計(jì)算機(jī)圖形學(xué)0645的知識(shí)

第一章導(dǎo)論2孔令德.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程（VisualC++版）孔令德.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)踐教程（VisualC++版）胡事民.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程參考文獻(xiàn)什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)誰提出了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)圖形圖像有何區(qū)別為什么說光柵掃描顯示器是畫點(diǎn)設(shè)備計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的最新研究方向本章學(xué)習(xí)目標(biāo)本章內(nèi)容1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的概念1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)學(xué)科1.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的確立和發(fā)展1.5圖形顯示器的發(fā)展及其工作原理1.6圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)的形成1.7計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的最新技術(shù)1.8小結(jié)1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域“CG”是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（ComputerGraphics）的縮寫。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與電視技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)相互融合的結(jié)果。近年來，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已經(jīng)在科學(xué)、藝術(shù)、電影、商業(yè)、廣告、教學(xué)和培訓(xùn)等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。1.1.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD/CAM)1.1.2計(jì)算機(jī)藝術(shù)（CA）1.1.3虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）1.1.4計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ComputerAidedDesign，CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（ComputerAidedManufacture，CAM）是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)最早應(yīng)用的領(lǐng)域，也是當(dāng)前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域，典型的代表產(chǎn)品為AutoCAD系統(tǒng)軟件?，F(xiàn)在建筑、機(jī)械、飛機(jī)、汽車、輪船、電子器件等產(chǎn)品的開發(fā)幾乎都使用AutoCAD進(jìn)行設(shè)計(jì)。1.1.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD/CAM)

具體設(shè)計(jì)時(shí)，先使用線框模型將三維物體內(nèi)部特征展示出來，然后采用真實(shí)光照模型和曲面繪制技術(shù)產(chǎn)生最終效果圖。旋耕刀輥設(shè)計(jì)圖

另外一個(gè)常用的設(shè)計(jì)軟件是3DSMAX?！顿_紀(jì)公園》、《玩具總動(dòng)員》等影片均是典型的3DSMAX技術(shù)產(chǎn)品。

3DSMAX是世界上應(yīng)用最廣泛的三維建模、動(dòng)畫、渲染軟件,完全滿足制作高質(zhì)量動(dòng)畫、最新游戲、設(shè)計(jì)效果等領(lǐng)域的需要。3DSMAX集中體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究成果，綜合使用了圖形變換、消隱、光照、紋理以及實(shí)體造型等技術(shù)。辦公室效果圖

學(xué)生宿舍臥室

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)廣泛應(yīng)用于美術(shù)設(shè)計(jì)中，稱為計(jì)算機(jī)藝術(shù)（ComputerArt，CA），動(dòng)畫設(shè)計(jì)是其典型代表。目前,計(jì)算機(jī)動(dòng)畫已經(jīng)廣泛應(yīng)用于影視特技、商業(yè)廣告、游戲、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)等領(lǐng)域。1.1.2計(jì)算機(jī)藝術(shù)（CA）

許多商業(yè)廣告中還用到變形（Morph）的圖形處理方法，可以將一個(gè)人的臉變成另一個(gè)人的臉。邦德變女郎男變女制作軟件：FunMorph女人是老虎貓變虎

分形幾何學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相結(jié)合的一門邊緣學(xué)科。分形通過遞歸實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的圖形結(jié)構(gòu)，主要用于描述歐幾里得幾何學(xué)無法描述的自然世界，諸如：起伏蜿蜒的山脈、坑坑洼洼的地面、曲曲折折的海岸線、層層分叉的樹枝、撕裂夜空的閃電、閃爍跳躍的火焰、以及金屬和非金屬材料的斷面、生物的大分子結(jié)構(gòu)等等。1.1.2-分形藝術(shù)

謝爾賓斯基海綿的生成原理為：將一個(gè)立方體沿其各個(gè)面等分為27個(gè)小立方體，舍棄位于立方體面心的六個(gè)小立方體，以及位于體心的一個(gè)小立方體。對(duì)余下的20個(gè)立方體按相同的方法逐步遞歸。1.1.2-分形藝術(shù)舉例海綿1.1.3虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）

虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality）用計(jì)算機(jī)生成一種虛擬環(huán)境，用戶“沉浸”到該環(huán)境中，并可通過一些特殊設(shè)備與該環(huán)境直接進(jìn)行交互的技術(shù)。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，看到的是全彩色的景象，聽到的是虛擬環(huán)境中的聲響，感受到的是虛擬環(huán)境設(shè)備反饋的作用力，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺。家居花園三維視景仿真系統(tǒng)家居花園外景居室漫游博創(chuàng)研究所1.1.4計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）

計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(ComputerAidedInstruction)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)展示抽象原理或不可見過程的一種新的教學(xué)方法。在多媒體教室，教師使用集圖、文、聲、像為一體的多媒體課件，形象、生動(dòng)地進(jìn)行教學(xué)，有助于學(xué)生理解和接受深?yuàn)W枯燥的理論。同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)（E-Learning）時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)多媒體課件使得受教育者不必進(jìn)入傳統(tǒng)的課堂也能接受到優(yōu)質(zhì)的培訓(xùn)，分享全世界范圍內(nèi)的優(yōu)質(zhì)教育資源。1.2什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

使用圖形生成原理和算法將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為圖像顯示的科學(xué)。簡(jiǎn)單地說，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形、以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。1.2.1-計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中圖形的分類一類是基于線條表示的幾何圖形,如線框圖、工程制圖、等高線地圖等另一類是基于光照、材質(zhì)和紋理映射表示的真實(shí)感圖形。1.2.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中圖形的表示方法參數(shù)法參數(shù)法是在設(shè)計(jì)階段采用幾何方法建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，用形狀參數(shù)和屬性參數(shù)描述圖形的一種方法形狀參數(shù)可以是線段的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)等幾何參數(shù)屬性參數(shù)則包括線段的顏色、線型、寬度等非幾何參數(shù)一般用參數(shù)法描述的圖形依舊稱為圖形。點(diǎn)陣法點(diǎn)陣法是在實(shí)現(xiàn)階段用具有顏色信息的像素點(diǎn)陣來表示圖形的一種方法，描述的圖形常稱為圖像。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)就是研究將圖形的表示法從參數(shù)法轉(zhuǎn)換到點(diǎn)陣法的一門學(xué)科。用直線y=kx+b表示的圖形

用直線y=kx+b表示的圖像1.2.3-計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究方向

圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形的生成算法，以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)漫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)學(xué)科計(jì)算機(jī)圖形學(xué)密切相關(guān)的學(xué)科主要有：

圖像處理 模式識(shí)別

主要是指數(shù)字圖像處理，是對(duì)基于點(diǎn)陣圖像進(jìn)行增強(qiáng)、去噪、復(fù)原、分割、重建、編碼、存儲(chǔ)、壓縮和恢復(fù)等不同處理方法的學(xué)科。如Photoshop就是著名的圖像處理軟件。1.3-圖像處理彩色圖像二值圖像灰度圖像1.3-模式識(shí)別（PatternRecognition，PR）

把點(diǎn)陣圖像進(jìn)行特征抽取，然后用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法給出圖形描述的學(xué)科。如帶手寫功能的手機(jī)就是模式識(shí)別的一個(gè)典型應(yīng)用。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、模式識(shí)別、圖像處理三者的關(guān)系數(shù)學(xué)模型圖像處理圖像顯示模式識(shí)別圖形學(xué)1.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的確立和發(fā)展1946年2月14日，世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC在美國(guó)問世。1950年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的旋風(fēng)一號(hào)計(jì)算機(jī)配備了世界上第一臺(tái)顯示器——陰極射線管1963年美國(guó)麻省理工學(xué)院的IvanE.Sutherland完成了《Sketchpad：一個(gè)人機(jī)通訊的圖形系統(tǒng)》博士學(xué)位論文。IvanE.Sutherland1.5.1陰極射線管CRT1.5.4光柵掃描顯示器1.5.7三維顯示器1.5圖形顯示器的發(fā)展及其工作原理

CRT（CathodeRayTube），是光柵掃描顯示器的顯示部件，其功能與電視機(jī)的顯像管類似，主要是由電子槍、聚焦系統(tǒng)、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光粉層和玻璃外殼五大部分組成。1.5.1陰極射線管CRT電子槍聚焦系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)熒光屏電子束蔭罩1.5.1-陰極射線管電子槍是由燈絲、陰極、控制柵組成。黑白CRT中只有一支電子槍。彩色CRT中有紅綠藍(lán)三支電子槍。有的顯示器的電子槍是單槍三束。CRT通電后燈絲發(fā)熱，陰極被激發(fā)射出電子，電子受到控制柵的調(diào)節(jié)形成電子束。電子束經(jīng)聚焦系統(tǒng)聚焦后以高速轟擊到熒光屏上，熒光粉層被激發(fā)后發(fā)出輝光形成一個(gè)光點(diǎn)。CRT偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以控制電子束在指定的位置上轟擊熒光屏，整個(gè)熒光屏依次掃描完畢后，圖像顯示完成。由于熒光粉具有余輝特性——電子束停止轟擊熒光屏后，熒光粉的亮度并不是立即消失，而是按指數(shù)規(guī)律衰減，圖像逐漸變暗，為了得到亮度穩(wěn)定的圖像，電子槍需要不斷地根據(jù)幀緩沖的內(nèi)容轟擊熒光屏，反復(fù)重繪同一幅圖像，即不斷刷新屏幕。第一代：隨機(jī)掃描顯示器第二代：直視存儲(chǔ)管顯示器第三代：光柵掃描顯示器1.5-圖形顯示器的發(fā)展1.5.2隨機(jī)掃描顯示器20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)并得到推廣使用的圖形顯示器是隨機(jī)掃描（RandomScan，RS）顯示器。隨機(jī)掃描顯示器的電子束的定位和偏轉(zhuǎn)具有隨機(jī)性，電子束不進(jìn)行全屏掃描，其軌跡隨圖像的定義而變化，只在需要的地方轟擊熒光屏。圖像的定義是存放在文件存儲(chǔ)器中的一組畫線命令。隨機(jī)掃描顯示器周期性地讀取畫線命令，依次在屏幕上畫出線條，當(dāng)所有的畫線命令都執(zhí)行完畢后，圖像就顯示出來。這時(shí)隨機(jī)掃描顯示器又返回到第一條命令行進(jìn)行屏幕刷新。隨機(jī)掃描顯示器可以直接按指定路徑畫線，所畫直線光滑沒有鋸齒，因而圖像清晰，主要用于顯示高質(zhì)量的圖像。隨機(jī)掃描顯示器也稱作矢量顯示器，屬于畫線設(shè)備，不能顯示有陰影的圖像。隨機(jī)掃描顯示器演示1.5.3直視儲(chǔ)存管顯示器70年代后期發(fā)展了利用CRT本身來存儲(chǔ)信息，而且不再需要刷新屏幕的顯示器，這就是直視儲(chǔ)存管顯示器（DirectViewStorageTube，DVST）。DVST使用緊貼在熒光層后的存儲(chǔ)柵的電荷分布來存儲(chǔ)圖形。DVST使用兩支電子槍，一支是寫電子槍，用來存儲(chǔ)圖形；另一支是讀電子槍，用來圖形顯示。從表面上看DVST極象是一個(gè)長(zhǎng)余輝的CRT，一條線一旦畫在屏幕上，在一小時(shí)之內(nèi)都將是可見的。這種顯示器的電子束不是直接打在熒光屏上，而是先用寫入電子槍將圖像信息以正電荷“寫”在一個(gè)每英寸有250條細(xì)絲的存儲(chǔ)柵上。讀電子槍發(fā)出的電子流再把存儲(chǔ)柵上的圖像“重寫”在屏幕上。緊靠著存儲(chǔ)柵后面的是收集柵，主要作用是使讀出的電子流均勻，并以垂直方向射向屏幕。讀電子槍發(fā)出的電子流以低速流經(jīng)收集柵，并被吸引到存儲(chǔ)柵上存有圖像信息的正電荷上去，而存儲(chǔ)柵上的非正電荷部分則被排斥。被吸引過去的電子直接通過存儲(chǔ)柵并轟擊熒光粉形成圖像。直視儲(chǔ)存管顯示器演示1.5.4光柵掃描顯示器

由于光柵掃描顯示器電子束的強(qiáng)度可以不斷變化，所以容易生成顏色連續(xù)變化的真實(shí)感圖像。光柵掃描顯示器是畫點(diǎn)設(shè)備，可看作是一個(gè)點(diǎn)陣單元發(fā)生器，并可控制每個(gè)點(diǎn)陣單元的亮度，這些點(diǎn)陣單元被稱為像素（PictureElement，Pixel）。像素1.5.5屏幕分辨率

屏幕縱橫比（AspectRatio）:顯示設(shè)備中顯示圖像的橫向尺寸與縱向尺寸的比例，最常見的為4:3，目前的高清晰度電視和一些新型顯示設(shè)備采用了16:9。800×6001024×768800/600=1024/768＝4/31.5.6-不走樣直線

在繪制水平，垂直直線及對(duì)角線時(shí)，像素點(diǎn)集在直線路徑上的位置是準(zhǔn)確的，稱為不走樣直線。1.5.6-走樣直線

點(diǎn)陣形成的斜線呈階梯狀，形成鋸齒線，這稱為直線的走樣。1.5.6-走樣直線1.5.6反走樣直線

光柵顯示器為了在能整個(gè)屏幕上顯示出圖形，電子束需要從屏幕的左上角開始，沿著水平方向從左至右勻速地掃描，一直掃描到屏幕的右下角，顯示出一幀圖像。1.5.7-掃描線1.5.7-掃描線像素點(diǎn)掃描線1.5.8–陰罩式顯示器陰罩式顯示器1.5.8-蔭罩式彩色CRT的熒光點(diǎn)圖案1.5.8-蔭罩板

如果屏幕上每個(gè)像素的顏色只用一位（Bit）表示，其值非0即1，屏幕只能顯示黑白二色圖像，稱為黑白顯示器，此時(shí)幀緩沖器只有一個(gè)位面。如果屏幕分辨率為1024×768，則黑白顯示器的幀緩沖容量是1024×768×1＝786,432位1.5.9-位面1.5.9-1個(gè)位面位面一位面幀緩沖器1.5.9-8個(gè)位面

如果每個(gè)像素的顏色可以用一個(gè)字節(jié)（Byte）表示，幀緩沖器需要用八個(gè)位面，可表示256種灰度，稱為灰度顯示器。如屏幕分辨率為1024×768，則灰度顯示器的幀緩沖的容量是1024×768×8＝6,291,456位。

1.5.9-8個(gè)位面八位面幀緩沖器位面1.5.9-24個(gè)位面

如果每個(gè)像素用R、G、B三原色混合表示，其中每種原色分別用一個(gè)字節(jié)表示，各對(duì)應(yīng)一把電子槍，每種顏色可有256種亮度，三種顏色的組合是224顏色，共有二十四個(gè)位面。

如屏幕分辨率為1024×768，則彩色顯示器的幀緩沖的容量是1024×768×8×3＝18,874,368位24個(gè)位面幀緩沖器

1.5.9-索引色

為了進(jìn)一步提高顏色的種類，控制幀緩沖的增加，可把幀緩沖中的位面號(hào)作為顏色索引表的索引號(hào)，為每組原色配置一個(gè)顏色索引表，顏色索引表有256項(xiàng)，每一項(xiàng)具有w位字寬，當(dāng)w大于8時(shí)，如w＝10，可以有210種亮度等級(jí)，但每次只能有256種不同的亮度等級(jí)可用，這種顏色稱為索引色。在本書后續(xù)的程序中，將使用COLORREFRGB(BYTEbRed，BYTEbGreen，BYTEbBlue)宏定義顏色。

一個(gè)像素的參數(shù)為位置坐標(biāo)（x,y）和顏色值Color1.5.11-顯示器的種類CRT顯示器（CathodeRayTube，CRT）等離子顯示器（PlasmaDisplayPanel，PDP）液晶顯示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）CRT LCD PDP1.5.12三維顯示器二維顯示器上觀看三維圖像的方法坐標(biāo)變換方法三維立體顯示方法立體眼鏡方法立體攝影方法三維立體畫方法三維顯示器1.5.12-坐標(biāo)變換方法

這是目前光柵掃描顯示器顯示三維圖像的主流技術(shù)，通過坐標(biāo)變換可以將三維點(diǎn)（x，y，z）變換為屏幕設(shè)備坐標(biāo)點(diǎn)（x，y）。這種通過三維坐標(biāo)系向二維坐標(biāo)系的投影變換生成的三維圖像稱為準(zhǔn)三維圖像。1.5.12-立體眼鏡方法紅綠立體1.5.12-立體攝影方法立體照片需要佩戴互補(bǔ)色眼鏡觀看1.5.12-三維立體畫方法三維立體畫生成原理1.5.12-三維立體畫方法“博創(chuàng)圖標(biāo)”三維立體畫1.5.12-三維顯示器

不需要佩戴任何3D眼鏡就可以觀察到具有三維立體效果的圖像1.6圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)的形成1974年，美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)圖形學(xué)專業(yè)委員會(huì)召開了一個(gè)“與機(jī)器無關(guān)的圖形技術(shù)”工作會(huì)議，提出了圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化問題。ISO批準(zhǔn)的第一個(gè)圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)軟件：圖形核心系統(tǒng)（GraphicsKernalSystem，GKS），它是二維圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)1988年，ISO批準(zhǔn)的第二個(gè)圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)軟件：GKS3D。它是三維圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)。1.6圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)的形成

1986年，ISO又公布了第二個(gè)圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)：程序員級(jí)的分層結(jié)構(gòu)交互圖形系統(tǒng)（Programmer’sHierarchicalInteractiveSystem，PHIGS）。

PHIGS是對(duì)GKS的擴(kuò)充，增加的功能有對(duì)象建模、彩色設(shè)定、表面繪制和圖形管理等。此后，PHIGS的擴(kuò)充稱為PHIGS＋

1.6圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)的形成

進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后存在著一些事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，如SGI公司開發(fā)的OpenGL（OpenGraphicsLibrary）開放式三維圖形標(biāo)準(zhǔn)微軟公司為PC游戲開發(fā)的應(yīng)用程序接口標(biāo)準(zhǔn)DirectX等1.7計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的最新技術(shù)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的最新技術(shù)主要體現(xiàn)在三維實(shí)體造型上。對(duì)于三維模型可以按照給定的視點(diǎn)和視向進(jìn)行觀察和消隱，也可以執(zhí)行投影變換獲得相應(yīng)的二維圖形。為了繪制具有真實(shí)感的三維圖形，還需要采用適當(dāng)?shù)墓庹漳Ｐ停M物體在現(xiàn)實(shí)世界的光照效果。構(gòu)造一個(gè)三維實(shí)體需要人機(jī)交互技術(shù)、實(shí)體造型技術(shù)和真實(shí)感圖形顯示技術(shù)相互結(jié)合。1.7計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的最新技術(shù)1.7.1基于幾何的繪制技術(shù)

1.7.2基于圖像的繪制技術(shù)1.7.3基于幾何和圖像的混合建模方法80年代：建模技術(shù)model＋繪制技術(shù)render本世紀(jì)：真實(shí)感圖形＋實(shí)時(shí)技術(shù)問題：虛擬現(xiàn)實(shí)中圖像的繪制速度。思路：損失一定的圖像質(zhì)量來達(dá)到實(shí)時(shí)方法：LOD（LevelofDetail）IBR（ImagebasedRendering）1.7.1基于幾何的繪制技術(shù)（ModelBasedRendering）利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，對(duì)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行抽象，從而建立三維場(chǎng)景模型，然后利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景模型的繪制、著色、消隱、光照以及投影等處理過程，最終生成給定的視點(diǎn)和視方