計算機圖形學(xué)計算機圖形學(xué)概述

1、計算機圖形學(xué)張 銳數(shù)字媒體教研室1教材及參考書 2 了解圖形系統(tǒng)的框架及其涉及的軟件、硬件技術(shù)； 了解圖形學(xué)的基本問題，掌握圖形學(xué)的基本概念、方法與算法； 對與圖形相關(guān)的應(yīng)用及當(dāng)前的研究熱點有一個初步認(rèn)識； 具有一定實踐體會和相關(guān)的編程能力。 本課程的考試采取筆試的形式。最終成績中平時成績占30%，考試成績占70%。課程要求 3本課程的先修課是Java語言或Java程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。計算機圖形學(xué)是如計算機輔助幾何設(shè)計、科學(xué)計算可視化、計算機動畫、計算機游戲、虛擬現(xiàn)實、人機交互等學(xué)科的基礎(chǔ)，或說在這些領(lǐng)域中圖形學(xué)起著越來越重要的作用。所以，計算機圖形學(xué)的學(xué)習(xí)為今后的研究工作打下基礎(chǔ)。與其他課程

2、關(guān)系 4顯示器等輸出設(shè)備如何進行圖形圖像的顯示？計算機圖形學(xué)解決了什么問題5?6圖形學(xué)是研究計算機如何生成圖形的！ 其一：我們可以看一下書上介紹的一些算法；比如說畫直線的算法DDA算法，從這個算法大家可以知道了，原來圖形學(xué)就是比較基礎(chǔ)的，研究如何來畫出圖形的科學(xué)。其實現(xiàn)在很多可視化的高級語言都提供一些很方便的函數(shù)來實現(xiàn)畫直線、畫框、畫圓、填充等畫圖動作，圖形學(xué)就是研究這樣一些函數(shù)是怎么編寫的。其二：計算機圖形學(xué)另一個主要的目的就是要利用計算機產(chǎn)生令人賞心悅目的真實感圖形。為此，必須建立圖形所描述的場景的幾何表示，再用某種光照模型，計算在假想的光源、紋理、材質(zhì)屬性下的光照明效果。計算機圖形學(xué)也就

3、要研究如何產(chǎn)生上述的效果。 78 Nurbs Surface Bzier SurfaceNurbs或Bezier曲面9The Stanford Bunny 斯坦福兔子10體繪制面繪制面繪制可視化11 morphing圖像morphing技術(shù)是指把一幅數(shù)字圖像以一種自然流暢的、戲劇性的、超現(xiàn)實主義的方式變換到另一幅數(shù)字圖像。12計算機動畫CAD/CAM可視化線框圖13計算機發(fā)展的下一個熱潮先后出現(xiàn)的熱潮是從計算機是人的工作工具出發(fā)，我們不難得到結(jié)論：下一個熱潮是包括圖形圖像在內(nèi)的加強信息利用和溝通的方向。計算機中的數(shù)據(jù)的最終目的是要為人處理各種事情服務(wù)的，所以這些數(shù)據(jù)所蘊涵的信息如何能高效地讓人

4、自適應(yīng)地、高效地獲得就成了計算機發(fā)展歷程中新的、下一個瓶頸。由于視覺是人類最快捷的信息獲知途徑，圖形圖像將是下一個熱潮中的主要內(nèi)容。 ？ 操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò),那么下一個熱潮是什么141、坐標(biāo)系統(tǒng) 在現(xiàn)實世界中，所有的物體都具有幾何特征，但計算機本身只能處理數(shù)字，將幾何實體與數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起的唯一紐帶就是坐標(biāo)，如：現(xiàn)實的幾何實體的數(shù)字表示可以是一些坐標(biāo)值，如（x,y,z）。為了使被顯示的幾何實體數(shù)字化，要在被顯示的物體所在的空間中定義坐標(biāo)系。 預(yù)備概念15(1)、模型坐標(biāo)系（局部坐標(biāo)系）：當(dāng)構(gòu)造單個對象的數(shù)字模型時，為了方便,可以將其置于一個特定的坐標(biāo)系下，即模型坐標(biāo)系或局部坐標(biāo)系.(2)、世

5、界坐標(biāo)系：為描述圖形場景中所有圖形之間的空間關(guān)系，將它們置于一個統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，該坐標(biāo)系被稱為世界坐標(biāo)系。(3)、設(shè)備坐標(biāo)系：要輸出經(jīng)過處理后的數(shù)字化圖形，需要在輸出設(shè)備上建立一個坐標(biāo)系，稱為設(shè)備坐標(biāo)系。（4）、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備坐標(biāo)系：有些圖形系統(tǒng)，對設(shè)備坐標(biāo)系進行了規(guī)范化，將坐標(biāo)范圍限定在區(qū)間x,y,z | 0 x1, 0y1, 0z1內(nèi)，稱標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備坐標(biāo)系16說明：在計算機顯示三維世界的過程中，需要在世界坐標(biāo)系中給定一個視見體，視見體內(nèi)包含的內(nèi)容是我們對場景感興趣的部分。計算機顯示三維場景過程中的三個空間：三維景物空間二維投影平面二維顯示平面視區(qū)窗口172、幾何實體的表示和建模 獲得三維物體在圖

6、形設(shè)備上真實感圖形，首先要做的就是建立物體的模型，或者稱為物體的計算機描述，它輸出幾何對象。再簡單點：建模的過程讓計算機“認(rèn)識”該物體的過程。如，比較簡單的，可以用一個隱函數(shù)來表示一個幾何實體，如一個球的表示:183、幾何處理 我們把確定場景中的所有可見面；計算場景中可見面的顏色；將三維幾何描述轉(zhuǎn)換為二維透視圖，歸結(jié)為幾何處理。建模輸出的幾何對象要經(jīng)過一系列的變換，最終要將其變換到顯示屏幕坐標(biāo)系，并且只有那些處于觀察者視域內(nèi)的圖元才能經(jīng)過光柵化后顯示在屏幕上。 （1）變換:是指對象在不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，這些變換可能改變它們的形狀和位置，或者改變它們的表示，如平移、旋轉(zhuǎn)、錯切等變換。在第4章，

7、我們將詳細(xì)討論變換過程。 19（2）裁剪：確定了可見面之后需要裁剪操作，是由于顯示系統(tǒng)不可能一次看到整個世界。在投影平面上加一個裁剪窗口 ，如果對象的投影在裁剪窗口之內(nèi)，則它會出現(xiàn)在圖像上；如果對象的投影在裁剪窗口之外，則它要被裁剪掉，就不會出現(xiàn)在圖像里。如果對象的投影與裁剪窗口相交，則只在圖像中看到窗口內(nèi)的那部分。 20（3）投影：經(jīng)過多次變換和裁剪處理后，最后得到的基本圖元（是指沒有被裁剪掉、會出現(xiàn)在圖像里面的對象）必須投影成為二維對象，才能顯示在屏幕上。存在多種投影方法可以使用，我們將在第5章詳細(xì)討論。概念：投影: 三維空間中的對象要在二維的屏幕或圖紙上顯示出來，就必須通過投影。投影的方

8、法有兩種，平行投影和透視投影。透視投影平行投影21（4）消除隱藏線、面：如果被其它的對象遮擋，則圖形不能被顯示在屏幕上。隱藏面的消除即去掉那些看不到的面，留下可見面。在第7章，我們將詳細(xì)討論如何進行隱藏面的消除。22（5）光照：如果進行真實感圖形繪制，需要計算可見面投射到觀察者眼中的光亮度大小和色彩組成，并將它轉(zhuǎn)換成適合圖形設(shè)備的顏色值，從而確定投影畫面上每一象素的顏色，最終生成圖形。第8章將詳細(xì)介紹光照明模型。234、光柵化當(dāng)完成了投影變換，接下來處理的對象就是二維對象。二維對象的圖元已經(jīng)用屏幕坐標(biāo)系表示了。如要顯示上述的投影后的圖形元素，必須利用一個光柵化或掃描轉(zhuǎn)化過程，把這些圖形的幾何信

9、息轉(zhuǎn)換為一組象素值，放在幀緩存里。將如何生成簡單幾何元素（點、線、面等）的光柵圖形問題放在第3章中首先討論。5、 顯示一旦確定了對應(yīng)象素值，把幀緩存里的圖形輸出到顯示屏幕或繪制器上過程可自動完成，具體顯示原理在第2章中詳細(xì)討論。 24XYZx1y1z1z2XpYp窗口坐標(biāo)系屏幕坐標(biāo)系模型坐標(biāo)系世界坐標(biāo)系視口窗口建 模顯 示幾何處理幾 何 變 換投 影確定可見面光 照 明裁 剪圖 形 顯 示 流 程真實感處理25用基本圖素（點/線/面）繪制場景消除隱藏線并著色構(gòu)造曲面平滑曲面加光照構(gòu)造真實感圖形建模26第1章 概 述27廣義的圖形概念 凡是能夠在人的視覺系統(tǒng)中形成視覺印象的客觀對象都稱為圖形。如

10、： (1)自然景物 (2)照片和圖片 (3)工程圖、設(shè)計圖和方框圖 (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、分析表達式或列表所 確定的圖形）圖形的概念28計算機圖形學(xué)中的圖形概念是指由點、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)實世界中抽象出來的帶有灰度、色彩及形狀的圖或形。 圖形的分類 由線條組成的圖形 類似于照片的明暗圖 即真實感圖形 與圖像的區(qū)別 圖像純指計算機內(nèi)以位 圖(Bitmap)形式存在的 灰度信息。29計算機圖形學(xué)(computer graphics, CG)：如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖

11、形的計算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容 計算機圖形學(xué) 圖形 圖像 計算幾何模式識別 圖像處理30計算機圖形學(xué)的發(fā)展史1）50年代：開始研究圖形學(xué)，只是為了在繪圖儀和陰極射線管（CRT）屏幕上輸出圖形。2）60年代：計算機圖形學(xué)得到確立并蓬勃發(fā)展的時期。Sutherland：博士論文Sketchpad：一個人機交互通信的圖形系統(tǒng)；coons：超限插值通過插值四條任意的邊界曲線來構(gòu)造曲面coons曲面；Bzier：Bzier曲線、曲面。3）70年代：圖形學(xué)技術(shù)進入實用化的階段，開始出現(xiàn)實用的CAD圖形系統(tǒng)，提出圖形軟件功能的標(biāo)準(zhǔn)化問題；另外兩個重要進展是真實感圖形學(xué)和實體造型

12、技術(shù)的產(chǎn)生。31計算機圖形學(xué)的發(fā)展史4）80年代：隨著光柵圖形顯示器的出現(xiàn)，計算機圖形系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，光透視模型-Whitted模型和輻射度方法的提出標(biāo)志著真實感圖形的顯示算法已逐漸成熟。5）90年代：計算機圖形學(xué)的功能除了隨著圖形設(shè)備的發(fā)展而提高外，其軟件技術(shù)、系統(tǒng)更加成熟，并朝著標(biāo)準(zhǔn)化、集成化和智能化的方向發(fā)展。6）21世紀(jì)：科學(xué)計算可視化，人機交互，虛擬現(xiàn)實，如：數(shù)字人體、數(shù)字演員、數(shù)字地球。321.2 計算機圖形學(xué)的應(yīng)用計算機輔助設(shè)計與制造 (computer aided design and manufactory，CAD/M)科學(xué)計算可視化 (visualizat

13、ion in scientific computing，VS)計算機動畫 (Computer Animation )計算機模擬和仿真 (Computer simulation )虛擬現(xiàn)實 (virtual reality, VR)33 計算機輔助設(shè)計(CAD)已廣泛應(yīng)用于飛機、汽車、 船舶的外形設(shè)計、超大規(guī)模集成電路設(shè)計，以及建筑、 服裝、印染、玩具設(shè)計等領(lǐng)域。CAD技術(shù)使得工程、雪佛萊敞篷轎車曲面造型產(chǎn)品設(shè)計和施工圖紙不必再由人工繪制，可大大縮短設(shè)計周期。（1）計算機輔助設(shè)計與制造34（2）科學(xué)計算可視化 可視化技術(shù)廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)、有限元分析、醫(yī)學(xué)、天氣預(yù)報、海洋和空間探測等領(lǐng)域。已成為一種從海量的計算數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)中發(fā)掘其蘊含的自然、物理現(xiàn)象和規(guī)律的新的通用手段。35（3）計算機動畫 計算機動畫和藝術(shù)是用計算機來生成各種逼真的虛擬場景畫面和特效效果，從而為人們提供一個充分展示個人想象力和藝術(shù)才能的空間。 36（4）計算機模擬和