計算機圖形學(xué)1-2005-9

1、CAD系統(tǒng)與方法 1教材：教材：CAD系統(tǒng)與方法，潘云鶴編著，浙江大學(xué)出版社Computer Graphics with OpenGL, 3rd Edition, Donald Hearn, M. Pauline Baker,2004 (作者1: University of Illinois at Urbana-Champaign)2教學(xué)內(nèi)容（大綱）：教學(xué)內(nèi)容（大綱）：1）計算機圖形學(xué)與計算機輔助設(shè)計簡介（2學(xué)時）2）二維的基本圖元生成（6學(xué)時）3）三維圖形的繪制（8學(xué)時），包括圖形變換、光照、消隱、視見系統(tǒng)等。4）三維造型（8學(xué)時），包括一般造型方法簡介、基于半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的造型操作等5）計算

2、機動畫與科學(xué)計算可視化（3學(xué)時）6）CG&CAD系統(tǒng)的實現(xiàn)（3學(xué)時）復(fù)習(xí)考試. n考試內(nèi)容（二選一）l 書面考試+算法實現(xiàn)l 書面考試+論文閱讀n書面考試（85%）l 閉卷形式l 時間待定：4個班統(tǒng)一考試n算法實現(xiàn)（ 15% ）l 實現(xiàn)三個圖形學(xué)中的算法 源代碼、執(zhí)行文件、設(shè)計文檔n論文閱讀（15%）l 閱讀三篇以上CAD&CG方面的論文， 圍繞同一主題，寫出一份讀書筆記（5000字以上） 或?qū)懗雒科撐膶懸环葑x書報告（每篇2000字左右）3考試形式和評分考試形式和評分 4、本課程的由來 與目前的分班n莊越挺 n耿衛(wèi)東n童若峰n陳衛(wèi)東5、如何學(xué)習(xí)本課程？n以教材為主線：本教材的

3、特色n勤于實踐；n利用網(wǎng)絡(luò)資源；n熟練OpenGL；n隨時接受CG的新思想和新進展計算機圖形學(xué)計算機圖形學(xué)：是研究怎樣用計算機表示、生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科。指物體的輪廓、形狀或外部的界限圖形:客觀存在的物體（桌、椅、山、水、人）幾何圖形（點、線、 面）用計算機表示表示圖形：給出合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存放圖形點： Point3D double x; double y; double z; 長方體 :cuboid Axis local; double x; double y; double z; 桌子，椅子：？任意多面體：？眼鏡：？山，水，云，霧：？貓，狗，蟲，人：？用計算機生成生成圖形：將上述

4、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實例化（交互手段）評價圖形表示的好壞的標(biāo)準(zhǔn)：1。 表達能力2。 存儲量3。 易生成、處理、顯示用計算機處理處理圖形：圖形變換、變形（位置，形狀）圖形A 圖形B 用計算機顯示顯示圖形：照片，鏡子中的形象，屏幕上的形象圖像：1。繪制、攝制或印制的形象。 2。圖形在媒介上的投影。（Two synthetic renderings of animated hair.）Johnny Chang, Jingyi Jin, and Yizhou Yu, A Practical Model for Hair Mutual Interactions, ACM SIGGRAPH Symposium on

5、Computer Animation, San Antonio, July 2002, pp.73-80. 用計算機顯示圖形：圖形 - 圖像顯示Display, rendering計算機圖形 ：用計算機表示、生成、處理和顯示的對象。由幾何數(shù)據(jù)和幾何模型利用計算機進行存儲、顯示，并修改、完善后形成。 本質(zhì)：圖像：顏色值（RGB），沒有物體的概念。圖形：物體（形狀、外表屬性、）。nWhat would we have to model/simulate ?nmodels of shape - need to be deformable skeleton, skinnlighting (shadow

6、s)nphysical motionnlight bending by lenses (refraction)nsurface texturencontrolling/specifying motionnperspectivendepth of fieldncamera model / camera controlnsound effects & musicnstorynlots of computersnImportant Application AreasnEntertainmentnMovie production (special effects & full-leng

7、th features)nComputer gamesnIndustrial designn CADn automated machiningnVisualizationn scientific datasetsn medical scans (e.g., x-rays, MRI)n architectural prototypingnOnline distributionnThree Main Themes of Computer GraphicsnModelingn How do we represent (or model) 3-D objects?n How do we constru

8、ct models for specific objects?nAnimationn How do we generate the motion of objects?n How do we give animators control of this motion?nRenderingn How do we simulate the formation of images?n How do we simulate real-world light-material interaction?計算機圖形學(xué)的3大主題nModelingn How do we represent (or model)

9、 3-D objects?n How do we construct models for specific objects?nAnimationn How do we generate the motion of objects?n How do we give animators control of this motion?nRenderingn How do we simulate the formation of images?n How do we simulate real-world light-material interaction?How do we represent

10、objects/environments? shape the geometry of the object appearance emission, reflection, and transmission of lightHow do we construct these models? manual description (e.g., write down a formula) interactive manipulation procedurally write a generating program (e.g., fractals) scan a real object (las

11、er scanners, computer vision, )ModelingAnimationHow do we represent the motion of objects? positions, angles, etc. as functions of timeHow do we control/specify this motion? generate poses by hand, fill in with keyframing behavioral simulation (program little “brains” for objects) physical simulatio

12、n motion captureHow do we simulate the formation of images? incoming light is focused by a lens light energy “exposes” a lightsensitive “film” represent images as discrete 2-D arrays of pixelsHow do we simulate the behavior of light? consider light as photons (light particles) trace straight-line mo

13、tion of photons must model interactions when light hits surfacesRendering 幾個計算機圖形學(xué)的相關(guān)概念幾個計算機圖形學(xué)的相關(guān)概念 ： 圖像處理 ：將客觀世界中原來存在的物體的影像處理成新的數(shù)字化圖像的相關(guān)技術(shù)，如CT掃描、X射線探傷等。 原始Lena圖像 直方圖均衡后的Lena圖像 2. 模式識別 ：對所輸入的圖像進行分析和識 別，找出其中蘊涵的內(nèi)在聯(lián)系或抽象模型， 如郵政分揀、地形地貌識別等 3. 計算幾何 ：研究幾何模型和數(shù)據(jù)處理的學(xué) 科，探討幾何形體的計算機表示、分析和 綜合 數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型計算機圖形學(xué)模式識別計算

14、幾何圖像處理n2001年， UC Berkeley /projects/vision/workshop01/conference.html A Workshop on the Convergence of Graphics, Vision, and Video. n Image-based Rendering, Heung Yeung Shum , Yin Li , Sing Bing Kang, An introduction to image-based rendering, Integrated image and graphics te

15、chnologies, Kluwer Academic Publishers, Norwell, MA, 2004 注意發(fā)展趨勢注意發(fā)展趨勢lDavid F. Forsyth(UC Berkeley) Jean Ponce (Univ. of Illinois at Urbana-Champaign) Computer Vision: A Modern Approach, 2003 Contents: Part1: Image Formation and Image Models Part2: Early Vision: Just One Image Part3: Early Vision:

16、Multiple Images Part4: Mid-level Vision Part5: High-Level Vision: Geometric Methods Part6: High-Level Vision: Probabilistic and Inferential Methods Part7: Applications計算機圖形學(xué)的研究起源于美國麻省理工學(xué)院計算機圖形學(xué)的研究起源于美國麻省理工學(xué)院,從從20世世 紀(jì)紀(jì)50年代初期到年代初期到60年代中期，美國麻省理工學(xué)院積極年代中期，美國麻省理工學(xué)院積極 從事現(xiàn)代計算機輔助設(shè)計從事現(xiàn)代計算機輔助設(shè)計/制造技術(shù)的開拓性研究。制造技術(shù)

17、的開拓性研究。 1952年，在該校誕生了世界上第一臺數(shù)控銑床的原型。年，在該校誕生了世界上第一臺數(shù)控銑床的原型。隨后，麻省理工學(xué)院發(fā)展了隨后，麻省理工學(xué)院發(fā)展了APT，這演變成國際上最，這演變成國際上最 通用的加工編程工具。通用的加工編程工具。 1964年，孔斯年，孔斯(Steve Coons)在麻省理工學(xué)院提出了用在麻省理工學(xué)院提出了用 小塊曲面片組合表示自由型曲面時使曲面片邊界達到小塊曲面片組合表示自由型曲面時使曲面片邊界達到 任意高次連續(xù)階的理論，此方法得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界任意高次連續(xù)階的理論，此方法得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界 的極大推崇，稱之為孔斯曲面。的極大推崇，稱之為孔斯曲面。 1962年第

18、一臺光筆交互式圖形顯示器在美國麻省理工年第一臺光筆交互式圖形顯示器在美國麻省理工 學(xué)院林肯實驗室研制成功學(xué)院林肯實驗室研制成功. 給我們的啟示？給我們的啟示？在美國工業(yè)界，研制交互式圖形顯示器的工作也同時在美國工業(yè)界，研制交互式圖形顯示器的工作也同時 開展，其中所起作用最重要的是開展，其中所起作用最重要的是IBM公司公司 在1964年秋， IBM公司推出了IBM 2250顯示器。 洛克希德飛機公司利用IBM 2250施行開發(fā)的 CADAM繪圖加工系統(tǒng)，成為目前IBM主機上應(yīng) 用最廣的CAD/CAM軟件。 IBM 2250在1978年前后改型為IBM 3250，1984年 又改型為IBM 508

19、0，采用光柵掃描技術(shù) 。20世紀(jì)60年代末和70年代初，美國Tektronix公司 發(fā)展了存儲管技術(shù)。 由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和專用圖形處理 芯片的出現(xiàn)，光柵掃描型顯示器的質(zhì)量越來越好， 價格越來越低，已成為圖形顯示器的常規(guī)形式。 在圖形顯示技術(shù)發(fā)展的歷程中，需要強調(diào)兩家公司的產(chǎn)品，在圖形顯示技術(shù)發(fā)展的歷程中，需要強調(diào)兩家公司的產(chǎn)品， 這就是這就是Evans & Sutherland公司的公司的PS 300型和型和Silicon Graphics公司的公司的IRIS型顯示設(shè)備。型顯示設(shè)備。 PS 300采用數(shù)據(jù)驅(qū)動式原理；圖形處理中的矩陣運算 和其他基本算法使用3個位片處理機組成

20、的流水線。 三維物體輪廓線的顯示亮度可以隨距離遠近而變化，離 眼睛越遠的部分線條越淡，這樣可更好地體現(xiàn)出立體圖 的真實感。 Silicon Graphics公司的IRIS工作站采用數(shù)字成像工作原 理。此后，其他公司紛紛效仿。這種持續(xù)不斷的提高顯 示畫面質(zhì)量、加快交互速度的努力會繼續(xù)進行，必將進 一步推動計算機圖形學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展。Spacewars: first computer graphics game (MIT 1961)SketchPad: first interactive graphics (1961)Whirlwind: early graphics using VectorSc

21、ope (1951)first CAD system (IBM 1959) 隨著計算機圖形學(xué)的不斷發(fā)展，它的應(yīng)用范圍也日趨隨著計算機圖形學(xué)的不斷發(fā)展，它的應(yīng)用范圍也日趨廣泛。目前，計算機圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域主要有以下幾種廣泛。目前，計算機圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域主要有以下幾種: :3 計算機動畫和藝術(shù)計算機動畫和藝術(shù) 1 計算機輔助設(shè)計與制造計算機輔助設(shè)計與制造(CAD/CAM) 2 地形地貌和自然資源圖地形地貌和自然資源圖 8 用戶接口用戶接口 (User Interface, HCI)4 分析計算及視圖中的應(yīng)用分析計算及視圖中的應(yīng)用(Data Visualizations )(Data Visualiza

22、tions ) 6 游戲游戲(Game, Digital Entertainment)(Game, Digital Entertainment) 7 虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實 （Virtual RealityVirtual Reality）5 教育與訓(xùn)練教育與訓(xùn)練 1。 計算機輔助設(shè)計與制造計算機輔助設(shè)計與制造(CAD/CAM)CAD機械機械CAD電路電路CAD建筑建筑CAD服裝服裝CAD。機械CAD系統(tǒng)所生成的零件、裝配件 1 計算機輔助設(shè)計與制造計算機輔助設(shè)計與制造(CAD/CAM) (續(xù)續(xù)) 二維繪圖（autoCAD）三維造型（Pro/E, UG, CATIA）CAMCAE發(fā)展方向:Comput

23、er AidedDrawing Design 概念設(shè)計 三維造型 虛擬裝配協(xié)同設(shè)計工具2 地形地貌和自然資源圖地形地貌和自然資源圖 我國正在籌建國土基礎(chǔ)信息系統(tǒng)，此系統(tǒng)是國家經(jīng)濟信息系統(tǒng)的組成部分。三維的地形地貌圖 網(wǎng)上地圖網(wǎng)上地圖2 地形地貌和自然資源圖地形地貌和自然資源圖 計算機動畫已經(jīng)成為計算機圖形學(xué)的一個分支，并逐步進入實用階段。1996 IndependenceDay 因其可視效果獲Oscar.3 計算機動畫和藝術(shù)計算機動畫和藝術(shù) 3 計算機動畫和藝術(shù)計算機動畫和藝術(shù) （有專題講座）4 分析計算及視圖中的應(yīng)用分析計算及視圖中的應(yīng)用(Data Visualization)(Data V

24、isualization) 既可用二維曲線圖表和三維模型，也有彩色高維幾何表示 4 分析計算及視圖中的應(yīng)用分析計算及視圖中的應(yīng)用( (續(xù)續(xù)) ) 4 分析計算及視圖中的應(yīng)用分析計算及視圖中的應(yīng)用( (續(xù)續(xù)) ) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的可視化蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的可視化5 教育與訓(xùn)練教育與訓(xùn)練 5 游戲游戲 目前圖形硬件發(fā)展的動力所在 ?！?“Tekken Tag Tournament” Playstation 2 6 虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實 （Virtual RealityVirtual Reality）飛行等模擬訓(xùn)練 。游戲。7 用戶接口用戶接口 Macintosh微機首先在商品化產(chǎn)品上用形象的圖形表示操作命令，使得

25、普通用戶也會用計算機畫圖、作日常計算，打破了人們對操作計算機所持的神秘感。圖文形式相結(jié)合大大改善了計算機交互操作的用戶界面，開辟了計算機應(yīng)用的很多新領(lǐng)域。常用的圖形輸入設(shè)備分為兩種：常用的圖形輸入設(shè)備分為兩種：向量型圖形輸入設(shè)備向量型圖形輸入設(shè)備 它采取跟蹤軌跡、記錄坐標(biāo)點的方法輸入圖形。 常用的有數(shù)字化儀、鼠標(biāo)器、光筆等。光柵掃描型圖形輸入設(shè)備光柵掃描型圖形輸入設(shè)備 它采取逐行掃描、按一定密度采樣的方式輸入圖形。 常用的有掃描儀和攝像機。 圖形輸入設(shè)備的功能可分為圖形輸入設(shè)備的功能可分為6類：類：確定點坐標(biāo)即定位 確定一系列點的坐標(biāo)即筆劃 確定數(shù)值 進行選擇 進行圖形識別 識別字符串 幾種主

26、要圖形輸入設(shè)備幾種主要圖形輸入設(shè)備鍵盤鍵盤 鼠標(biāo)鼠標(biāo) : :1)光電式鼠標(biāo) 2)機械式鼠標(biāo) 3. 3. 光筆光筆 觸摸屏觸摸屏: : 電阻式和電容式 2)2)紅外線式 3) 聲表面波式 5. 5. 掃描儀掃描儀: : 二維： 掃描儀通過光電轉(zhuǎn)換、點陣采樣的方式，將一幅畫面變?yōu)閿?shù)字圖像 三維：三維： 三維物體的幾何形狀及表面顏色屬性。三維物體的幾何形狀及表面顏色屬性。 美國CALCOMP公司生產(chǎn)的數(shù)字化儀LightPenMouseKeyboardDisplayGraphicsSystemApplicationProgramInterface(API)GraphicsApplicationJoys

27、tick常用的圖形輸入設(shè)備常用的圖形輸入設(shè)備Data GlovesnUsed to grasp a “virtual object” (position or manipulate objects) in a virtual scene. DigitizersnGraphics Tablet: Image Scanner常用的圖形輸出設(shè)備分為兩類：常用的圖形輸出設(shè)備分為兩類：向量型向量型(Vector Display, Random-Scan Display)(Vector Display, Random-Scan Display) 向量型設(shè)備的作畫機構(gòu)隨著圖形的輸出形狀而移動 并成像 光柵掃

28、描型（光柵掃描型（Raster-Scan DisplayRaster-Scan Display） 光柵掃描型設(shè)備的作畫機構(gòu)按光柵矩陣方式掃描整 張圖面，并按輸出內(nèi)容對圖形成像。幾種圖形輸出設(shè)備介紹幾種圖形輸出設(shè)備介紹 1. 1. 陰極射線管陰極射線管 陰極射線管通常利用電磁場產(chǎn)生高速的、經(jīng)過聚焦的電 子束，使其偏轉(zhuǎn)到屏幕的不同位置以轟擊屏幕表面的熒 光材料而產(chǎn)生可見圖形 。其主要組成部分如下其主要組成部分如下： 陰極 當(dāng)它被加熱時，發(fā)射電子。 控制柵 控制電子束偏轉(zhuǎn)的方向和運動速度。 加速結(jié)構(gòu) 用以產(chǎn)生高速的電子束。 聚焦系統(tǒng) 保證電子束在轟擊屏幕時，匯聚成很細的點。 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 控制電子束在屏

29、幕上的運動軌跡。 熒光屏 當(dāng)它被電子轟擊時，發(fā)出亮光。 所有這些部件都封閉在一個真空的圓錐形玻璃殼內(nèi)， 其結(jié)構(gòu)如圖所示:陰極射線管的組成 2. 2. 顯示器顯示器 隨機掃描顯示器隨機掃描顯示器 邏輯框圖如圖所示:隨機掃描圖形顯示器的邏輯框圖 彩色陰極射線管彩色陰極射線管 通過把發(fā)出不同顏色的熒光物質(zhì)進行組合而實現(xiàn)的。 通常用射線穿透法和影孔板法實現(xiàn)彩色顯示。 存儲管式圖形顯示器存儲管式圖形顯示器 隨機掃描圖形顯示器使用一個獨立的存儲器來存儲圖形 信息，然后不斷地取出這些信息來刷新屏幕。由于存取 信息速度的限制，使得顯示穩(wěn)定圖形時的畫線的長度受 到限制，且造價較高。針對這些問題，20世紀(jì)70年代

30、后 期發(fā)展了利用管子本身來存儲信息的技術(shù)，這就是存儲 管技術(shù) 存儲管式顯示器的一般結(jié)構(gòu)如圖所示: 光柵掃描式圖形顯示器光柵掃描式圖形顯示器 光柵掃描式圖形顯示器(簡稱光柵顯示器)是畫點設(shè)備， 可看作是一個點陣單元發(fā)生器，并可控制每個點陣單 元的亮度。 光柵掃描式圖形顯示器的直線顯示效果 它不能直接從單元陣列中的一個可編址的像素畫一條直線到另一個可編址的像素，只能用盡可能靠近這條直線路徑的像素點集來近似地表示這條直線。 一個黑白光柵顯示器的工作狀況圖一個黑白光柵顯示器的工作狀況圖 :在光柵圖形顯示器中，需要有足夠的位面和幀緩沖存儲器結(jié)合才能反映圖形的顏色和灰度等級。具有顏色查找表的N位面灰度等級

31、幀緩沖存儲器 為了限制幀緩沖存儲器的增加，可采用顏色查找表來提為了限制幀緩沖存儲器的增加，可采用顏色查找表來提高灰度級別，如圖所示高灰度級別，如圖所示: : 具有顏色查找表的N位面灰度等級幀緩沖存儲器 彩色光柵顯示器的工作狀況圖彩色光柵顯示器的工作狀況圖: : 全色光柵顯示器工作狀況圖全色光柵顯示器工作狀況圖: : 配有顏色查找表的全色幀緩沖存儲器配有顏色查找表的全色幀緩沖存儲器 :具有具有3個位面的幀緩沖存儲器的顏色表個位面的幀緩沖存儲器的顏色表 :紅(R)綠(G)藍(B)黑(Black)000紅(Red)100綠(Green)010藍(Blue)001黃(Yellow)110青(Cyan)

32、011紫(Magenta)101白(White)111n平板式顯示(Flat-Panel Display)設(shè)備, 其最大的特點是: 比CRT薄(可以掛于墻上, 或戴于手腕之上).正在取代CRT.n可以分為兩類: lEmissive(發(fā)光的) Displays: 如: Plasma(等離子) panels, lNon-emissive Displays: 如LCD. 液晶顯示器液晶顯示器(LCD) 液晶顯示器LCD(Liquid Crystal Display)與其他顯示器不 同，它是由6層薄板組成的平板式顯示器。 等離子顯示器等離子顯示器 等離子顯示器是用許多小氖氣燈泡構(gòu)成的平板陣列， 每個燈泡處于“開”或“關(guān)”狀態(tài)。 等離子顯示器的結(jié)構(gòu) 幾種顯示技術(shù)的比較如表所示幾種顯示技術(shù)的比較如表所示: :性質(zhì)陰極射線管等離子顯示器液晶顯示器性質(zhì)陰極射線管等離子顯示器液晶顯示器功耗大中小對比度中好差屏幕大中小灰度等級好差差厚度大小小視角大中一般平面度一般中好色彩豐富中中亮度好好適中價格低中低