4),(4,5),(5,6)}{x,y}={(1,2),(2,3),(3,4),(4,47廣義的圖形概念 凡是能夠在人的視覺系統(tǒng)中形成視覺印象的客觀對象都稱為圖形。如：(1)自然景物(2)照片和圖片(3)工程圖、設(shè)計(jì)圖和方框圖(4)人工美術(shù)繪畫、雕塑品(5)用數(shù)學(xué)方法描述的圖形（包括幾何圖形、代數(shù)方程、分析表達(dá)式或列表所確定的圖形）圖形的概念廣義的圖形概念圖形的概念48計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的圖形概念

是指由點(diǎn)、線、面、體等幾何要素和明暗、灰度（亮度）、色彩等非幾何要素構(gòu)成的，從現(xiàn)實(shí)世界中抽象出來的帶有灰度、色彩及形狀的圖或形。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的圖形概念49??????????50顯示器等輸出設(shè)備如何進(jìn)行圖形圖像的顯示？計(jì)算機(jī)圖形學(xué)解決了什么問題顯示器等輸出設(shè)備如何進(jìn)行圖形圖像的顯示？計(jì)算機(jī)圖形學(xué)解決了什51計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究計(jì)算機(jī)如何生成、處理和顯示圖形的！其一：我們可以看一下書上介紹的一些算法；比如說畫直線的算法——DDA算法，從這個算法大家可以知道了，原來圖形學(xué)就是比較基礎(chǔ)的，研究如何來畫出圖形的科學(xué)。其實(shí)現(xiàn)在很多可視化的高級語言都提供一些很方便的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)畫直線、畫框、畫圓、填充等畫圖動作，圖形學(xué)就是研究這樣一些函數(shù)是怎么編寫的。其二：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)另一個主要的目的就是要利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生令人賞心悅目的真實(shí)感圖形。為此，必須建立圖形所描述的場景的幾何表示，再用某種光照模型，計(jì)算在假想的光源、紋理、材質(zhì)屬性下的光照明效果。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)也就要研究如何產(chǎn)生上述的效果。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是如計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)、科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動畫、虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互等學(xué)科的基礎(chǔ)，或說在這些領(lǐng)域中圖形學(xué)起著越來越重要的作用。所以，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)習(xí)為今后的研究工作打下基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究計(jì)算機(jī)如何生成、處理和顯示圖形的！其一：52計(jì)算機(jī)動畫CAD/CAM可視化線框圖計(jì)算機(jī)動畫CAD/CAM可視化線框圖53NurbsSurface

Bézier

SurfaceNurbs或Bezier曲面NurbsSurface54帶紋理的圖像帶紋理的圖像55TheStanfordBunny

斯坦福兔子TheStanfordBunny斯坦福兔子56體繪制面繪制面繪制可視化體繪制面繪制面繪制可視化57

morphing圖像morphing技術(shù)是指把一幅數(shù)字圖像以一種自然流暢的、戲劇性的、超現(xiàn)實(shí)主義的方式變換到另一幅數(shù)字圖像。morphing圖像morphing技術(shù)是指把一幅數(shù)581、坐標(biāo)系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)世界中，所有的物體都具有幾何特征，但計(jì)算機(jī)本身只能處理數(shù)字，將幾何實(shí)體與數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起的唯一紐帶就是坐標(biāo)，如：現(xiàn)實(shí)的幾何實(shí)體的數(shù)字表示可以是一些坐標(biāo)值，如（x,y,z）。為了使被顯示的幾何實(shí)體數(shù)字化，要在被顯示的物體所在的空間中定義坐標(biāo)系。預(yù)備概念1、坐標(biāo)系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)世界中，所有的物體都具有幾何特征，但計(jì)算59(1)、模型坐標(biāo)系（局部坐標(biāo)系）：當(dāng)構(gòu)造單個對象的數(shù)字模型時，為了方便,可以將其置于一個特定的坐標(biāo)系下，即模型坐標(biāo)系或局部坐標(biāo)系.(2)、世界坐標(biāo)系：為描述圖形場景中所有圖形之間的空間關(guān)系，將它們置于一個統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，該坐標(biāo)系被稱為世界坐標(biāo)系。(3)、設(shè)備坐標(biāo)系：要輸出經(jīng)過處理后的數(shù)字化圖形，需要在輸出設(shè)備上建立一個坐標(biāo)系，稱為設(shè)備坐標(biāo)系。(1)、模型坐標(biāo)系（局部坐標(biāo)系）：當(dāng)構(gòu)造單個對象的數(shù)字模型(60說明：在計(jì)算機(jī)顯示三維世界的過程中，需要在世界坐標(biāo)系中給定一個視見體，視見體內(nèi)包含的內(nèi)容是我們對場景感興趣的部分。計(jì)算機(jī)顯示三維場景過程中的三個空間：三維景物空間－－－二維投影平面－－－二維顯示平面視區(qū)窗口說明：在計(jì)算機(jī)顯示三維世界的過程中，需要在世界計(jì)算機(jī)顯示三維612、幾何實(shí)體的表示和建模

獲得三維物體在圖形設(shè)備上真實(shí)感圖形，首先要做的就是建立物體的模型，或者稱為物體的計(jì)算機(jī)描述，它輸出幾何對象。再簡單點(diǎn)：建模的過程＝讓計(jì)算機(jī)“認(rèn)識”該物體的過程。如，比較簡單的，可以用一個隱函數(shù)來表示一個幾何實(shí)體，如一個球的表示:2、幾何實(shí)體的表示和建模獲得三維物體在圖形設(shè)備上真實(shí)感圖形623、幾何處理我們把確定場景中的所有可見面；計(jì)算場景中可見面的顏色；將三維幾何描述轉(zhuǎn)換為二維透視圖，歸結(jié)為幾何處理。建模輸出的幾何對象要經(jīng)過一系列的變換，最終要將其變換到顯示屏幕坐標(biāo)系，并且只有那些處于觀察者視域內(nèi)的圖元才能經(jīng)過光柵化后顯示在屏幕上。（1）變換:是指對象在不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，這些變換可能改變它們的形狀和位置，或者改變它們的表示，如平移、旋轉(zhuǎn)、錯切等變換。在第4章，我們將詳細(xì)討論變換過程。3、幾何處理我們把確定場景中的所有可見面；計(jì)算場景中可見面63（2）消除隱藏線、面：如果被其它的對象遮擋，則圖形不能被顯示在屏幕上。隱藏面的消除即去掉那些看不到的面，留下可見面。在第7章，我們將詳細(xì)討論如何進(jìn)行隱藏面的消除。（2）消除隱藏線、面：如果被其它的對象遮擋，則圖形不能被顯示64（3）裁剪：確定了可見面之后需要裁剪操作，是由于顯示系統(tǒng)不可能一次看到整個世界。在投影平面上加一個裁剪窗口，如果對象的投影在裁剪窗口之內(nèi)，則它會出現(xiàn)在圖像上；如果對象的投影在裁剪窗口之外，則它要被裁剪掉，就不會出現(xiàn)在圖像里。如果對象的投影與裁剪窗口相交，則只在圖像中看到窗口內(nèi)的那部分。（3）裁剪：確定了可見面之后需要裁剪操作，是由于顯示系統(tǒng)不可65（4）光照：如果進(jìn)行真實(shí)感圖形繪制，需要計(jì)算可見面投射到觀察者眼中的光亮度大小和色彩組成，并將它轉(zhuǎn)換成適合圖形設(shè)備的顏色值，從而確定投影畫面上每一象素的顏色，最終生成圖形。第8章將詳細(xì)介紹光照明模型。（4）光照：如果進(jìn)行真實(shí)感圖形繪制，需要計(jì)算可見面投射到觀察66（5）投影：經(jīng)過多次變換和裁剪處理后，最后得到的基本圖元（是指沒有被裁剪掉、會出現(xiàn)在圖像里面的對象）必須投影成為二維對象，才能顯示在屏幕上。存在多種投影方法可以使用，我們將在第4章詳細(xì)討論。概念：投影:三維空間中的對象要在二維的屏幕或圖紙上顯示出來，就必須通過投影。投影的方法有兩種，平行投影和透視投影。透視投影平行投影（5）投影：經(jīng)過多次變換和裁剪處理后，最后得到的基本圖元（是674、光柵化當(dāng)完成了投影變換，接下來處理的對象就是二維對象。二維對象的圖元已經(jīng)用屏幕坐標(biāo)系表示了。如要顯示上述的投影后的圖形元素，必須利用一個光柵化或掃描轉(zhuǎn)化過程，把這些圖形的幾何信息轉(zhuǎn)換為一組象素值，放在幀緩存里。將如何生成簡單幾何元素（點(diǎn)、線、面等）的光柵圖形問題放在第3章中首先討論。5、顯示一旦確定了對應(yīng)象素值，把幀緩存里的圖形輸出到顯示屏幕或繪制器上過程可自動完成，具體顯示原理在第2章中詳細(xì)討論。

4、光柵化68第1章-計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述課件69第1章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述第1章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述70計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(computergraphics,CG)：用計(jì)算機(jī)生成景物的數(shù)字模型，并將它顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，或者繪制在紙張或膠片上。它是研究如何在計(jì)算機(jī)環(huán)境下生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究對象景物的幾何建模方法(modeling)、對模型的處理方法、幾何模型的繪制技術(shù)(rendering)、圖形輸入和控制的人機(jī)交互界面(userinterface)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形如何利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形計(jì)算、處理圖形的顯示表示處理顯示計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(computergr71圖形與圖像的關(guān)系圖形與圖象兩個概念間的區(qū)別越來越模糊，但還是有區(qū)別的A、圖形含有幾何屬性，更強(qiáng)調(diào)場景的幾何表示，是由場景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成例如：作為圖形在機(jī)內(nèi)的存儲圖AB、圖像是由掃描儀、攝像機(jī)等輸入設(shè)備捕捉實(shí)際的畫面產(chǎn)生的數(shù)字圖像。純指計(jì)算機(jī)內(nèi)以位圖形式存放的灰度信息例如：作為圖像在機(jī)內(nèi)的存儲圖B圖A圖B圖形與圖像的關(guān)系圖A圖B72計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展史計(jì)算機(jī)圖形設(shè)備和交互技術(shù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)而發(fā)展起來的早期的計(jì)算機(jī)是用來做數(shù)值計(jì)算和處理的。計(jì)算的結(jié)果用圖形輸出更直觀，易理解。例如：對數(shù)據(jù){x,y}={(1,2),(2,3),(3,4),(4,5),(5,6)}計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展史計(jì)算機(jī)圖形設(shè)備和交互技術(shù)731946年，第一臺電子計(jì)算機(jī)的問世推動了許多學(xué)科的發(fā)展和新學(xué)科的建立，其中就包括現(xiàn)代圖形學(xué)技術(shù)。1946年，第一臺電子計(jì)算機(jī)的問世推動了許多學(xué)科的發(fā)展和新學(xué)741959年，美國Calcomp公司研制出的世界上第一臺滾筒式繪圖機(jī)，使計(jì)算機(jī)輔助繪圖儀開始代替人工繪圖。1959年，美國Calcomp公司研制出的世界上第一臺滾筒式7520世紀(jì)50年代末期，美國MIT林肯實(shí)驗(yàn)室研制出的空中防御系統(tǒng)標(biāo)志著交互式圖形技術(shù)的誕生。1962年，I.E.薩瑟蘭德在其博士論文《SKETCHPAD:一個人機(jī)通信的圖形系統(tǒng)》中首次提出計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、交互技術(shù)、分層存儲符號的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等新思想。這些基本理論和技術(shù)至今仍是現(xiàn)代圖形技術(shù)的基礎(chǔ)。20世紀(jì)50年代末期，美國MIT林肯實(shí)驗(yàn)室研制出的空中防御系76計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)在幾何造型系統(tǒng)中，描述物體的三維模型有三種，即線框模型、實(shí)體模型和表面模型早期的繪圖軟件大都采用線框式圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)特別適合于圖形的幾何變換和交互顯示，但無法在計(jì)算機(jī)內(nèi)完整地定義三維物體。這種初期的線框造型系統(tǒng)只能表達(dá)基本的幾何信息，不具備表達(dá)幾何數(shù)據(jù)間拓?fù)潢P(guān)系的能力，實(shí)體拓?fù)湫畔⒁约靶误w表面信息的缺失使得CAM均無法實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)早期的繪圖軟件大都采用線框式圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)772）20世紀(jì)60年代末期開始研究和發(fā)展實(shí)體造型技術(shù)，如英國劍橋大學(xué)的I.C.Braid的BUILD系統(tǒng)、美國羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)和日本北海道大學(xué)的TIPS-1系統(tǒng)。這些系統(tǒng)都在計(jì)算機(jī)內(nèi)提供了對物體的完整的幾何定義，可隨時提取所需信息?？梢灾苯釉谌S空間進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、修改、觀察，從而使設(shè)計(jì)活動變得直觀、簡單和高效。2）20世紀(jì)60年代末期開始研究和發(fā)展實(shí)體造型技術(shù)，如英國劍78目前國際上應(yīng)用較廣的實(shí)體造型系統(tǒng)有IBM公司的CADAM、DassaultSystem公司的CATIA、SDRC公司的Geomod、PT公司的Pro/Engineer、SpatialTechnology公司的ACIS、Solidworks公司的Solidworks等。設(shè)計(jì)人員可以直接在三維空間進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、修改、觀察，從而使設(shè)計(jì)活動變得直觀、簡單、高效。IBM公司的CADAM系統(tǒng)DassaultSystem公司的CATIACATIA系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輪船PT公司的Pro/Engineer系統(tǒng)目前國際上應(yīng)用較廣的實(shí)體造型系統(tǒng)有IBM公司的CADAM、D793)1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了被后人稱為通過插值四條任意的邊界曲線來構(gòu)造曲面,發(fā)展成表面造型技術(shù)（曲面造型）P(u,0)P(0,v)Bezier、B-樣條、孔斯3)1964年MIT的教授StevenA.Coons提80計(jì)算機(jī)圖形的標(biāo)準(zhǔn)化官方標(biāo)準(zhǔn)第一個圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)是由德國提出的圖形核心系統(tǒng)GKS，這是一個二維圖形軟件包。1988年，GKS的三維擴(kuò)充GKS-3D成為三維圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)。GKS標(biāo)準(zhǔn)下的圖形計(jì)算機(jī)圖形的標(biāo)準(zhǔn)化GKS標(biāo)準(zhǔn)下的圖形811986年，