計(jì)算機(jī)圖形學(xué)講義

第一章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述李健陜西科技大學(xué)電信學(xué)院計(jì)算機(jī)系lijianjsj@

2/4/20231本講的主要內(nèi)容1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本概念1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用1.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的熱點(diǎn)技術(shù)1.5圖形設(shè)備1.6關(guān)于該課程的學(xué)習(xí)2/4/20232計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究怎樣利用計(jì)算機(jī)來顯示、生成和處理圖形的原理、方法和技術(shù)的一門學(xué)科。IEEE定義：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)中最為活躍、得到廣泛應(yīng)用的分支之一。什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)？2/4/20233圖形：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對(duì)象通常意義下的圖形：能夠在人的視覺系統(tǒng)中形成視覺印象的客觀對(duì)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）2/4/20234圖形：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對(duì)象計(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。2/4/20235圖形：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對(duì)象兩類圖形要素：

1.幾何要素：點(diǎn)，線，面，體等；

2.非幾何要素：明暗，灰度，色彩等計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中所研究的圖形：從客觀世界物體中抽象出來的帶有顏色及形狀信息的圖和形。2/4/20236計(jì)算機(jī)中表示圖形的方法圖形的兩種表示方法：點(diǎn)陣法是用具有顏色信息的點(diǎn)陣來表示圖形的一種方法，它強(qiáng)調(diào)圖形由哪些點(diǎn)組成，并具有什么灰度或色彩。參數(shù)法是以計(jì)算機(jī)中所記錄圖形的形狀參數(shù)與屬性參數(shù)來表示圖形的一種方法。圖形（Graphics）通常把參數(shù)法描述的圖形圖象（Image）把點(diǎn)陣法描述的圖形叫做點(diǎn)陣表示2/4/20237

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容如何在計(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，構(gòu)成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容。包括：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)感圖形計(jì)算與顯示算法，科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。2/4/20238歸納為：圖形的輸入如何開發(fā)利用圖形輸入設(shè)備及軟件將圖形輸入到計(jì)算機(jī)中去，以便作各種處理。圖形的處理包括對(duì)圖形進(jìn)行變換(幾何變換，投影變換)和運(yùn)算（集合運(yùn)算），著色，形變等……圖形的輸出如何將圖形特定的表示形式轉(zhuǎn)換成圖形輸出系統(tǒng)便于接受的表示形式，并將圖形在顯示屏、打印機(jī)繪圖機(jī)等輸出設(shè)備上輸出。2/4/20239本課程不會(huì)講到…任何軟件的應(yīng)用，包括Photoshop,CorelDraw,Flash,etc3DSMAX,Maya,etcAutoCAD,etc藝術(shù)設(shè)計(jì)游戲設(shè)計(jì)OpenGL&DirectX的開發(fā)圖像、視頻處理2/4/202310計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與相關(guān)學(xué)科數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型圖像生成（計(jì)算機(jī)圖形學(xué)）模型（特征）提?。ㄓ?jì)算機(jī)視覺，模式識(shí)別）圖像變換（圖像處理）模型變換（計(jì)算幾何）計(jì)算幾何：研究幾何形體在計(jì)算機(jī)中的表示；分析、研究怎樣建立幾何形體的數(shù)學(xué)模型；研究曲線、曲面的表示、生成、拼接。圖像處理：研究如何對(duì)數(shù)字圖像做各種變換以方便處理；如何濾波；如何壓縮圖像數(shù)據(jù)；圖像邊緣提取，特征增強(qiáng)。計(jì)算機(jī)視覺：圖形學(xué)的逆過程，分析和識(shí)別輸入的圖像并從中提取二維或三維的數(shù)據(jù)模型（特征）。如手寫體識(shí)別、機(jī)器視覺。發(fā)展特點(diǎn):交叉、界線模糊、相互滲透2/4/202311計(jì)算機(jī)圖形學(xué)2/4/202312圖像處理原圖片2/4/202313計(jì)算幾何2/4/202314計(jì)算機(jī)視覺2/4/202315浙江大學(xué)工程及計(jì)算機(jī)圖學(xué)所與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的學(xué)科

圖像信號(hào)CG計(jì)算機(jī)視覺和模式識(shí)別特征數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)數(shù)字圖象處理試圖從非圖象形式的數(shù)據(jù)描述來生成（逼真的）圖象旨在對(duì)圖象進(jìn)行各種加工以改善圖象的視覺效果研究用計(jì)算機(jī)來模擬生物外顯或宏觀視覺功能的科學(xué)和技術(shù)分析、研究怎樣靈活方便地建立幾何形體的數(shù)學(xué)模型，提高算法效率，在計(jì)算機(jī)內(nèi)更好地存儲(chǔ)和管理這些模型等。研究曲線、曲面的表示、生成、拼接、數(shù)據(jù)擬合CAD/CAGD…2/4/2023161.2

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史50年代1950年，第一臺(tái)圖形顯示器作為美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）旋風(fēng)I號(hào)（WhirlwindI）計(jì)算機(jī)的附件誕生了，它類似于示波器的CRT來顯示簡(jiǎn)單圖形。--CRT的出現(xiàn)為計(jì)算機(jī)生成和顯示圖形提供了可能1958年，美國(guó)Calcomp公司由聯(lián)機(jī)的數(shù)字記錄儀發(fā)展成滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數(shù)控機(jī)床發(fā)展成為平板式繪圖儀50年代末期，MIT的林肯實(shí)驗(yàn)室在“旋風(fēng)”計(jì)算機(jī)上開發(fā)SAGE空中防御體系，通過光筆在屏幕上指點(diǎn)與系統(tǒng)交互。--標(biāo)志著交互式圖形技術(shù)的誕生2/4/20231760年代1962年，雷諾汽車公司的工程師PierreBézier

提出Bézier曲線、曲面的理論1963年，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的IvanSutherland發(fā)表了題為“Sketchpad：一個(gè)人機(jī)交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文，提出了基本交互技術(shù)、圖元分層表示概念及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。確定了交互圖形學(xué)作為一個(gè)學(xué)科分支的地位。Sutherland本人也被公認(rèn)為圖形學(xué)之父。

1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了超限插值的新思想，通過插值四條任意的邊界曲線來構(gòu)造曲面。2/4/20231870年代光柵圖形學(xué)迅速發(fā)展區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應(yīng)算法紛紛誕生圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化1974年，ACMSIGGRAPH的與“與機(jī)器無關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會(huì)議ACM成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，制定“核心圖形系統(tǒng)”（CoreGraphicsSystem）ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS等標(biāo)準(zhǔn)。2/4/202319真實(shí)感圖形學(xué)1970年，Bouknight提出了第一個(gè)光反射模型1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理1975年，Phong提出了著名的簡(jiǎn)單光照模型-Phong模型實(shí)體造型技術(shù)英國(guó)劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng)美國(guó)羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)2/4/20232080年代1980年Whitted提出了一個(gè)光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例。1984年，美國(guó)Cornell大學(xué)和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，提出基于輻射度的圖形繪制方法。圖形硬件和各個(gè)分支均在這個(gè)時(shí)期飛速發(fā)展2/4/202321提高增強(qiáng)期（90年代）

90年代：微機(jī)和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化多媒體技術(shù)、人工智能、科學(xué)計(jì)算可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)三維造型技術(shù)總體特征：技術(shù)發(fā)展、需求驅(qū)動(dòng)2/4/202322小知識(shí)：IvanSutherland1938年5月16日，出生于美國(guó)內(nèi)布拉斯加州。在MIT導(dǎo)師Shannon的指導(dǎo)下，進(jìn)行了圖形編程的開發(fā)，作為他博士研究的一部分。作為著名的科學(xué)家，ClaudeShannon以前是不會(huì)和一個(gè)研究生共同工作的。Sutherland的計(jì)算機(jī)編程，被稱為Sketchpad，是第一個(gè)可以在顯示屏幕上直接構(gòu)造圖形圖像的系統(tǒng)，不用再通過鍵盤向計(jì)算機(jī)輸入代碼和公式。1964年成為ARPA的信息處理技術(shù)辦公室主任。1966年到哈佛大學(xué)擔(dān)任電子工程專業(yè)的副教授。在哈佛，Sutherland開始研究通過把用戶放入計(jì)算機(jī)生成的三維世界中進(jìn)一步集成人腦與計(jì)算機(jī)的可能性。這一方案的實(shí)現(xiàn)是通過在戴在用戶頭上的雙目眼鏡內(nèi)的小計(jì)算機(jī)屏幕上放映圖像而完成的——這就是第一臺(tái)頭盔式顯示器。2/4/202323小知識(shí)：IvanSutherland1968年，猶他大學(xué)電子工程教授。同時(shí)創(chuàng)立了Evans&Sutherland，如今已成為業(yè)內(nèi)的主導(dǎo)設(shè)計(jì)者和制造商。1975年，離開猶他大學(xué)和Evans&Sutherland，返回加州理工學(xué)院擔(dān)任計(jì)算機(jī)科學(xué)系的系主任。1980年離開加州理工，建立了Sutherland,Sproull,andAssociates，一個(gè)顧問和資本投資公司，即現(xiàn)今Sun微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的五家伙伴公司之一。1988年獲得A.M.圖靈獎(jiǎng)（A.M.TuringAward）。Sketchpad，1963

頭盔式顯示器，1967“達(dá)摩克利斯之劍”2/4/202324ACMSIGGRAPH會(huì)議小知識(shí)全稱：美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)圖形學(xué)專業(yè)委員會(huì)，“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”60年代中期，由Brown大學(xué)的教授AndriesvanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa發(fā)起1974年，在Colorado大學(xué)召開了第一屆SIGGRAPH年會(huì)，并取得了巨大的成功每年只錄取大約80篇論文，而參加人數(shù)達(dá)幾萬人開設(shè)大量的相關(guān)課程，進(jìn)行研究和應(yīng)用培訓(xùn)2/4/202325硬件的發(fā)展圖形顯示器的發(fā)展60年代中期：畫線顯示器（亦稱矢量顯示器）。需要不停的刷新，設(shè)備昂貴，限制普及。60年代末，存儲(chǔ)管式顯示器70年代初，刷新式光柵掃描顯示器出現(xiàn)，大大地推動(dòng)了交互式圖形技術(shù)的發(fā)展。以點(diǎn)陣形式表示圖形，使用專用的緩沖區(qū)存放點(diǎn)陣，由視頻控制器負(fù)責(zé)刷新掃描2/4/202326硬件的發(fā)展

打印設(shè)備的發(fā)展EpsonLX-800(1980s)EPSONStylusPhoto950(2005)1959年，美國(guó)Calcomp公司研制出的世界上第一臺(tái)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。PloterHP3500CP2/4/202327圖形輸入設(shè)備的發(fā)展第一階段：控制開關(guān)、穿孔紙等等第二階段：鍵盤第三階段：二維定位設(shè)備，如鼠標(biāo)、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等，第四階段：三維輸入設(shè)備（如空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣），用戶的手勢(shì)、語音表情等等第五階段：用戶的思維？？？（萌芽已經(jīng)產(chǎn)生了?。。?/4/202328計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展硬設(shè)備的發(fā)展2/4/202329硬件的發(fā)展

“大腦芯片”解碼意念信號(hào)美國(guó)布朗大學(xué)在一名嚴(yán)重癱瘓的男子的大腦中植入了一枚電子芯片，當(dāng)他想要移動(dòng)他的胳膊的時(shí)候，芯片就把信號(hào)轉(zhuǎn)送給電腦，電腦就在顯示屏上移動(dòng)光標(biāo)。試驗(yàn)中，從頸部以下完全癱瘓的這名病人能夠做一些簡(jiǎn)單的事情，比如控制電視無需將芯片植入大腦感應(yīng)帽便可讀出人的思想美國(guó)紐約大學(xué)的研究人員發(fā)明“感應(yīng)帽”，即在一個(gè)頭盔上安裝64個(gè)電極，這些電極可以從大腦皮層靈敏地捕捉到大腦發(fā)出的信號(hào)。已有4名試驗(yàn)者在經(jīng)過一段時(shí)間訓(xùn)練后可以通過思想來操縱電腦顯示器的光標(biāo)。2/4/202330圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)形成

三種類型的計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)：用某種語言寫成的子程序包(圖形庫)GKS(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicssystem)GL，DirectXDraw&DirectX3D便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對(duì)較慢，效率低

擴(kuò)充計(jì)算機(jī)語言，使其具有圖形生成和處理的功能TurboPascal、TurboC，AutoLisp等。簡(jiǎn)練、緊湊、執(zhí)行速度快，但不可移植專用圖形系統(tǒng)：效率高，但系統(tǒng)開發(fā)量大，可移植性差2/4/202331通用的、與設(shè)備無關(guān)的圖形包，圖形標(biāo)準(zhǔn)GKS(GraphicsKernelSystem)，第一個(gè)官方標(biāo)準(zhǔn)，1977PHIGS(Programmer’s

HerarchicalInteractiveGraphicssystem),1988一些非官方圖形軟件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)界，成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)DirectX(MS)OpenGL(SGI)Xlib(X-Window系統(tǒng))Adobe公司Postscript趨勢(shì):開放式、高效率2/4/2023321.3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（CAD/CAM）CAD/CAM是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域飛機(jī)、汽車、船舶的外形的設(shè)計(jì)發(fā)電廠、化工廠等的布局土木工程、建筑物的設(shè)計(jì)電子線路、電子器件的設(shè)計(jì)2/4/202333波音公司的CAD案例波音飛機(jī)的設(shè)計(jì)：龐大的波音777飛機(jī)有300萬個(gè)部件，其設(shè)計(jì)過程卻沒有使用過一張圖紙，也沒有做任何1比1模型，全部都在電腦系統(tǒng)中模擬完成。專業(yè)人員可在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行三維模擬設(shè)計(jì)。利用數(shù)字軟件，波音777的300萬個(gè)零部件的尺寸和形狀數(shù)據(jù)在工作開始時(shí)就被存入了數(shù)據(jù)庫。設(shè)計(jì)人員在需要時(shí)，可隨時(shí)從部件數(shù)據(jù)庫中尋找匹配的部件，無需重新設(shè)計(jì)。據(jù)計(jì)算，應(yīng)用這樣的方法可使飛機(jī)設(shè)計(jì)效率提高約3倍。2/4/202334圖形用戶界面人機(jī)界面（HCI）：介于人與計(jì)算機(jī)之間，人與機(jī)器的通信。用戶接口是人們使用計(jì)算機(jī)的第一觀感。一個(gè)友好的圖形化的用戶界面能夠大大提高軟件的易用性發(fā)展：由指示燈和機(jī)械開關(guān)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(shè)備和光柵圖形顯示設(shè)備構(gòu)

成的圖形用戶界面（90年代）VR技術(shù)（發(fā)展方向）2/4/202335圖形學(xué)已經(jīng)全面融入HCI的方方面面，很多軟件幾乎可以不看任何說明書，而根據(jù)它的圖形、或動(dòng)畫界面的指示進(jìn)行操作，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)界面是建立在以前的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究基礎(chǔ)上的。目前幾個(gè)大的軟件公司都在研究下一代用戶界面，開發(fā)面向主流應(yīng)用的、自然、高效多通道的用戶界面。研究多通道語義模型、多通道整合算法及其軟件結(jié)構(gòu)和界面范式是當(dāng)前用戶界面和接口方面研究的主流方向，而圖形學(xué)在其中起主導(dǎo)作用。2/4/202336地理信息系統(tǒng)（GIS）建立在地理圖形之上的關(guān)于各種資源的綜合信息管理系統(tǒng)1998年，美國(guó)前副總統(tǒng)戈?duì)柼岢鰯?shù)字地球概念。以地形數(shù)據(jù)作為載體，全球信息化.軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查2/4/202337美國(guó)UCLA城市仿真小組：虛擬洛杉磯深圳規(guī)劃國(guó)土局：虛擬深圳2/4/202338VRSystemGISInternetDigitalEarthGISdatabaseTexturefileDEMserverCADsystem模型導(dǎo)入

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DataSourcesConnectorLayer2/4/202339計(jì)算機(jī)藝術(shù)二維交互式繪圖：Coreldraw,Photoshop相片真實(shí)感模擬與自然物體仿真技術(shù)三維建模和渲染軟件包：3DSMAX,Maya分形藝術(shù)2/4/202340早期：簡(jiǎn)單的二維交互式繪圖(PhotoShop,Flash,CorelDraw)優(yōu)點(diǎn)：提供多種風(fēng)格的畫筆畫刷提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對(duì)圖象進(jìn)行霧化，變形等操作可以任意修改，取消敗筆不足：無法達(dá)到傳統(tǒng)繪畫中風(fēng)格化的藝術(shù)效果很難得到有素描效果、油畫效果的藝術(shù)品2/4/202341非真實(shí)感繪制（NPR，Non-PhotorealisticRendering）用于模擬藝術(shù)效果，研究方法有別于真實(shí)感圖形學(xué)鋼筆素描的生成鋼筆素描產(chǎn)生于中世紀(jì)，從19世紀(jì)開始成為一門藝術(shù)，20世紀(jì)90年代開始研究用計(jì)算機(jī)模擬。GeorgesWinkenbach繪制的壺和碗(Siggraph’96)Salisbury繪制的茶壺(Siggraph’97)2/4/202342Salisbury繪制的熊(Siggraph’97)OliverDeussen繪制的素描樹(Siggraph’2000)2/4/202343中國(guó)國(guó)畫與書法的生成2/4/202344科學(xué)計(jì)算可視化海量的數(shù)據(jù)使得人們對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來越難，用圖形來表示數(shù)據(jù)的迫切性與日俱增1986年，美國(guó)科學(xué)基金會(huì)（NSF）專門召開了一次研討會(huì)，會(huì)上提出了“科學(xué)計(jì)算可視化（VisualizationinScientificComputing）”科學(xué)計(jì)算可視化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、有限元分析、氣象分析當(dāng)中。2/4/202345在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途是機(jī)械手術(shù)和遠(yuǎn)程手術(shù)的基礎(chǔ)將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖象，幫助醫(yī)生判別病人體內(nèi)的患處由CT數(shù)據(jù)產(chǎn)生在人體內(nèi)漫游的圖象可視化的前沿與難點(diǎn)可視化硬件的研究實(shí)時(shí)的三維體繪制體內(nèi)組織的識(shí)別分割——Segmentation2/4/202346VirtualReality（虛擬現(xiàn)實(shí)、靈境）用計(jì)算機(jī)技術(shù)來生成一個(gè)逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對(duì)這一生成的虛擬世界客體進(jìn)行瀏覽和交互考察。2/4/202347在線虛擬現(xiàn)實(shí)VRMLQuickTimeVR2/4/2023481.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的熱點(diǎn)技術(shù)真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制自然景物仿真計(jì)算機(jī)動(dòng)畫造型技術(shù)2/4/202349真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制計(jì)算機(jī)中重現(xiàn)真實(shí)世界的場(chǎng)景叫做真實(shí)感繪制。真實(shí)感繪制的主要任務(wù)是模擬真實(shí)物體的物理屬性，簡(jiǎn)單的說就是物體的形狀，光學(xué)性質(zhì)，表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對(duì)位置，遮擋關(guān)系等等。研究?jī)?nèi)容：光照模型：簡(jiǎn)單光照模型；局部光照模型；整體光照模型繪制方法：光線跟蹤；輻射度2/4/202350物體網(wǎng)格模型的面片簡(jiǎn)化：對(duì)網(wǎng)格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內(nèi)，刪除點(diǎn)、邊、面，從而簡(jiǎn)化所繪制場(chǎng)景的復(fù)雜層度，加快圖形繪制速度基于圖象的繪制(IBR，ImageBasedRendering)：完全摒棄傳統(tǒng)的先建模，然后確定光源的繪制的方法。它直接從一系列已知的圖象中生成未知視角的圖象，適用于野外極其復(fù)雜場(chǎng)景的生成和漫游。真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制2/4/202351自然景物的模擬野外場(chǎng)景遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜于室內(nèi)場(chǎng)景，繪制難度更大，方法更趨多樣化主要繪制山、水、云、樹、草、火等等繪制火的粒子系統(tǒng)（ParticleSystem），基于生理模型的繪制植物的方法，繪制云的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)方法等2/4/202352由清華大學(xué)自然景物平臺(tái)生成的野外場(chǎng)景日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實(shí)感云2/4/202353Xfrog3.0生成的挪威云杉2/4/202354計(jì)算機(jī)動(dòng)畫計(jì)算機(jī)動(dòng)畫近十多年來取得了很大的發(fā)展，已滲透到人們生活的各個(gè)角落商業(yè)廣告、影視特技/片頭、動(dòng)畫片教育、軍事、飛行模擬等分類二維動(dòng)畫 圖象變形形狀混合三維動(dòng)畫關(guān)鍵幀動(dòng)畫變形物體的動(dòng)畫過程動(dòng)畫關(guān)節(jié)動(dòng)畫與人體動(dòng)畫2/4/202355基于特征的圖象變形2/4/202356Pixal3DBirdTheIncredibles2/4/202357造型技術(shù)規(guī)則形體：歐氏幾何方法不規(guī)則形體：分形幾何方法粒子系統(tǒng)紋理映射實(shí)體造型基于物理的造型基于圖像的造型2/4/2023582/4/2023592/4/2023602/4/2023611.5 圖形設(shè)備圖形顯示設(shè)備圖形輸出包括圖形的顯示和圖形的繪制，圖形顯示指的是在屏幕上輸出圖形圖形繪制通常指把圖形畫在紙上，也稱硬拷貝，打印機(jī)和繪圖儀是兩種最常用的硬拷貝設(shè)備2/4/202362彩色CRT顯示器CRT（CRTCathode－RayTube，陰極射線管）組成電子槍聚焦系統(tǒng)加速系統(tǒng)磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)2/4/202363CRT顯示器的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖燈絲(加熱)陰極(產(chǎn)生電子束)控制柵(調(diào)整強(qiáng)度)聚焦系統(tǒng)加速電極(高壓包)偏轉(zhuǎn)板水平偏轉(zhuǎn)垂直偏轉(zhuǎn)電子束熒光圖層2/4/202364顯示器工作原理高速的電子束由電子槍發(fā)出，經(jīng)過聚焦系統(tǒng)、加速系統(tǒng)和磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)就會(huì)到達(dá)熒光屏的特定位置。由于熒光物質(zhì)在高速電子的轟擊下會(huì)發(fā)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)很不穩(wěn)定，在很短的時(shí)間內(nèi)熒光物質(zhì)的電子會(huì)從高能態(tài)重新回到低能態(tài)，這時(shí)將發(fā)出熒光，屏幕上的那一點(diǎn)就會(huì)亮了由于余暉時(shí)間有限，所以要保持顯示一幅穩(wěn)定的畫面，必須不斷地發(fā)射電子束。2/4/202365電平控制器(控制柵)是用來控制電子束的強(qiáng)弱的，當(dāng)加上正電壓時(shí)，電子束就會(huì)大量通過，將會(huì)在屏幕上形成較亮的點(diǎn)，當(dāng)控制電平加上負(fù)電壓時(shí)，依據(jù)所加電壓的大小，電子束被部分或全部阻截，通過的電子很少，屏幕上的點(diǎn)也就比較暗。聚焦系統(tǒng)是一個(gè)電透鏡，能使眾多的電子聚集于一點(diǎn)。加速電極使電子達(dá)到轟擊激發(fā)熒光屏應(yīng)有的速度。最后由磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)來達(dá)到指定位置。2/4/202366偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制電子束，使其在熒光屏的適當(dāng)位置繪圖。要到達(dá)屏幕的邊緣時(shí)，偏轉(zhuǎn)角度就會(huì)增大。到達(dá)屏幕最邊緣的偏轉(zhuǎn)角度被稱為最大偏轉(zhuǎn)角CRT顯示器屏幕越大，要求最大偏轉(zhuǎn)角越大，則整個(gè)顯象管就越長(zhǎng)刷新頻率刷新一次是指電子束從上到下掃描一次的過程刷新頻率高到一定值后，圖象才能穩(wěn)定顯示2/4/202367電子束掃描過程示意圖掃描線垂直回掃2/4/202368隔行掃描與逐行掃描有些掃描速度較慢的顯示器，為了能得到好的顯示效果，采用一種叫隔行掃描的技術(shù)。首先從第0行開始，每隔一行掃描，將偶數(shù)行都掃描完畢垂直回掃后，電子束從第1行開始掃描所有奇數(shù)行。這樣的技術(shù)相當(dāng)于將掃描頻率加倍，比如逐行掃描30Hz人們會(huì)覺得閃爍，但是同樣的掃描頻率，如果用隔行掃描技術(shù)人們就不會(huì)覺得閃爍。掃描線垂直回掃2/4/202369熒光屏是最終顯示圖形的部件。電子束打在熒光屏上，產(chǎn)生光點(diǎn)。電子束的強(qiáng)弱決定了光點(diǎn)的亮度。CRT在水平方向和垂直方向上能識(shí)別的最大光點(diǎn)數(shù)稱為分辨率。光點(diǎn)也稱為像素(Pixel)。常見的分辨率有640×480,1024×768,1024*1024,1280*1024等。2/4/202370彩色CRT顯示器早期：射線穿透法影孔板法彩色CRT顯示器的熒光屏上涂有三種熒光物質(zhì)，它們分別能發(fā)紅、綠、蘭三種顏色的光。而電子槍也發(fā)出三束電子束來激發(fā)這三種物質(zhì)，中間通過一個(gè)控制柵格來決定三束電子到達(dá)的位置。三束電子經(jīng)過蔭罩的選擇，分別到達(dá)三個(gè)熒光點(diǎn)的位置。通過控制三個(gè)電子束的強(qiáng)弱就能控制屏幕上點(diǎn)的顏色。2/4/202371蔭罩式彩色CRT顯色原理2/4/202372三束電子經(jīng)過蔭罩的選擇，分別到達(dá)三個(gè)熒光點(diǎn)的位置。通過控制三個(gè)電子束的強(qiáng)弱控制屏幕上點(diǎn)的顏色。如將紅、綠兩個(gè)電子槍關(guān)了，屏幕上就只顯示蘭色了。如果每一個(gè)電子槍都有256級(jí)（8位）的強(qiáng)度控制，那么這個(gè)顯象管所能產(chǎn)生的顏色就是我們平時(shí)所說的24位真彩色了。VC編程中的顏色控制“0xFF8800”2/4/202373平面顯示器熒光屏為完全平面，大大提高了圖形的顯示質(zhì)量。由于玻璃的折射，屏幕會(huì)產(chǎn)生內(nèi)凹的現(xiàn)象，但是通過一定的補(bǔ)償技術(shù)，就能產(chǎn)生真正平面的感覺。由于平面顯示器的高清晰度、低失真以及對(duì)人眼的低傷害，已經(jīng)越來越得到人們的喜愛。2/4/202374LCD顯示器CRT固有的物理結(jié)構(gòu)限制了它向更廣的顯示領(lǐng)域發(fā)展屏幕的加大必然導(dǎo)致顯象管的加長(zhǎng)，顯示器的體積必然要加大，在使用時(shí)候就會(huì)受到空間的限制CRT顯示器是利用電子槍發(fā)射電子束來產(chǎn)生圖像，容易受電磁波干擾長(zhǎng)期電磁輻射會(huì)對(duì)人們健康產(chǎn)生不良影響LCD顯示器的優(yōu)點(diǎn)外觀小巧精致，厚度只有6.5~8cm左右。不會(huì)產(chǎn)生CRT那樣的因?yàn)樗⑿骂l率低而出現(xiàn)的閃爍現(xiàn)象工作電壓低，功耗小，節(jié)約能源沒有電磁輻射，對(duì)人體健康沒有任何影響2/4/202375兩款LCD(SONY)2/4/202376LCD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(zhì)，它具有液體的流態(tài)性質(zhì)和固體的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)液晶受到電壓的影響時(shí)，就會(huì)改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變，此時(shí)通過它的光的折射角度就會(huì)發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩。液晶屏幕后面有一個(gè)背光，這個(gè)光源先穿過第一層偏光板，再來到液晶體上，而當(dāng)光線透過液晶體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光線的色澤改變，從液晶體射出來的光線，還得必須經(jīng)過一塊彩色濾光片以及第二塊偏光板。2/4/202377液晶顯示有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種被動(dòng)式液晶屏幕有STN（SuperTN超扭曲向列LCD）和DSTN（DoublelayerSuperTN雙層超扭曲向列LCD）等最流行的主動(dòng)式液晶屏幕是TFT（ThinFilmTransistor薄膜晶體管）主動(dòng)式液晶顯示器使用了FET場(chǎng)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(dòng)式液晶顯示器就不會(huì)產(chǎn)生在被動(dòng)式液晶顯示器中常見的鬼影、或是畫面延遲的殘像等2/4/202378LCD顯示器的基本指標(biāo)可視角度視線與屏幕中心法向成一定角度時(shí)，人們就不能清晰地看到屏幕圖象，而那個(gè)能看到清晰圖象的最大角度被我們稱為可視角度。一般所說的可視角度是指左右兩邊的最大角度相加。工業(yè)上有CR10（ContrastRatio）、CR5兩種標(biāo)準(zhǔn)來判斷液晶顯示器的可視角度。點(diǎn)距與分辨率液晶屏幕的點(diǎn)距就是兩個(gè)液晶顆粒（光點(diǎn)）之間的距離，一般0.28~0.32mm就能得到較好的顯示效果通常所說的液晶顯示器的分辨率是指其真實(shí)分辨率，表示水平方向的像素點(diǎn)數(shù)與垂直方向的像素點(diǎn)數(shù)的乘積2/4/202379圖形處理器(GPU)圖形處理器是圖形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要元件，是連接計(jì)算機(jī)和顯示終端的紐帶。早期的圖形處理器只包含簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)器和幀緩沖區(qū)，它們實(shí)際上只起了一個(gè)圖形的存儲(chǔ)和傳遞作用，一切操作都必須有CPU來控制?，F(xiàn)在的圖形處理器不單單存儲(chǔ)圖形，而且能完成大部分圖形函數(shù)，專業(yè)的圖形卡已經(jīng)具有很強(qiáng)的3D處理能力，大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，提高了顯示質(zhì)量和顯示速度。RADEONX800制作工藝：0.13Micron晶體管：160Million2/4/202380圖形處理器的組成顯示主芯片顯卡的核心，俗稱GPU，它的主要任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)輸入的視頻信息進(jìn)行構(gòu)建和渲染顯示緩存用來存儲(chǔ)將要顯示的圖形信息以及保存圖形運(yùn)算的中間數(shù)據(jù)顯存的大小和速度直接影響著主芯片性能的發(fā)揮數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（RAMDAC）它的作用就是把二進(jìn)制的數(shù)字轉(zhuǎn)換成為和顯示器相適應(yīng)的模擬信號(hào)2/4/202381幀緩存(!)存儲(chǔ)將要顯示的圖形信息：屏幕每象素的色彩不同的顯示器設(shè)置，幀緩存不同屏幕幀緩存記錄屏幕每象素的色彩周期性讀取(按刷新率)計(jì)算OS應(yīng)用程序2/4/202382幀緩存(!)雙幀緩存：用于計(jì)算密集的情況(如實(shí)時(shí)三維游戲)2/4/202383圖形輸入設(shè)備最常用的圖形輸入設(shè)備就是基本的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備——鍵盤和鼠標(biāo)光筆是一種能檢測(cè)出計(jì)算機(jī)熒光屏發(fā)出熒光的筆式裝置，它對(duì)電子束打到特定象素點(diǎn)時(shí)熒光涂層瞬時(shí)發(fā)射的突發(fā)光敏感。光筆并未消失，但由于其精度低、操作容易疲勞、不能檢測(cè)屏幕黑暗區(qū)域，因此它不再普及。2/4/202384圖形輸入設(shè)備跟蹤球和空間球都是根據(jù)球在不同方向受到的推或拉的壓力來實(shí)現(xiàn)定位和選擇。數(shù)據(jù)手套則是通過傳感器和天線來獲得和發(fā)送手指的位置和方向的信息。這幾種輸入設(shè)備在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的構(gòu)造和漫游中特別有用。2/4/202385數(shù)字化儀是一種把圖形轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)能接收的數(shù)字形式專用設(shè)備基本工作原理是采用電磁感應(yīng)技術(shù)。由一塊數(shù)據(jù)板和一根觸筆組成。數(shù)據(jù)板中布滿了金屬柵格，當(dāng)觸筆在數(shù)據(jù)板上移動(dòng)時(shí)，其正下方的金屬柵格上就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流。根據(jù)已產(chǎn)生電流的金屬柵格的位置，就可以判斷出觸筆當(dāng)前的幾何位置。2/4/202386掃描儀圖形掃描儀是直接把圖形和圖象掃描到計(jì)算機(jī)中以象素信息進(jìn)行存儲(chǔ)的設(shè)備絕大多數(shù)是采用的固態(tài)器件是電荷耦合器件（CCD,ChargeCoupledDevice）工作原理用光源照射原稿，投射光線經(jīng)過一組光學(xué)鏡頭射到CCD器件上，得到元件的顏色信息，再經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖象數(shù)據(jù)暫存器等輸入到計(jì)算機(jī)2/4/202387掃描儀的模塊框圖2/4/202388真實(shí)物體的三維信息的輸入在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，許多零件和樣板要進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)就必須在計(jì)算機(jī)中生成三維實(shí)體模型，有時(shí)這個(gè)模型要通過已有的實(shí)物零件得到，這時(shí)候就需要一種設(shè)備來采集實(shí)物表面各個(gè)點(diǎn)的位置信息一般的方法是通過激光掃描來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在國(guó)外已經(jīng)有許多這樣的商業(yè)儀器這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用就是掃描保存古代名貴的雕塑和其它藝術(shù)品的三維信息2/4/202389美國(guó)斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)系的著名圖形學(xué)專家MarcLevoy曾經(jīng)帶領(lǐng)他的30人的工作小組（包括美國(guó)斯坦福大學(xué)及美國(guó)華盛頓大學(xué)的教師和學(xué)生）于1998～1999學(xué)年專門在意大利對(duì)文藝復(fù)興時(shí)代的雕刻大師米開朗基羅的眾多藝術(shù)品進(jìn)行掃描，保存其形狀和面片信息。采用專門的硬件和軟件系統(tǒng)。數(shù)據(jù)量：大衛(wèi)像（theDavid）就有20億個(gè)多邊形和7000張彩色圖象，總共需要72G的磁盤容量。這次工作可以說是實(shí)體圖形輸入的一個(gè)顛峰之作。2/4/202390數(shù)字化米開朗基羅計(jì)劃:大型雕塑的三維掃描記錄了十個(gè)米開朗基羅完成的大型雕塑的三維模型。2/4/202391敦煌佛像雕塑的三維掃描和記錄2/4/202392圖形學(xué)的特點(diǎn)：1.

drivenbyrealrequirement；2.

drivenewapplications；3.

“steal”knowledgefromotherfi