吉林大學(xué)-圖形學(xué)-第1章-計算機圖形學(xué)簡介的課件

計算機圖形學(xué)郭曉新計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2/2/20231第一章計算機圖形學(xué)簡介第一節(jié)計算機圖形學(xué)第二節(jié)計算機圖形學(xué)的起源第三節(jié)計算機圖形學(xué)的應(yīng)用及發(fā)展動向第四節(jié)圖形系統(tǒng)的硬件第五節(jié)計算機圖形標準2/2/20232圖形的基本概念對象：客觀存在的實體。 可以是各種具體的、實在的物體，如家具、機械零件、房屋建筑等，也可以是抽象的、假想的事物，如天氣形勢、人口分布、經(jīng)濟增長趨勢等等。2/2/20233圖形的基本概念模型：能夠正確地表達出一個對象性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和行為的描述信息。 建模是計算機圖形學(xué)的首要工作。模型，由點、線、圓、曲線、曲面、體元等各種幾何元素以及他們的組合構(gòu)造。2/2/20234圖形的基本概念圖形基元：（簡稱“圖元”——Primitives）是基本的圖形元素，指點、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，pictureelements）最基本的圖元，其信息包括點坐標與它的屬性信息（顏色、灰度、亮度等）。2/2/20235圖形的基本概念圖形（Graphics）：從客觀世界物體中抽象出來的帶有顏色及形狀信息的表示。以矢量形式呈現(xiàn)。計算機中由場景的幾何模型和景物的物理屬性表示的圖形，它更強調(diào)場景的幾何表示，記錄圖形的形狀參數(shù)與屬性參數(shù)。 例如，工程圖紙（Drawing）。2/2/20236圖形的基本概念圖像（ImageorPicture）：以點陣形式呈現(xiàn)。計算機中以具有顏色信息的點陣來表示的圖形，它強調(diào)圖形由哪些點組成，記錄點及它的灰度或色彩。 例如，照片、掃描圖片和由計算機產(chǎn)生的真實感和非真實感圖形等。2/2/20237圖形的基本概念抽象圖形的本質(zhì)可以概括地說： 圖形=圖元+屬性2/2/20238圖形的基本概念簡單來說，計算機圖形學(xué)是指用計算機產(chǎn)生對象圖形的輸出的技術(shù)。確切地說，計算機圖形學(xué)是研究通過計算機將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專門顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科。它綜合了應(yīng)用數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)等多方面的知識。2/2/20239圖形的基本概念計算機生成圖形的過程：對象→模型→圖形本質(zhì)上，計算機圖形學(xué)研究兩個問題：如何在計算機中“建模（表示）”和“顯示（繪制）”出多彩的客觀世界：（1）建模（表示）：建立對象的模型，即對該對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”計算機中去——幾何建模；（2）顯示（繪制）：利用計算機對這個模型進行各種必要的處理，從無到有地產(chǎn)生出能正確反映對象的某種性質(zhì)的圖形輸出。通俗地講，是如何將計算機中抽象的“幾何”用一種形象的（靜態(tài)或動態(tài)的圖形，含圖像）方式表現(xiàn)出來——幾何的視覺實現(xiàn)。2/2/202310計算機圖形學(xué)定義對象點線（直線、曲線）面（平面、曲面）體（多面體、曲面體）圖形點：幾何（坐標）屬性：可見性、顏色（亮度、色調(diào)、色飽和度）等模型基本幾何點、線、圓/圓弧拓撲信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建模繪制2/2/202311計算機圖形學(xué)定義瑞士計算機科學(xué)家Wirth在1976年對“程序”給出了如下定義： 算法+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)=程序。對計算機圖形學(xué)給出如下定義： 計算機圖形學(xué)=幾何+繪制2/2/202312構(gòu)成圖形的要素構(gòu)成圖形的要素幾何要素：刻畫對象的輪廓、形狀等非幾何要素：刻畫對象的顏色、紋理等2/2/202313點陣表示枚舉出圖形中所有的點(強調(diào)圖形由點構(gòu)成)簡稱為圖像（數(shù)字圖像）參數(shù)表示由圖形的形狀參數(shù)(方程或分析表達式的系數(shù)，線段的端點坐標等)+屬性參數(shù)(顏色、線型等)來表示圖形簡稱為圖形：計算機中表示圖形的方法2/2/202314從處理技術(shù)上來看，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)，也就是通常所說的真實感圖形。計算機中表示圖形的方法2/2/202315計算機圖形學(xué)的總體架構(gòu)2/2/202316計算機圖形學(xué)的總體架構(gòu)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（Math.Fuandemental），主要是向量與幾何變換，如幾何建模時的三維空間變換，繪制時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。可以是解析式表達的簡單形體，或是隱函數(shù)表達的復(fù)雜曲線、曲面，也可以是面片表達的任意幾何體等等。2/2/202317計算機圖形學(xué)的總體架構(gòu)繪制（Rendering），幾何的視覺實現(xiàn)（決定幾何的屬性）過程。計算機圖形學(xué)典型的反走樣、光照、紋理等理論和算法均可被認為是對幾何的繪制處理。交互技術(shù)（Interaction），交互技術(shù)提供圖形通訊手段，成為人機交互的主要工具。2/2/202318與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系圖像處理(ImageProcessing)模式識別(PatternRecognition)計算幾何(ComputationalGeometry)交互式計算機圖形學(xué)(InteractiveComputerGraphics)2/2/202319與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系圖像處理是指用計算機來改善圖像質(zhì)量的數(shù)字技術(shù)。

圖像處理是指用計算機對圖像進行處理，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。

2/2/202320與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系圖像處理：研究對象為數(shù)字圖像對一幅連續(xù)圖像采樣、量化以產(chǎn)生數(shù)字圖像，對數(shù)字圖像做各種變換以方便處理，如何濾去圖像中無用的噪聲，如何壓縮圖像數(shù)據(jù)以便存儲和傳輸，如何提取圖像的物體邊緣，如何增強圖像的某些特征等。2/2/202321與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系模式識別是指用計算機對輸入圖形進行識別的技術(shù)。

模式識別：是分析和識別輸入的數(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)，如手寫漢字識別。2/2/202322與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系計算幾何學(xué)是研究幾何模型和數(shù)據(jù)處理的學(xué)科。

計算幾何：研究幾何形體在計算機內(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，計算復(fù)雜性等。2/2/202323與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系交互式計算機圖形學(xué)：指用計算機交互式地產(chǎn)生圖形的技術(shù)。交互式繪圖允許操作人員以對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、分析能力和計算機準確快速的計算能力結(jié)合起來，從而發(fā)揮更大的威力，使人們運用起來更加方便。2/2/202324與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系2/2/202325數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型圖像生成（計算機圖形學(xué)）模型（特征）提取（計算機視覺，模式識別）模型變換（計算幾何）圖像變換（圖像處理）發(fā)展特點:交叉、界線模糊、相互滲透與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系2/2/202326第二節(jié)計算機圖形學(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)備的發(fā)展圖形軟件及軟件標準的發(fā)展2/2/20232750年代1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學(xué)院(MIT)旋風I號(WhirlwindI)計算機的附件誕生了。該顯示器用一個類似于示波器的陰極射線管(CRT)來顯示一些簡單的圖形，主要用于圖形輸出，沒有交互功能。歷史追溯2/2/202328NAME

WhirlwindMANUFACTURER

MITTYPE

ProfessionalComputerORIGIN

U.S.A.YEAR

April

1951END

OF

PRODUCTION

1953BUILT

IN

LANGUAGE

NoneKEYBOARD

Flexowritertypewriting/wordprocessingunitCPU

VacuumtubesSPEED

20KIPSinitially,increasedto40KIPSwithcorememoryCO-PROCESSOR

NoneRAM

2K16-bitwords(Williams-KilburnstorageCRTinitially,core,1953)VRAM

NoneROM

BootloaderontogglepanelTEXT

MODES

NoneGRAPHIC

MODES

256x256COLORS

MonochromeSOUND

YesSIZE

/

WEIGHT

Twostories/SeveraltonsI/O

PORTS

NoneBUILT

IN

MEDIA

TapeOS

NonePOWER

SUPPLY

1MWPERIPHERALS

NonePRICE

$708,9092/2/20232950年代1958年美國Calcomp公司由聯(lián)機的數(shù)字記錄儀發(fā)展成滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數(shù)控機床發(fā)展成為平板式繪圖儀。歷史追溯2/2/20233050年代在整個50年代，只有電子管計算機，用機器語言編程，主要應(yīng)用于科學(xué)計算，為這些計算機配置的圖形設(shè)備僅具有輸出功能。計算機圖形學(xué)處于準備和醞釀時期，并稱之為：“被動式”圖形學(xué)。

歷史追溯2/2/20233150年代到50年代末期，MIT的林肯實驗室在“旋風”計算機上開發(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。與此同時，類似的技術(shù)在設(shè)計和生產(chǎn)過程中也陸續(xù)得到了應(yīng)用，它預(yù)示著交互式計算機圖形學(xué)的誕生。歷史追溯2/2/202332歷史追溯60年代1963年，MIT林肯實驗室的IvanE.Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個人機交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文，他在論文中首次使用了計算機圖形學(xué)“ComputerGraphics”這個術(shù)語，證明了交互計算機圖形學(xué)是一個可行的、有用的研究領(lǐng)域，從而確定了計算機圖形學(xué)作為一個嶄新的科學(xué)分支的獨立地位，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)、分層存儲符號的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等至今還在廣為應(yīng)用。

2/2/202333第二節(jié)計算機圖形學(xué)的起源2/2/202334歷史追溯60年代1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了被后人稱為超限插值的新思想，通過插值四條任意的邊界曲線來構(gòu)造曲面。同在60年代早期，法國雷諾汽車公司的工程師PierreBézier發(fā)展了一套被后人稱為Bézier曲線、曲面的理論，成功地用于幾何外形設(shè)計，并開發(fā)了用于汽車外形設(shè)計的UNISURF系統(tǒng)。Coons方法和Bézier方法是CAGD最早的開創(chuàng)性工作。2/2/202335歷史追溯60年代值得一提的是，計算機圖形學(xué)的最高獎是以Coons的名字命名的，而獲得第一屆（1983）和第二屆(1985)StevenA.Coons獎的，恰好是IvanE.Sutherland和PierreBézier，這也算是計算機圖形學(xué)的一段佳話。2/2/202336歷史追溯60年代60年代，CAD/CAM在計算機、汽車以及航空工業(yè)領(lǐng)域被發(fā)展起來，出現(xiàn)了例如美國通用汽車公司的輔助汽車設(shè)計的實用CAD系統(tǒng)，但總的說，由于圖形硬件設(shè)備非常昂貴，實用技術(shù)也少，圖形學(xué)還是一個很小的專業(yè)化學(xué)科。2/2/202337歷史追溯70年代70年代是計算機圖形學(xué)發(fā)展過程中一個重要的歷史時期。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，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)進入了第一個興盛的時期。由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，計算機硬件性能不斷提高，體積縮小，價格降低，特別是廉價的圖形輸入輸出和大容量存儲介質(zhì)的出現(xiàn)，使得以小型機為基礎(chǔ)的圖形系統(tǒng)進入市場并成為主流。2/2/202338歷史追溯70年代圖形軟件標準化1974年，ACMSIGGRAPH的“與機器無關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會議ACM成立圖形標準化委員會，制定“核心圖形系統(tǒng)”（CoreGraphicsSystem）ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS2/2/202339真實感圖形學(xué)1970年，Bouknight提出了第一個光反射模型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提出了著名的簡單光照模型-Phong模型實體造型技術(shù)英國劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng)美國羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)歷史追溯2/2/20234080年代1980年Whitted提出了一個光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例，實現(xiàn)Whitted模型1984年，美國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算機圖形學(xué)中圖形硬件和各個分支均在這個時期飛速發(fā)展歷史追溯2/2/20234190年代：微機和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。標準化、集成化、智能化多媒體技術(shù)、人工智能、科學(xué)計算可視化、虛擬現(xiàn)實三維造型技術(shù)歷史追溯2/2/202342ACMSIGGRAPH會議全稱“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，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)會議的發(fā)展2/2/202343圖形顯示器的發(fā)展圖形顯示器是計算機圖形學(xué)中關(guān)鍵的設(shè)備60年代中期：畫線顯示器（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：存儲管式顯示器不需刷新，價格較低，缺點是不具有動態(tài)修改圖形功能，不適合交互式。硬件發(fā)展2/2/20234470年代初，刷新式光柵掃描顯示器出現(xiàn)，大大地推動了交互式圖形技術(shù)的發(fā)展。以點陣形式表示圖形，使用專用的緩沖區(qū)存放點陣，由視頻控制器負責刷新掃描。硬件發(fā)展2/2/202345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、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等，語音第四階段：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、表情等等硬件發(fā)展2/2/2023462/2/202347第三節(jié)計算機圖形學(xué)的應(yīng)用及發(fā)展動向計算機圖形學(xué)的主要應(yīng)用領(lǐng)域1.計算機輔助設(shè)計與制造(CAD/CAM)2.可視化3.圖形實時繪制與自然景物仿真4.計算機動畫5.用戶接口6.計算機藝術(shù)2/2/202348計算機輔助設(shè)計與制造(CAD/CAM) 計算機圖形學(xué)被用來進行土建工程、機械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計，包括設(shè)計飛機、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，著眼于產(chǎn)生工程和產(chǎn)品相應(yīng)結(jié)構(gòu)的精確圖形，然而更常用的是對所設(shè)計的系統(tǒng)、產(chǎn)品和工程的相關(guān)圖形進行人-機交互設(shè)計和修改，經(jīng)過反復(fù)的迭代設(shè)計，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、輪船、汽車外形，大規(guī)模集成電路，建筑，服裝，玩具優(yōu)點：設(shè)計周期短，成本低，質(zhì)量高2/2/202349可視化科學(xué)計算可視化：將數(shù)據(jù)用圖形的形式表示出來，找到數(shù)據(jù)的變化規(guī)律和發(fā)展趨勢，提取最本質(zhì)的特征。目標：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，流場等等2/2/202350可視化1986年，美國科學(xué)基金會（NSF）專門召開了一次研討會，會上提出了“科學(xué)計算可視化（VisualizationinScientificComputing）”。第二年，美國計算機成像專業(yè)委員會向NSF提交了“科學(xué)計算可視化的研究報告”后，VISC就迅速發(fā)展起來了。目前科學(xué)計算可視化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、有限元分析、氣象分析當中。2/2/202351圖形實時繪制與自然景物仿真在計算機中重現(xiàn)真實世界的場景叫做真實感繪制。真實感繪制的主要任務(wù)是模擬真實物體的物理屬性，簡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。實時的真實感繪制已經(jīng)成為當前真實感繪制的研究熱點，而當前真實感圖形實時繪制的兩個熱點問題則是物體網(wǎng)格模型的面片簡化和基于圖像的繪制（IBRImageBasedRendering）。2/2/202352計算機動畫計算機動畫是是通過使用計算機制作動畫的藝術(shù)。它是計算機圖形學(xué)和動畫的子領(lǐng)域。計算機動畫生成一幅幅靜態(tài)的圖像，但是每一幅都是對前一幅做一小部分修改（如何修改便是計算機動畫的研究內(nèi)容），這樣，當這些畫面連續(xù)播放時，整個場景就動起來了。電影，廣告設(shè)計，電腦游戲也頻頻運用計算機動畫。計算機動畫也因這些商業(yè)應(yīng)用的大力推動而有了極大的發(fā)展。2/2/202353計算機動畫早期的計算機動畫，在生成幾幅被稱做“關(guān)鍵幀”的畫面后，由計算機對兩幅關(guān)鍵幀進行插值生成若干“中間幀”，連續(xù)播放時兩個關(guān)鍵幀就被有機地結(jié)合起來了。近年來人們普遍將注意力轉(zhuǎn)向基于物理模型的計算機動畫生成方法。該方法大量運用彈性力學(xué)和流體力學(xué)的方程進行計算，力求使動畫過程體現(xiàn)出最適合真實世界的運動規(guī)律2/2/202354用戶接口用戶接口是介于使用者與硬件而設(shè)計彼此之間互動溝通相關(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成雙向之互動，完成所希望借助硬件完成之工作，用戶接口包含了人機交互與圖形用戶接口，凡參與人類與機械的信息交流的領(lǐng)域都存在著用戶接口。2/2/202355用戶接口用戶接口是人們使用計算機的第一觀感。一個友好的圖形化的用戶界面能夠大大提高軟件的易用性。在任何一臺普通計算機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、動畫比比皆是，程序直觀易用。很多軟件幾乎可以不看任何說明書，而根據(jù)它的圖形、或動畫界面的指示進行操作。目前幾個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。圖形學(xué)在其中起主導(dǎo)作用。2/2/202356計算機藝術(shù)

在真實感圖形學(xué)發(fā)展的同時，模擬藝術(shù)效果的非真實感繪制（NPRNon-PhotorealisticRendering）也在逐漸發(fā)展。優(yōu)點：提供多種風格的畫筆畫刷提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖像進行霧化，變形等操作可以任意修改，取消敗筆不足：無法達到傳統(tǒng)繪畫中風格化的藝術(shù)效果很難得到有素描效果、油畫效果的藝術(shù)品2/2/202357圖形學(xué)主要研究內(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真實感圖形的繪制2、圖形的操作與處理方法。圖形變換圖形運算2/2/202358圖形學(xué)主要研究內(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話技術(shù)的研究2/2/202359圖形學(xué)主要研究內(nèi)容5、圖形信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及存儲、檢索方法。圖形信息的各種機內(nèi)表示方法，組織形式，存取技術(shù)。圖形數(shù)據(jù)庫的管理。圖形信息的通訊。2/2/202360圖形學(xué)主要研究內(nèi)容6、幾何模型構(gòu)造技術(shù)?？坍嫳惶幚韺ο髱缀涡再|(zhì)的描述信息就構(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、動畫技術(shù)。研究實現(xiàn)高速動畫生成的各種軟硬件方法、開發(fā)工具、動畫語言等。2/2/202361基于物理模型的計算機動畫生成方法2/2/202362圖形學(xué)主要研究內(nèi)容8、圖形軟硬件的系列化、模塊化和標準化的研究當前主要有兩種圖形APIJava的集成方法，圖形與用戶界面工具包被集成在一起。優(yōu)點：可移植性高，完全標準化，作為語言的一部分得到支持。2/2/202363圖形學(xué)主要研究內(nèi)容8、圖形軟硬件的系列化、模塊化和標準化的研究當前主要有兩種圖形APIDirect3D和OpenGL，繪圖命令是軟件庫的一部分，軟件庫與某種語言分離，而用戶界面軟件是獨立的實體，一般隨系統(tǒng)不同而不同。調(diào)用時，軟件庫與某種語言（如C++）綁定。優(yōu)點：軟件庫獨立性好，開發(fā)平臺靈活，繪圖效率高。缺點：不易編寫可移植代碼。2/2/202364圖形學(xué)主要研究內(nèi)容9、科學(xué)計算的可視化指應(yīng)用計算機圖形生成技術(shù)，將科學(xué)及工程計算的結(jié)果以及測量數(shù)據(jù)等，以圖形的形式在計算機屏幕上顯示出來，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，實現(xiàn)計算環(huán)境和工具進一步現(xiàn)代化。2/2/202365科學(xué)計算可視化AirflowinsideaThunderStrom

(BobWilhelmson,Univ.ofIllinois

atUrbana-Champaign)2/2/202366第四節(jié)圖形系統(tǒng)的硬件 計算機圖形系統(tǒng)：計算機顯示處理器(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2/2/202367CPU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）和Cache(緩存)，只有少部分的晶體管來完成實際的運算工作，速度上無法達到實時圖形繪制要求實時生成的三維圖像很粗糙技術(shù)進步正在慢于摩爾定律

2/2/202368GPU的圖形處理GPU的控制相對簡單，對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。處理浮點運算的能力強。技術(shù)進步速度超過摩爾定律，每6個月其性能加倍。。2/2/202369GPU的圖形處理GPU與CPU浮點處理能力對比2/2/202370GPU的圖形處理第一代GPU(1995年)：硬件實現(xiàn)深度緩沖區(qū)(z-buffer)和紋理映射(texturemapping)。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物體表面細節(jié)。在GPU上執(zhí)行的圖形操作被稱為硬件加速。3D圖形實時渲染(主要指游戲)的速度、畫質(zhì)取得了一個飛躍。2/2/202371GPU的圖形處理第二代GPU(1999年)：包括了硬件級的圖形幾何變換與光照計算(transformandlighting簡稱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的負荷，速度明顯提高。2/2/202372GPU的圖形處理第三代GPU：2001年，引入了可編程vertexshader(頂點著色器)單元。緊接著在2002年，可編程pixelshader(像素著色器)單元也加入了GPU。在繪制時，GPU接收CPU以圖元頂點形式發(fā)送的幾何數(shù)據(jù)。由頂點著色器進行處理，完成幾何變換與頂點屬性計算等功能。三維空間的圖元由一個固定功能的光柵生成器轉(zhuǎn)換為二維屏幕上的像素，每個像素的最終顏色值都通過在像素著色器上的小程序運算而得。2/2/202373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用戶程序幾何處理階段像素處理階段圖元二維屏幕坐標頂點著色器像素著色器圖形流水線基本運算是把三維頂點位置映射到二維屏幕位置，并對三角形進行明暗處理，使其看起來比較真實且按適當?shù)那昂髮哟物@示。2/2/2023742.CRT顯示器工作方式(1)隨機掃描方式(畫線顯示器,矢量顯示器)(2)光柵掃描方式

隨機掃描光柵掃描光柵掃描2/2/202375隨機掃描方式隨機掃描又稱為矢量掃描或軌跡掃描。隨機掃描顯示器又成為畫線顯示器。隨機掃描方式：通過畫出一系列線段來畫出圖形。CRT的電子束沿箭頭指出的路線點亮各線段，就顯示出一個多邊形的輪廓。優(yōu)點：畫線速度快，產(chǎn)生圖形分辨率高，缺點：難以產(chǎn)生具有多種灰度、色調(diào)能連續(xù)變化的圖形。2/2/202376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始由左向右進行正向掃描，當掃到最右位置時迅速回到最左邊位置。電子束同時還進行自上而下的掃描，所以行掃描線略向下傾斜，回掃后電子束到達下一行的左邊位置。當電子束如此逐行掃描到達屏面右下角時，即完成整個屏幕的掃描。優(yōu)點：能產(chǎn)生相當逼真的圖形顯示，已經(jīng)成為當前最重要的顯示方式。

2/2/202377電子束掃描過程示意圖2/2/202378基本概念（性能指標）像素：在光柵掃描圖形顯示器中，屏幕上可以點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=每行的像素數(shù)×行數(shù)分辨率越大，像素的總數(shù)越多，畫面的質(zhì)量也就越好，與此同時必須在單位時間內(nèi)完成對圖形的多幀的顯示，以使得圖形不閃爍，因而分辨率的大小對刷新速度有著直接的影響。2/2/202379基本概念（性能指標）亮度等級或稱灰度等級數(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)目分成兩個指標，顯示器可以顯示所有不同的顏色的總數(shù)；同一幀畫面允許顯示的不同顏色數(shù)目。2/2/202380幀存儲器幀存儲器：二維矩陣存儲屏幕上每個象素對應(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。2/2/202381幀存儲器幀存大小=分辨率×單元字節(jié)=每行像素數(shù)×行數(shù)×單元字節(jié)如果像素有256顏色，則幀存儲器的每一單元至少應(yīng)為8個bit，對于分辨率為1024×768的顯示器，幀存儲器的大?。簬娲笮?1024×768×1(byte)≈1M(byte)若為真彩色幀存大小=1024×768×3(byte)≈3M(byte)2/2/202382顏色系統(tǒng)RGB（紅、綠、藍）、顏色查詢表（colorlookuptable）、CMY（青、品紅、黃）、HSV（色彩、飽和度、亮度）2/2/202383x地址和y地址計數(shù)器圖形顯示時，光柵掃描發(fā)生器中的x地址和y地址計數(shù)器不斷計數(shù)。數(shù)值通過光柵掃描電路使CRT電子束產(chǎn)生掃描偏轉(zhuǎn)，作為地址值讀出幀存儲器中的內(nèi)容以控制顯示屏上對應(yīng)像素的顏色或亮度。2/2/202384第五節(jié)計算機圖形標準計算機圖形的標準包括圖形系統(tǒng)及其相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)中各界面之間進行數(shù)據(jù)傳送和通信的接口標準，是數(shù)據(jù)及文件格式標準。供圖形應(yīng)用程序調(diào)用的子程序功能及其格式標準，是子程序界面標準。

2/2/2023