圖形圖像學(xué)基礎(chǔ)

圖形圖像學(xué)基礎(chǔ)第一頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日教材及主要參考書教材：計(jì)算機(jī)圖形學(xué),任愛華編著,北京航空航天大學(xué)出版社，2005主要參考書：何援軍，《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》，機(jī)械工業(yè)出版社計(jì)算機(jī)圖形學(xué)＝ComputerGraphicswithOpenGL:第三版，Hearn.D&BakerM.P.著，電子工業(yè)出版社，2004數(shù)字圖像處理(第二版),英文版,Gonzalez,R.C.&Woods,R.E.,電子工業(yè)出版社，2002第二頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日序號(hào)授課內(nèi)容1234567891011緒論計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容及其與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用。圖形輸入輸出設(shè)備?；緢D形生成算法：直線、圓弧的DDA生成算法和Bresenham生成算法、掃描線填充算法的基本原理，有序邊表算法，邊填充算法，種子填充算法的基本原理，簡(jiǎn)單的種子填充算法，掃描線種子填充算法、線段的裁剪算法，多邊形的裁剪算法。字符及反走樣技術(shù)。圖形變換：圖形變換數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，齊次坐標(biāo)技術(shù)、窗口視圖變換，二、三維圖形幾何變換、平行投影、透視投影變換。曲線和曲面：參數(shù)曲線基礎(chǔ)，常用的參數(shù)曲線：Bezier曲線、B樣條曲線等、常用的參數(shù)曲面。交互技術(shù)與用戶接口。數(shù)字圖像處理：數(shù)字圖像基礎(chǔ)，圖像的表示，采樣，直方圖，二值化等。數(shù)字圖像處理：空間域圖像增強(qiáng)算法。*數(shù)字圖像處理：頻域圖像增強(qiáng)算法

第三頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日成績(jī)構(gòu)成平時(shí)成績(jī)（40%）出勤（10%）課后作業(yè)（10%）隨堂小測(cè)驗(yàn)（20%）期末考試（60%）第四頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日第一章緒論什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容應(yīng)用領(lǐng)域交互式圖形系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系第五頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日

ComputerGraphics(CG)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究怎樣用計(jì)算機(jī)表示、生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義：

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究通過計(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。它是建立在傳統(tǒng)的圖學(xué)理論、應(yīng)用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)上的一門邊緣學(xué)科。幾何或3D的問題圖像或2D的問題第六頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日CG研究的問題一般說來，要在計(jì)算機(jī)上生成一幅表示物體的圖形，有三個(gè)要素：如何在計(jì)算機(jī)中“表示”多彩的客觀世界：造型技術(shù)在計(jì)算機(jī)中建立所要生成圖像的物體的模型即給出表示該物體的幾何數(shù)據(jù)和拓?fù)潢P(guān)系如何在計(jì)算機(jī)中“表現(xiàn)”多彩的客觀世界：繪制技術(shù)按照給定的觀察點(diǎn)及觀察方向?qū)⑽矬w模型在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來人機(jī)交互技術(shù)：為造型和繪制這兩個(gè)過程提供友好的人機(jī)界面第七頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日根據(jù)準(zhǔn)確性、真實(shí)性、實(shí)時(shí)性的要求，算法可大致分為以下幾類：基于圖形設(shè)備的基本圖形元素的生成算法圖形的變換和裁剪自由曲線和曲面——計(jì)算幾何幾何造型技術(shù)真實(shí)感圖形的生成算法自然景物的生成——分形幾何顏色科學(xué)及其應(yīng)用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)——實(shí)時(shí)交互式三維圖形處理研究?jī)?nèi)容第八頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D形和圖像圖形分為圖形類和圖像類圖形類：以矢量圖形式呈現(xiàn)，在計(jì)算機(jī)中以場(chǎng)景的幾何模型與物理屬性表示的圖形。能體現(xiàn)景物的幾何個(gè)體，記錄體元的形狀參數(shù)與屬性參數(shù)。如工程圖紙，其信息包含圖元的幾何信息與屬性信息。第九頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D形和圖像圖形分為圖形類和圖像類圖像類：以點(diǎn)陣圖形式呈現(xiàn)，在計(jì)算機(jī)中以具有顏色信息的點(diǎn)陣來表示的圖形。它更強(qiáng)調(diào)整體的形式，描述一個(gè)個(gè)點(diǎn)的灰度或色彩。如照片、掃描圖片等。其信息實(shí)際上是點(diǎn)與點(diǎn)的屬性信息（顏色、灰度、亮度等）。第十頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日CG的總體架構(gòu)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)向量、矩陣、齊次坐標(biāo)、幾何變換等。幾何二維和三維空間的各種幾何模型和幾何造型方法繪制幾何的視覺實(shí)現(xiàn)過程，CG的主要工作圖形類：二維繪制以光柵化算法和裁剪算法為代表，三維繪制以線消隱算法為代表圖像類：面消隱、光照模型、陰影模型、紋理模型、光源模型、顏色模型等。交互技術(shù)CG中相對(duì)獨(dú)立的一部分。通常是以WIMP為特征的圖形用戶界面第十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日CG的發(fā)展簡(jiǎn)史硬件1950年第一臺(tái)圖形顯示器誕生20世紀(jì)70年代光柵顯示器產(chǎn)生，圖形學(xué)進(jìn)圖了第一個(gè)興盛時(shí)期并開始出現(xiàn)實(shí)用的CAD圖形系統(tǒng)20世紀(jì)80年代中期，超大規(guī)模集成電路的發(fā)展使計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力提高，圖形處理速度加快，圖形學(xué)得到快速發(fā)展基礎(chǔ)理論1962年，IvanE.Sutherland發(fā)表題為“Sketchpad:一個(gè)人機(jī)交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文，首次使用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(computergraphics)這個(gè)術(shù)語(yǔ)。20世紀(jì)70年代，真實(shí)感圖形和實(shí)體造型技術(shù)產(chǎn)生1980年Whitten提出了一個(gè)光透視模型并給出光線跟蹤算法范例1984年美國(guó)Conell和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分別用輻射度方法成功模擬了理想漫反射表面間的多重慢反射效果。真實(shí)感圖形算法日漸成熟。第十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)科學(xué)計(jì)算可視化影視制作虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)醫(yī)療計(jì)算機(jī)藝術(shù)圖形用戶界面等第十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）CAD/CAM是CG在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。飛機(jī)、汽車、船舶、機(jī)電、輕工、服裝的外形設(shè)計(jì)集成電路、印刷電路板的設(shè)計(jì)建筑設(shè)計(jì)基于工程圖紙的三維形體重建第十四頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日影視制作計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)還被廣泛用于電影電視中的特技鏡頭的制作，產(chǎn)生以假亂真而又驚險(xiǎn)的特技效果，如模擬大樓被炸、橋梁坍塌、在圖像中增加實(shí)際上不存在的物體等。第十五頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日立體感和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)第十六頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日立體感和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)頭盔式顯示器將觀察者的頭部位置及運(yùn)動(dòng)方向告訴計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)就可以調(diào)整觀察者所看到的圖景，使得呈現(xiàn)圖像更趨于真實(shí)感絕大多數(shù)頭盔式顯示器使用兩個(gè)顯示器把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封裝起來，產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的錯(cuò)覺。第十七頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，并使用傳感器設(shè)備與之相互作用。提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般及時(shí)、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。

虛擬現(xiàn)實(shí)在機(jī)器人遙操作方面的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)在軍事方面的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)在訓(xùn)練方面的應(yīng)用…第十八頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日虛擬手術(shù)仿真將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖象，并通過一定的技術(shù)生成在人體內(nèi)漫游的圖象，使得醫(yī)生能夠看到并準(zhǔn)確地判別病人的體內(nèi)的患處，然后通過碰撞檢測(cè)一類的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手術(shù)效果的反饋，幫助醫(yī)生成功完成手術(shù)。第十九頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日科學(xué)計(jì)算的可視化科學(xué)計(jì)算的可視化是將科學(xué)計(jì)算過程中的數(shù)據(jù)及結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像實(shí)際上也包括了工程計(jì)算可視化和測(cè)量數(shù)據(jù)可視化其核心是三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化可應(yīng)用于氣象預(yù)報(bào)、（CT）醫(yī)學(xué)圖象重建、流場(chǎng)、湍流、激波、石油地質(zhì)勘探、環(huán)境保護(hù)、核爆炸模擬、計(jì)算流體力學(xué)、天體物理、分子生物學(xué)、有限元分析、等許多領(lǐng)域。第二十頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日事務(wù)和商務(wù)數(shù)據(jù)的圖形顯示繪制表示經(jīng)濟(jì)信息的各類二、三維統(tǒng)計(jì)管理圖表信息可視化:信息流量，商業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，股市行情第二十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D形用戶界面Windowsystemandlarge-screeninteractionmetaphor第二十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D形輸入設(shè)備鼠標(biāo)、鍵盤數(shù)碼相機(jī)采用的攝像感應(yīng)器有兩種CCDCMOS：便宜，但質(zhì)量相對(duì)較差掃描儀第二十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D形輸入設(shè)備數(shù)據(jù)手套(Dataglove)可測(cè)量出手的位置和形狀，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境中的虛擬手及其對(duì)虛擬物體的操縱。數(shù)據(jù)手套通過手指上的彎曲、扭曲傳感器和手掌上的彎度、弧度傳感器，確定手及關(guān)節(jié)的位置和方向。第二十四頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D形輸入設(shè)備圖形輸入的一個(gè)特殊領(lǐng)域真實(shí)物體的三維信息的輸入

零件進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)必須在計(jì)算機(jī)中生成三維實(shí)體模型這個(gè)模型有時(shí)要通過已有的實(shí)物零件得到采集實(shí)物表面各個(gè)點(diǎn)的位置信息掃描保存古代名貴的雕塑和其它藝術(shù)品的三維信息在計(jì)算機(jī)中產(chǎn)生這些藝術(shù)品的三維模型第二十五頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D形輸出設(shè)備陰極射線管(CRT)組成包括電子槍、聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏工作原理電子槍發(fā)射電子束經(jīng)過聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)轟擊到熒光屏的指定位置電子束能量被其內(nèi)表面的熒光物質(zhì)吸收產(chǎn)生亮點(diǎn)第二十六頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日電子槍電燈絲陰極由燈絲加熱發(fā)出電子束控制柵加上負(fù)電壓后，能夠控制通過其中小孔的帶負(fù)電的電子束的強(qiáng)弱通過調(diào)節(jié)負(fù)電壓高低來控制電子數(shù)量即控制熒光屏上相應(yīng)點(diǎn)的亮度第二十七頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日聚焦系統(tǒng)通過電場(chǎng)和磁場(chǎng)控制電子束變細(xì)，保證亮點(diǎn)足夠小，提高分辯率

加速電極加正的高壓電（幾萬(wàn)伏）使電子束高速運(yùn)動(dòng)

控制靜電場(chǎng)或磁場(chǎng)，使電子束產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，最大偏轉(zhuǎn)角是衡量系統(tǒng)性能的最重要的指標(biāo)，顯示器長(zhǎng)短與此有關(guān)。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)第二十八頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日熒光屏

熒光物質(zhì)：吸收電子束而發(fā)光余輝時(shí)間：電子束離開某點(diǎn)后，持續(xù)發(fā)光時(shí)間

刷新(Refresh)：為了讓熒光物質(zhì)保持一個(gè)穩(wěn)定的亮度值刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù)像素(Pixel)：構(gòu)成屏幕（圖像）的最小元素分辨率(Resolution)：CRT在水平或豎直方向單位長(zhǎng)度上能識(shí)別的最大像素個(gè)數(shù)單位通常為dpi（dotsperinch)。在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個(gè)屏幕所能容納的像素個(gè)數(shù)描述如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等

某種CRT產(chǎn)生穩(wěn)定圖像所需要的最小刷新頻率=1秒/熒光物質(zhì)的持續(xù)發(fā)光時(shí)間（例如）=1000/40=25Hz第二十九頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日紅、綠、蘭三基色三色熒光點(diǎn)（很小并充分靠近--〉像素）三支電子槍電子槍、影孔板中的一個(gè)小孔和熒光點(diǎn)呈一直線每個(gè)小孔與一個(gè)像素（即三個(gè)熒光點(diǎn)）對(duì)應(yīng)彩色陰極射線管第三十頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D形輸出設(shè)備向量式顯示器（20世紀(jì)60年代-80年代）畫線設(shè)備，其電子束可以隨意移動(dòng)。只在屏幕上顯示圖形部分。電子束逐條跟蹤圖形的組成線條從而生成線條圖。又稱畫線式顯示器、隨機(jī)掃描顯示器光柵圖形顯示器（20世紀(jì)70年代）畫點(diǎn)設(shè)備，可看作是一個(gè)點(diǎn)陣單元發(fā)生器。第三十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日向量式顯示器由顯示處理機(jī)、顯示緩沖存儲(chǔ)器和CRT組成顯示緩沖存儲(chǔ)器（又稱刷新緩沖存儲(chǔ)器）：存放計(jì)算機(jī)生成的顯示程序。顯示處理機(jī)：與CPU相連執(zhí)行畫線、畫字符的命令向量系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是電子束從一個(gè)端點(diǎn)偏轉(zhuǎn)到另一個(gè)端點(diǎn)，稱為隨機(jī)掃描第三十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日光柵掃描的顯示系統(tǒng)特點(diǎn)：畫點(diǎn)設(shè)備，可看做是點(diǎn)陣單元發(fā)生器掃描方式：一次一行，從左到右從頂?shù)降讛?shù)據(jù)表示：像素矩陣圖形定義保存在稱為幀緩存（刷新緩存）的存儲(chǔ)器中?！皫笔侵刚麄€(gè)屏幕范圍。幀緩沖存儲(chǔ)器（FrameBuffer)作用：存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)屏幕上所有像素點(diǎn)的顏色值也稱刷新存儲(chǔ)器(RefreshingBuffer)簡(jiǎn)稱幀緩沖器，俗稱顯存第三十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日光柵掃描式圖形顯示器寄存器電子槍CRT光柵幀緩沖寄存器DAC11具有一位幀緩存的黑白光柵顯示器結(jié)構(gòu)圖幀緩存中單元數(shù)目與顯示器上像素的數(shù)目相同各單元的數(shù)值決定了其對(duì)應(yīng)像素的顏色第三十四頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日位面技術(shù)N位寄存器電子槍CRT光柵有N個(gè)位面的幀緩存2NDAC0010100~2N-1灰度值位面中的單元與顯示器上的像素一一對(duì)應(yīng)第三十五頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日人類的視覺可以區(qū)分大概128個(gè)灰度等級(jí)第三十六頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日寄存器藍(lán)色槍幀緩存DAC0001CRT光柵01DACDAC紅色槍綠色槍彩色光柵掃描現(xiàn)實(shí)器DACDAC紅綠藍(lán)Black000Blue001Green010Cyan011Red100Magenta101Yellow110White111紅綠藍(lán)三個(gè)位面，組合成8種顏色第三十七頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日若有24個(gè)位面（每種基色8個(gè)位面）可同時(shí)顯示(28)3=224=16777216種顏色（24位真彩色）例：1024*768真彩模式需要多少M(fèi)B的顯存？位面技術(shù)（3/3）藍(lán)色槍DAC...…DACDAC紅色槍綠色槍DACDAC…第三十八頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日位面技術(shù)小結(jié)顯存分成若干顏色的位平面（bitplane）各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一個(gè)像素對(duì)應(yīng)同一像素點(diǎn)在各位面占同一地址不同位面上同一像素地址中的內(nèi)容決定像素的顏色色平面越多，可表達(dá)的色彩越豐富增加一個(gè)位面，色彩就增加一倍而存儲(chǔ)器寫操作程序無需重新計(jì)算新地址程序兼容性好第三十九頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日顯存容量分辨率M*N、顏色個(gè)數(shù)K與顯存容量V的關(guān)系3個(gè)位面分辯率是1024×1024的顯示器需要3×1024×1024（3145728）位的存儲(chǔ)器第四十頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日顯存容量問題若存儲(chǔ)器位長(zhǎng)固定，則屏幕分辯率與同時(shí)可用的顏色種數(shù)成反比1兆字節(jié)的幀緩存若設(shè)分辯率為640×480，則幀緩存每個(gè)單元可有24位，可能同時(shí)顯示224種顏色若設(shè)分辯率為1024×768，則每個(gè)單元分得的位數(shù)僅略多于8，只能工作于256色顯示模式下高分辨率和真彩要求有大的顯存第四十一頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日衡量CRT的指標(biāo)屏幕尺寸大小顯像管種類點(diǎn)距分辨率畫面刷新頻率

第四十二頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日LCD顯示器CRT顯示器的缺點(diǎn)：屏幕的加大導(dǎo)致顯象管的加長(zhǎng)，體積加大，使用時(shí)候受到空間的限制利用電子槍發(fā)射電子束來產(chǎn)生圖像，產(chǎn)生輻射與電磁波干擾，長(zhǎng)期使用對(duì)健康不利第四十三頁(yè)，共四十九頁(yè)，2022年，8月28日LCD