吉林大學(xué)圖形學(xué)課件第1章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)簡(jiǎn)介.ppt

1、2020/8/24,1,計(jì)算機(jī)圖形學(xué),郭曉新 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,2020/8/24,2,第一章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)簡(jiǎn)介,第一節(jié) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 第二節(jié) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的起源 第三節(jié) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用及發(fā)展動(dòng)向 第四節(jié) 圖形系統(tǒng)的硬件 第五節(jié) 計(jì)算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn),2020/8/24,3,圖形的基本概念,對(duì)象：客觀存在的實(shí)體。 可以是各種具體的、實(shí)在的物體，如家具、機(jī)械零件、房屋建筑等，也可以是抽象的、假想的事物，如天氣形勢(shì)、人口分布、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)趨勢(shì)等等。,2020/8/24,4,圖形的基本概念,模型：能夠正確地表達(dá)出一個(gè)對(duì)象性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和行為的描述信息。 建模是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的首要工作。模型，由點(diǎn)、線、圓、曲

2、線、曲面、體元等各種幾何元素以及他們的組合構(gòu)造。,2020/8/24,5,圖形的基本概念,圖形基元：（簡(jiǎn)稱“圖元”P(pán)rimitives）是基本的圖形元素，指點(diǎn)、線、圓/弧等，其信息包含圖元的幾何信息與屬性信息（顏色、線型、線寬等顯式屬性和層次等隱式屬性）。 像素：（Pixel）或圖像單元（Pels，picture elements）最基本的圖元，其信息包括點(diǎn)坐標(biāo)與它的屬性信息（顏色、灰度、亮度等）。,2020/8/24,6,圖形的基本概念,圖形（Graphics）：從客觀世界物體中抽象出來(lái)的帶有顏色及形狀信息的表示。以矢量形式呈現(xiàn)。計(jì)算機(jī)中由場(chǎng)景的幾何模型和景物的物理屬性表示的圖形，它更強(qiáng)調(diào)場(chǎng)

3、景的幾何表示，記錄圖形的形狀參數(shù)與屬性參數(shù)。 例如，工程圖紙（Drawing）。,2020/8/24,7,圖形的基本概念,圖像（Image or Picture）：以點(diǎn)陣形式呈現(xiàn)。計(jì)算機(jī)中以具有顏色信息的點(diǎn)陣來(lái)表示的圖形，它強(qiáng)調(diào)圖形由哪些點(diǎn)組成，記錄點(diǎn)及它的灰度或色彩。 例如，照片、掃描圖片和由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的真實(shí)感和非真實(shí)感圖形等。,2020/8/24,8,圖形的基本概念,抽象圖形的本質(zhì)可以概括地說(shuō)： 圖形=圖元+屬性,2020/8/24,9,圖形的基本概念,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是指用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生對(duì)象圖形的輸出的技術(shù)。 確切地說(shuō)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究通過(guò)計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專門(mén)顯示設(shè)備上顯

4、示的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科。它綜合了應(yīng)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多方面的知識(shí)。,2020/8/24,10,圖形的基本概念,計(jì)算機(jī)生成圖形的過(guò)程：對(duì)象模型圖形 本質(zhì)上，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究?jī)蓚€(gè)問(wèn)題：如何在計(jì)算機(jī)中“建模（表示）”和“顯示（繪制）”出多彩的客觀世 界： （1）建模（表示）：建立對(duì)象的模型，即對(duì)該對(duì)象作出所需的正確的信息描述。通俗地講，是如何將客觀世界（幾何）“放到”計(jì)算機(jī)中去幾何建模； （2）顯示（繪制）：利用計(jì)算機(jī)對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行各種必要的處理，從無(wú)到有地產(chǎn)生出能正確反映對(duì)象的某種性質(zhì)的圖形輸出。通俗地講，是如何將計(jì)算機(jī)中抽象的“幾何”用一種形象的（靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的圖形，含圖像）方式表現(xiàn)出來(lái)幾何

5、的視覺(jué)實(shí)現(xiàn)。,2020/8/24,11,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)定義,對(duì)象 點(diǎn) 線（直線、曲線） 面（平面、曲面） 體（多面體、曲面體）,圖形 點(diǎn)：幾何（坐標(biāo)） 屬性：可見(jiàn)性、顏色（亮度、色調(diào)、色飽和度）等,模型 基本幾何 點(diǎn)、線、圓/圓弧 拓?fù)湫畔?數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),建模,繪制,2020/8/24,12,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)定義,瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)家Wirth在1976 年對(duì)“程序”給出了如下定義： 算法+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)=程序。 對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)給出如下定義： 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)=幾何+繪制,2020/8/24,13,構(gòu)成圖形的要素,構(gòu)成圖形的要素 幾何要素：刻畫(huà)對(duì)象的輪廓、形狀等 非幾何要素：刻畫(huà)對(duì)象的顏色、紋理等,2020/8/24

6、,14,點(diǎn)陣表示 枚舉出圖形中所有的點(diǎn)(強(qiáng)調(diào)圖形由點(diǎn)構(gòu)成) 簡(jiǎn)稱為圖像（數(shù)字圖像） 參數(shù)表示 由圖形的形狀參數(shù)(方程或分析表達(dá)式的系數(shù)，線段的端點(diǎn)坐標(biāo)等)+屬性參數(shù)(顏色、線型等)來(lái)表示圖形 簡(jiǎn)稱為圖形：,計(jì)算機(jī)中表示圖形的方法,2020/8/24,15,從處理技術(shù)上來(lái)看，圖形主要分為兩類， 基于線條信息表示的，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等， 明暗圖(Shanding)，也就是通常所說(shuō)的真實(shí)感圖形。,計(jì)算機(jī)中表示圖形的方法,2020/8/24,16,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的總體架構(gòu),2020/8/24,17,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的總體架構(gòu),數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（Math. Fuandemental），主要是向量與幾

7、何變換，如幾何建模時(shí)的三維空間變換，繪制時(shí)的三維到二維的投影變換和二維空間的窗口和視圖變換等。 幾 何（Geometry），三維及二維空間的各種幾何模型。可以是解析式表達(dá)的簡(jiǎn)單形體，或是隱函數(shù)表達(dá)的復(fù)雜曲線、曲面，也可以是面片表達(dá)的任意幾何體等等。,2020/8/24,18,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的總體架構(gòu),繪 制（Rendering），幾何的視覺(jué)實(shí)現(xiàn)（決定幾何的屬性）過(guò)程。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)典型的反走樣、光照、紋理等理論和算法均可被認(rèn)為是對(duì)幾何的繪制處理。 交互技術(shù)（Interaction），交互技術(shù)提供圖形通訊手段，成為人機(jī)交互的主要工具。,2020/8/24,19,與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系,圖像處理(Image

8、 Processing) 模式識(shí)別(Pattern Recognition) 計(jì)算幾何(Computational Geometry) 交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(Interactive Computer Graphics),2020/8/24,20,與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系,圖像處理是指用計(jì)算機(jī)來(lái)改善圖像質(zhì)量的數(shù)字技術(shù)。 圖像處理是指用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理，以使其適應(yīng)于某種特殊的需求的數(shù)字技術(shù)。如CT掃描、X射線探傷等。,2020/8/24,21,與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系,圖像處理：研究對(duì)象為數(shù)字圖像 對(duì)一幅連續(xù)圖像采樣、量化以產(chǎn)生數(shù)字圖像， 對(duì)數(shù)字圖像做各種變換以方便處理， 如何濾去圖像中無(wú)用的噪聲， 如何壓縮圖

9、像數(shù)據(jù)以便存儲(chǔ)和傳輸， 如何提取圖像的物體邊緣， 如何增強(qiáng)圖像的某些特征等。,2020/8/24,22,與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系,模式識(shí)別是指用計(jì)算機(jī)對(duì)輸入圖形進(jìn)行識(shí)別的技術(shù)。 模式識(shí)別：是分析和識(shí)別輸入的數(shù)字圖像并從中提取二維或三維的數(shù)據(jù)模型（特征）的技術(shù)，如手寫(xiě)漢字識(shí)別。,2020/8/24,23,與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系,計(jì)算幾何學(xué)是研究幾何模型和數(shù)據(jù)處理的學(xué)科。 計(jì)算幾何：研究幾何形體在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示、分析和綜合。包括曲線曲面的表示、生成、拼接和造型，三維立體造型，散亂數(shù)據(jù)插值，計(jì)算復(fù)雜性等。,2020/8/24,24,與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系,交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)：指用計(jì)算機(jī)交互式地產(chǎn)生圖形的技術(shù)。交互式繪圖

10、允許操作人員以對(duì)話方式控制和操縱圖形的生成。圖形可以邊生成，邊顯示，邊修改，直到產(chǎn)生符合使用要求的圖形為止。交互式繪圖可以使人的邏輯思維能力、分析能力和計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確快速的計(jì)算能力結(jié)合起來(lái)，從而發(fā)揮更大的威力，使人們運(yùn)用起來(lái)更加方便。,2020/8/24,25,與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系,2020/8/24,26,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）提取 （計(jì)算機(jī)視覺(jué)，模式識(shí)別）,模型變換 （計(jì)算幾何）,圖像變換 （圖像處理）,發(fā)展特點(diǎn): 交叉、界線模糊、相互滲透,與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系,2020/8/24,27,第二節(jié) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的起源,歷史追溯 硬件發(fā)展 圖形顯示器的發(fā)展 圖形輸入設(shè)備

11、的發(fā)展 圖形軟件及軟件標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展,2020/8/24,28,50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)(Whirlwind I)計(jì)算機(jī)的附件誕生了。 該顯示器用一個(gè)類似于示波器的陰極射線管(CRT)來(lái)顯示一些簡(jiǎn)單的圖形， 主要用于圖形輸出， 沒(méi)有交互功能。,歷史追溯,2020/8/24,29,2020/8/24,30,50年代 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。,歷史追溯,2020/8/24,31,50年代 在整個(gè)50年代， 只有電子管計(jì)算機(jī)， 用機(jī)器語(yǔ)言編程， 主要應(yīng)用于科學(xué)

12、計(jì)算， 為這些計(jì)算機(jī)配置的圖形設(shè)備僅具有輸出功能。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)處于準(zhǔn)備和醞釀時(shí)期，并稱之為：“被動(dòng)式”圖形學(xué)。,歷史追溯,2020/8/24,32,50年代 到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(kāi)發(fā)SAGE空中防御體系，第一次使用了具有指揮和控制功能的CRT顯示器，操作者可以用筆在屏幕上指出被確定的目標(biāo)。與此同時(shí)，類似的技術(shù)在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中也陸續(xù)得到了應(yīng)用，它預(yù)示著交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的誕生。,歷史追溯,2020/8/24,33,歷史追溯,60年代 1963年，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的Ivan E. Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個(gè)人機(jī)交互通信的圖形系統(tǒng)

13、”的博士論文， 他在論文中首次使用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)“Computer Graphics”這個(gè)術(shù)語(yǔ)，證明了交互計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一個(gè)可行的、有用的研究領(lǐng)域，從而確定了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為一個(gè)嶄新的科學(xué)分支的獨(dú)立地位，他也被人們稱為“圖形學(xué)之父”。 他在論文中所提出的一些基本概念和技術(shù)，如交互技術(shù)、分層存儲(chǔ)符號(hào)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等至今還在廣為應(yīng)用。,2020/8/24,34,第二節(jié) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的起源,2020/8/24,35,歷史追溯,60年代 1964年MIT的教授Steven A. Coons提出了被后人稱為超限插值的新思想，通過(guò)插值四條任意的邊界曲線來(lái)構(gòu)造曲面。 同在60年代早期，法國(guó)雷諾汽車公司的工程師P

14、ierre Bzier發(fā)展了一套被后人稱為Bzier曲線、曲面的理論，成功地用于幾何外形設(shè)計(jì)，并開(kāi)發(fā)了用于汽車外形設(shè)計(jì)的UNISURF系統(tǒng)。 Coons方法和Bzier方法是CAGD最早的開(kāi)創(chuàng)性工作。,2020/8/24,36,歷史追溯,60年代 值得一提的是，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的最高獎(jiǎng)是以Coons的名字命名的，而獲得第一屆（1983）和第二屆(1985) Steven A. Coons 獎(jiǎng)的，恰好是Ivan E. Sutherland和Pierre Bzier，這也算是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一段佳話。,2020/8/24,37,歷史追溯,60年代 60年代，CAD/CAM在計(jì)算機(jī)、汽車以及航空工業(yè)領(lǐng)域被

15、發(fā)展起來(lái)，出現(xiàn)了例如美國(guó)通用汽車公司的輔助汽車設(shè)計(jì)的實(shí)用CAD系統(tǒng)，但總的說(shuō)，由于圖形硬件設(shè)備非常昂貴，實(shí)用技術(shù)也少，圖形學(xué)還是一個(gè)很小的專業(yè)化學(xué)科。,2020/8/24,38,歷史追溯,70年代 70年代是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展過(guò)程中一個(gè)重要的歷史時(shí)期。由于光柵顯示器的產(chǎn)生，在60年代就已萌芽的光柵圖形學(xué)算法，迅速發(fā)展起來(lái)，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，圖形學(xué)進(jìn)入了第一個(gè)興盛的時(shí)期。由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件性能不斷提高，體積縮小，價(jià)格降低，特別是廉價(jià)的圖形輸入輸出和大容量存儲(chǔ)介質(zhì)的出現(xiàn)，使得以小型機(jī)為基礎(chǔ)的圖形系統(tǒng)進(jìn)入市場(chǎng)并成為主流。,2020/8/

16、24,39,歷史追溯,70年代 圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化 1974年，ACM SIGGRAPH的“與機(jī)器無(wú)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)”（Core Graphics System） ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS,2020/8/24,40,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),歷史

17、追溯,2020/8/24,41,80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，實(shí)現(xiàn)Whitted模型 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 圖形硬件和各個(gè)分支均在這個(gè)時(shí)期飛速發(fā)展,歷史追溯,2020/8/24,42,90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),歷史追溯,2020/8/24,43,ACM SIGGRAPH會(huì)議 全稱 “the Special Inte

18、rest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques” 60年代中期，由Brown 大學(xué)的教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司的Sam Matsa發(fā)起 1974年，在Colorado大學(xué)召開(kāi)了第一屆SIGGRAPH 年會(huì)，并取得了巨大的成功 每年只錄取大約50篇論文,圖形學(xué)有關(guān)學(xué)術(shù)會(huì)議的發(fā)展,2020/8/24,44,圖形顯示器的發(fā)展 圖形顯示器是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中關(guān)鍵的設(shè)備 60年代中期：畫(huà)線顯示器（亦稱矢量顯示器） 需要刷新。設(shè)備昂貴，普及受到限制。 60年代后期：存儲(chǔ)管式顯示器 不需刷新，價(jià)格較低，缺點(diǎn)

19、是不具有動(dòng)態(tài)修改 圖形功能，不適合交互式。,硬件發(fā)展,2020/8/24,45,70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。,硬件發(fā)展,2020/8/24,46,圖形輸入設(shè)備的發(fā)展 第一階段：控制開(kāi)關(guān)、穿孔紙等等 第二階段：鍵盤(pán) 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，語(yǔ)音 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）， 第五階段：用戶的手勢(shì)、表情等等,硬件發(fā)展,2020/8/24,47,2020/8/24,48,第三節(jié) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用及發(fā)展動(dòng)向,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

20、的主要應(yīng)用領(lǐng)域 1. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM) 2. 可視化 3. 圖形實(shí)時(shí)繪制與自然景物仿真 4. 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà) 5. 用戶接口 6. 計(jì)算機(jī)藝術(shù),2020/8/24,49,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM),計(jì)算機(jī)圖形學(xué)被用來(lái)進(jìn)行土建工程、機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)飛機(jī)、汽車、船舶的外形和發(fā)電廠、化工廠等的布局以及電子線路、電子器件等。有時(shí)，著眼于產(chǎn)生工程和產(chǎn)品相應(yīng)結(jié)構(gòu)的精確圖形，然而更常用的是對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)、產(chǎn)品和工程的相關(guān)圖形進(jìn)行人-機(jī)交互設(shè)計(jì)和修改，經(jīng)過(guò)反復(fù)的迭代設(shè)計(jì)，便可利用結(jié)果數(shù)據(jù)輸出零件表、材料單、加工流程和工藝卡，或者數(shù)據(jù)加工代碼的指令。 應(yīng)用領(lǐng)域：飛機(jī)、

21、輪船、汽車外形，大規(guī)模集成電路，建筑，服裝，玩具 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)周期短，成本低，質(zhì)量高,2020/8/24,50,可視化,科學(xué)計(jì)算可視化：將數(shù)據(jù)用圖形的形式表示出來(lái)，找到數(shù)據(jù)的變化規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì) ，提取最本質(zhì)的特征。 目標(biāo)：用圖形表現(xiàn)抽象的數(shù)據(jù) 應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)，遙感，流場(chǎng)等等,2020/8/24,51,可視化,1986年，美國(guó)科學(xué)基金會(huì)（NSF）專門(mén)召開(kāi)了一次研討會(huì)，會(huì)上提出了“科學(xué)計(jì)算可視化（Visualization in Scientific Computing）”。第二年，美國(guó)計(jì)算機(jī)成像專業(yè)委員會(huì)向NSF提交了“科學(xué)計(jì)算可視化的研究報(bào)告”后，VISC就迅速發(fā)展起來(lái)了。 目前科學(xué)計(jì)算可視化廣

22、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。,2020/8/24,52,圖形實(shí)時(shí)繪制與自然景物仿真,在計(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(shuō)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。這其中光照和表面屬性是最難模擬的。實(shí)時(shí)的真實(shí)感繪制已經(jīng)成為當(dāng)前真實(shí)感繪制的研究熱點(diǎn)，而當(dāng)前真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制的兩個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題則是物體網(wǎng)格模型的面片簡(jiǎn)化和基于圖像的繪制（IBR Image Based Rendering）。,2020/8/24,53,計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà),計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)是是通過(guò)使用計(jì)算機(jī)制作動(dòng)畫(huà)的藝術(shù)。它是計(jì)算

23、機(jī)圖形學(xué)和動(dòng)畫(huà)的子領(lǐng)域。 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)生成一幅幅靜態(tài)的圖像，但是每一幅都是對(duì)前一幅做一小部分修改（如何修改便是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)的研究?jī)?nèi)容），這樣，當(dāng)這些畫(huà)面連續(xù)播放時(shí)，整個(gè)場(chǎng)景就動(dòng)起來(lái)了。 電影，廣告設(shè)計(jì)，電腦游戲也頻頻運(yùn)用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)也因這些商業(yè)應(yīng)用的大力推動(dòng)而有了極大的發(fā)展。,2020/8/24,54,計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà),早期的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)，在生成幾幅被稱做“關(guān)鍵幀”的畫(huà)面后，由計(jì)算機(jī)對(duì)兩幅關(guān)鍵幀進(jìn)行插值生成若干“中間幀”，連續(xù)播放時(shí)兩個(gè)關(guān)鍵幀就被有機(jī)地結(jié)合起來(lái)了。 近年來(lái)人們普遍將注意力轉(zhuǎn)向基于物理模型的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)生成方法。該方法大量運(yùn)用彈性力學(xué)和流體力學(xué)的方程進(jìn)行計(jì)算，力求使動(dòng)畫(huà)過(guò)程體現(xiàn)出最適

24、合真實(shí)世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,2020/8/24,55,用戶接口,用戶接口是介于使用者與硬件而設(shè)計(jì)彼此之間互動(dòng)溝通相關(guān)軟件，目的在使得使用者能夠方便有效率地去操作硬件以達(dá)成雙向之互動(dòng)，完成所希望借助硬件完成之工作，用戶接口包含了人機(jī)交互與圖形用戶接口，凡參與人類與機(jī)械的信息交流的領(lǐng)域都存在著用戶接口。,2020/8/24,56,用戶接口,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。 在任何一臺(tái)普通計(jì)算機(jī)上都可以看到圖形學(xué)在用戶接口方面的應(yīng)用。操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件中的圖形、動(dòng)畫(huà)比比皆是，程序直觀易用。很多軟件幾乎可以不看任何說(shuō)明書(shū)，而根據(jù)它的圖形、或動(dòng)畫(huà)界面的指

25、示進(jìn)行操作。 目前幾個(gè)大的軟件公司都在研究下一代用戶界面，開(kāi)發(fā)面向主流應(yīng)用的自然、高效多通道的用戶界面。圖形學(xué)在其中起主導(dǎo)作用。,2020/8/24,57,計(jì)算機(jī)藝術(shù),在真實(shí)感圖形學(xué)發(fā)展的同時(shí)，模擬藝術(shù)效果的非真實(shí)感繪制（NPR Non-Photorealistic Rendering）也在逐漸發(fā)展。 優(yōu)點(diǎn)： 提供多種風(fēng)格的畫(huà)筆畫(huà)刷 提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對(duì)圖像進(jìn)行霧化，變形等操作 可以任意修改，取消敗筆 不足： 無(wú)法達(dá)到傳統(tǒng)繪畫(huà)中風(fēng)格化的 藝術(shù)效果 很難得到有素描效果、油畫(huà)效果的藝術(shù)品,2020/8/24,58,圖形學(xué)主要研究?jī)?nèi)容,1、圖形的生成和表示技術(shù)。 圖形基元的顯示 消隱算法

26、 真實(shí)感圖形的繪制 2、圖形的操作與處理方法。 圖形變換 圖形運(yùn)算,2020/8/24,59,圖形學(xué)主要研究?jī)?nèi)容,3、圖形輸出設(shè)備與輸出技術(shù)的研究。 圖形顯示器及其技術(shù)的研究 圖形顯示卡及其技術(shù)的研究 4、圖形輸入設(shè)備、交互技術(shù)及用戶接口技術(shù)的研究。 圖形輸入設(shè)備及其技術(shù)的研究 圖形用戶界面的基本元素和交互對(duì)話技術(shù)的研究,2020/8/24,60,圖形學(xué)主要研究?jī)?nèi)容,5、圖形信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及存儲(chǔ)、檢索方法。 圖形信息的各種機(jī)內(nèi)表示方法，組織形式，存取技術(shù)。 圖形數(shù)據(jù)庫(kù)的管理。 圖形信息的通訊。,2020/8/24,61,圖形學(xué)主要研究?jī)?nèi)容,6、幾何模型構(gòu)造技術(shù)。 刻畫(huà)被處理對(duì)象幾何性質(zhì)的描述信

27、息就構(gòu)成它的幾何模型。 研究幾何模型的構(gòu)造方法及性能分析等。 7、動(dòng)畫(huà)技術(shù)。 研究實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)畫(huà)生成的各種軟硬件方法、開(kāi)發(fā)工具、動(dòng)畫(huà)語(yǔ)言等。,2020/8/24,62,基于物理模型的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)生成方法,2020/8/24,63,圖形學(xué)主要研究?jī)?nèi)容,8、圖形軟硬件的系列化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的研究 當(dāng)前主要有兩種圖形API Java的集成方法，圖形與用戶界面工具包被集成在一起。 優(yōu)點(diǎn)：可移植性高，完全標(biāo)準(zhǔn)化，作為語(yǔ)言的一部分得到支持。,2020/8/24,64,圖形學(xué)主要研究?jī)?nèi)容,8、圖形軟硬件的系列化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的研究 當(dāng)前主要有兩種圖形API Direct3D和OpenGL，繪圖命令是軟件庫(kù)的

28、一部分，軟件庫(kù)與某種語(yǔ)言分離，而用戶界面軟件是獨(dú)立的實(shí)體，一般隨系統(tǒng)不同而不同。調(diào)用時(shí)，軟件庫(kù)與某種語(yǔ)言（如C+）綁定。 優(yōu)點(diǎn)：軟件庫(kù)獨(dú)立性好，開(kāi)發(fā)平臺(tái)靈活，繪圖效率高。 缺點(diǎn)：不易編寫(xiě)可移植代碼。,2020/8/24,65,圖形學(xué)主要研究?jī)?nèi)容,9、科學(xué)計(jì)算的可視化 指應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形生成技術(shù)，將科學(xué)及工程計(jì)算的結(jié)果以及測(cè)量數(shù)據(jù)等，以圖形的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來(lái)，使人們能觀察到用常規(guī)手段難以觀察到的自然現(xiàn)象和規(guī)律，實(shí)現(xiàn)計(jì)算環(huán)境和工具進(jìn)一步現(xiàn)代化。,2020/8/24,66,科學(xué)計(jì)算可視化,Airflow inside a Thunder Strom(Bob Wilhelmson, Univ.

29、 of Illinois at Urbana-Champaign),2020/8/24,67,第四節(jié) 圖形系統(tǒng)的硬件,計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)： 計(jì)算機(jī) 顯示處理器(DPU) 目前已被圖形處理器替代(GPU) 圖形顯示器 輸入設(shè)備 硬拷貝設(shè)備,2020/8/24,68,CPU的圖形處理,軟件模擬，在CPU端完成 執(zhí)行串行工作，不適合圖形渲染的并行處理 大部分晶體管主要用于構(gòu)建控制電路（如分支預(yù)測(cè)）和Cache(緩存)，只有少部分的晶體管來(lái)完成實(shí)際的運(yùn)算工作，速度上無(wú)法達(dá)到實(shí)時(shí)圖形繪制要求 實(shí)時(shí)生成的三維圖像很粗糙 技術(shù)進(jìn)步正在慢于摩爾定律,2020/8/24,69,GPU的圖形處理,GPU的控制相對(duì)簡(jiǎn)單

30、，對(duì)Cache的需求小，大部分晶體管可以組成各類專用電路、多條流水線。 處理浮點(diǎn)運(yùn)算的能力強(qiáng)。 技術(shù)進(jìn)步速度超過(guò)摩爾定律，每6個(gè)月其性能加倍。 。,2020/8/24,70,GPU的圖形處理,GPU與CPU浮點(diǎn)處理能力對(duì)比,2020/8/24,71,GPU的圖形處理,第一代GPU(1995年)： 硬件實(shí)現(xiàn)深度緩沖區(qū)(z-buffer)和紋理映射(texture mapping)。z-buffer利用象素的深度決定遮擋關(guān)系，從而消除隱藏面；利用紋理映射功能則可以十分逼真地表達(dá)物體表面細(xì)節(jié)。在GPU上執(zhí)行的圖形操作被稱為硬件加速。 3D圖形實(shí)時(shí)渲染(主要指游戲)的速度、畫(huà)質(zhì)取得了一個(gè)飛躍。,202

31、0/8/24,72,GPU的圖形處理,第二代GPU(1999年)： 包括了硬件級(jí)的圖形幾何變換與光照計(jì)算(transform and lighting簡(jiǎn)稱T&L或TnL)。而在此之前T&L都是由CPU完成的。 解決了系統(tǒng)的瓶頸，減輕了CPU的負(fù)荷，速度明顯提高。,2020/8/24,73,GPU的圖形處理,第三代GPU： 2001年，引入了可編程 vertex shader(頂點(diǎn)著色器)單元。緊接著在2002年，可編程pixel shader(像素著色器)單元也加入了GPU。 在繪制時(shí)， GPU接收CPU以圖元頂點(diǎn)形式發(fā)送的幾何數(shù)據(jù)。 由頂點(diǎn)著色器進(jìn)行處理，完成幾何變換與頂點(diǎn)屬性計(jì)算等功能。

32、三維空間的圖元由一個(gè)固定功能的光柵生成器轉(zhuǎn)換為二維屏幕上的像素，每個(gè)像素的最終顏色值都通過(guò)在像素著色器上的小程序運(yùn)算而得。,2020/8/24,74,圖形流水線,用戶程序,幾何處理階段,像素處理階段,圖元,二維屏幕坐標(biāo),用戶程序,幾何處理階段,像素處理階段,圖元,二維屏幕坐標(biāo),頂點(diǎn)著色器,像素著色器,圖形流水線基本運(yùn)算是把三維頂點(diǎn)位置映射到二維屏幕位置，并對(duì)三角形進(jìn)行明暗處理，使其看起來(lái)比較真實(shí)且按適當(dāng)?shù)那昂髮哟物@示。,2020/8/24,75,2.CRT顯示器工作方式,(1)隨機(jī)掃描方式 (畫(huà)線顯示器,矢量顯示器) (2)光柵掃描方式,隨機(jī)掃描 光柵掃描 光柵掃描,2020/8/24,76,

33、隨機(jī)掃描方式,隨機(jī)掃描又稱為矢量掃描或軌跡掃描。隨機(jī)掃描顯示器又成為畫(huà)線顯示器。 隨機(jī)掃描方式：通過(guò)畫(huà)出一系列線段來(lái)畫(huà)出圖形。CRT的電子束沿箭頭指出的路線點(diǎn)亮各線段，就顯示出一個(gè)多邊形的輪廓。 優(yōu)點(diǎn)：畫(huà)線速度快，產(chǎn)生圖形分辨率高， 缺點(diǎn)：難以產(chǎn)生具有多種灰度、色調(diào)能連續(xù)變化的圖形。,2020/8/24,77,光柵掃描方式,光柵掃描又稱為電視掃描。 光柵掃描方式：CRT的電子束從屏的左上角開(kāi)始由左向右進(jìn)行正向掃描，當(dāng)掃到最右位置時(shí)迅速回到最左邊位置。電子束同時(shí)還進(jìn)行自上而下的掃描，所以行掃描線略向下傾斜，回掃后電子束到達(dá)下一行的左邊位置。當(dāng)電子束如此逐行掃描到達(dá)屏面右下角時(shí)，即完成整個(gè)屏幕的掃

34、描。 優(yōu)點(diǎn)：能產(chǎn)生相當(dāng)逼真的圖形顯示，已經(jīng)成為當(dāng)前最重要的顯示方式。,2020/8/24,78,電子束掃描過(guò)程示意圖,2020/8/24,79,基本概念（性能指標(biāo)）,像素：在光柵掃描圖形顯示器中，屏幕上可以點(diǎn)亮或熄滅的最小單位。 分辨率：顯示屏上像素的總數(shù)， 分辨率=每行的像素?cái)?shù)行數(shù) 分辨率越大，像素的總數(shù)越多，畫(huà)面的質(zhì)量也就越好，與此同時(shí)必須在單位時(shí)間內(nèi)完成對(duì)圖形的多幀的顯示，以使得圖形不閃爍，因而分辨率的大小對(duì)刷新速度有著直接的影響。,2020/8/24,80,基本概念（性能指標(biāo)）,亮度等級(jí)或稱灰度等級(jí)數(shù)目：是指單色顯示器像素的亮度可以有多少種不同的變化。 彩色顯示器的顏色數(shù)目分成兩個(gè)指標(biāo)

35、， 顯示器可以顯示所有不同的顏色的總數(shù)； 同一幀畫(huà)面允許顯示的不同顏色數(shù)目。,2020/8/24,81,幀存儲(chǔ)器,幀存儲(chǔ)器：二維矩陣 存儲(chǔ)屏幕上每個(gè)象素對(duì)應(yīng)的顏色或亮度值。矩陣第i行j列的元素值，決定顯示屏第i行j列位置上像素的顏色或亮度。,2020/8/24,82,幀存儲(chǔ)器,幀存大小=分辨率單元字節(jié) =每行像素?cái)?shù)行數(shù)單元字節(jié) 如果像素有256顏色，則幀存儲(chǔ)器的每一單元至少應(yīng)為8個(gè)bit，對(duì)于分辨率為1024768的顯示器，幀存儲(chǔ)器的大?。?幀存大小= 10247681(byte) 1M(byte) 若為真彩色 幀存大小= 10247683(byte) 3M(byte),2020/8/24,8

36、3,顏色系統(tǒng),RGB（紅、綠、藍(lán)）、 顏色查詢表（color lookup table）、 CMY（青、品紅、黃）、 HSV（色彩、飽和度、亮度）,2020/8/24,84,x地址和y地址計(jì)數(shù)器,圖形顯示時(shí)，光柵掃描發(fā)生器中的x地址和y地址計(jì)數(shù)器不斷計(jì)數(shù)。 數(shù)值通過(guò)光柵掃描電路使CRT電子束產(chǎn)生掃描偏轉(zhuǎn)， 作為地址值讀出幀存儲(chǔ)器中的內(nèi)容以控制顯示屏上對(duì)應(yīng)像素的顏色或亮度。,2020/8/24,85,第五節(jié) 計(jì)算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算機(jī)圖形的標(biāo)準(zhǔn)包括 圖形系統(tǒng)及其相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)中各界面之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和通信的接口標(biāo)準(zhǔn)，是數(shù)據(jù)及文件格式標(biāo)準(zhǔn)。 供圖形應(yīng)用程序調(diào)用的子程序功能及其格式標(biāo)準(zhǔn)，是子程序界面標(biāo)準(zhǔn)。,2020/8/24,86,第五節(jié) 計(jì)算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn),1974年 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化局ANSI“與機(jī)器無(wú)關(guān)的圖形技術(shù)“會(huì)議上