計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第一章課件

1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)一、教學(xué)安排，共32學(xué)時(1~8周)二、考試辦法：閉卷筆試三、課程結(jié)束成績評定

筆試： 70%

作業(yè)+:30%（包括考勤、課堂回答問題）2四、參考教材孫家廣，胡事民，《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)》，清華大學(xué)出版社，2005年或更新的版本。我們課堂學(xué)習(xí)的內(nèi)容包括第一章全部內(nèi)容、第二章絕大部分內(nèi)容、第三章3.1和3.2大部分內(nèi)容、第四章4.1和4.2部分內(nèi)容。對于教材中未講授的內(nèi)容，有興趣的同學(xué)可以自學(xué)，遇到問題或困難可以答疑，但是，教材中未講授的內(nèi)容考試不作要求。3五、作業(yè)及答疑

教學(xué)和答疑教師：周登文，控制與計(jì)算機(jī)學(xué)院

答疑地點(diǎn)：主樓E座-1111(11層)

固定答疑時間：每周二下午2：00~4：00pm，其它答疑時間可預(yù)約答疑郵箱：

作業(yè)郵箱：

作業(yè)文件命名：每次作業(yè)文件打一個包，文件名為“班級-學(xué)號姓名-作業(yè)序號”。例如：計(jì)算117魏閃閃-1.zip。

56七、兩個問題 為什么要學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)?

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)學(xué)什么?7第一章 緒論

什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)？計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是利用計(jì)算機(jī)研究圖形的表示、生成、處理、顯示的學(xué)科。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)用的分支之一9

圖形與圖象圖象純指計(jì)算機(jī)內(nèi)以位圖(Bitmap)形式存在的灰度信息。圖形含有幾何屬性，更強(qiáng)調(diào)場景的幾何表示，是由場景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成的。圖形主要分為兩類基于線條信息表示明暗圖(Shading)101.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史 50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(fēng)I號（WhirlwindI）計(jì)算機(jī)的附件誕生了1958年，美國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，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)。11 60年代1962年，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的I.E.Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個人機(jī)交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文1962年，雷諾汽車公司的工程師PierreBézier提出Bézier曲線、曲面的理論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。13真實(shí)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(shí)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)14 80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(shí)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(jì)算機(jī)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15

ACMSIGGRAPH會議小知識全稱“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(美國科羅拉多州--位于美國西部)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17工程圖及其三維重建結(jié)果118工程圖及其三維重建結(jié)果219

可視化海量的數(shù)據(jù)使得人們對數(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(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21由圖形系統(tǒng)生成的野外場景22日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實(shí)感云23Xfrog3.0生成的挪威云杉25基于特征的圖象變形（貓變虎）26由三維FFD操作得到的魚的變形圖27

用戶接口(界面)用戶接口是人們使用計(jì)算機(jī)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圖形學(xué)已經(jīng)全面融入計(jì)算機(jī)的方方面面，很多軟件幾乎可以不看任何說明書，而根據(jù)它的圖形或動畫界面的指示進(jìn)行操作29Salisbury繪制的茶壺(Siggraph’97)30Salisbury繪制的熊(Siggraph’97)31OliverDeussen繪制的素描樹(Siggraph’2000)321.4 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33滾筒式繪圖儀平板式繪圖儀34平板式繪圖儀35

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)36CRT顯示器的簡易結(jié)構(gòu)圖37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，在很短的時間內(nèi)熒光物質(zhì)的電子會從高能態(tài)重新回到低能態(tài)，這時將發(fā)出熒光，屏幕上的那一點(diǎn)就會亮了要保持顯示一幅穩(wěn)定的畫面，必須不斷地發(fā)射電子束38電平控制器是用來控制電子束的強(qiáng)弱的。當(dāng)加上正電壓時，電子束就會大量通過，將會在屏幕上形成較亮的點(diǎn)；當(dāng)控制電平加上負(fù)電壓時，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)是一個電透鏡，能使眾多的電子聚集于一點(diǎn)加速系統(tǒng)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39電子束要到達(dá)屏幕的邊緣時，偏轉(zhuǎn)角度就會增大。到達(dá)屏幕最邊緣的偏轉(zhuǎn)角度被稱為最大偏轉(zhuǎn)角CRT顯示器屏幕越大整個顯象管就越長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)定顯示隔行掃描與逐行掃描大約達(dá)到每秒60幀即60Hz時，人眼才能感覺到屏幕不閃爍，要使人眼覺得舒服，一般必須有85Hz以上的刷新頻率40電子束逐行掃描過程示意圖41彩色CRT顯示器顯示彩色的原理彩色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)出三束電子來激發(fā)這三種物質(zhì)，通過控制三個電子束的強(qiáng)弱就能控制屏幕上點(diǎn)的顏色。彩色CRT顯示器有蔭罩式和蔭柵式兩種。蔭罩式顯示器的屏幕上的熒光點(diǎn)采用三角形的排列方式，屏幕呈球狀。顯象管象一張罩網(wǎng)，電子槍發(fā)射電子束通過罩孔。42蔭罩式彩色CRT顯色原理43蔭柵式顯示器的屏幕上的熒光粉安排成跨越整個屏幕的直條狀，屏幕呈柱狀。蔭罩改為條狀蔭柵，這種條狀蔭柵由固定在一個拉力極大的鐵框中的、互相平行的垂直鐵線陣列組成。這種柵欄從屏幕頂一直通到屏幕底，而不是單獨(dú)的熒光點(diǎn)。通過電子槍射出電子束，穿過柵條打在熒光條上使其發(fā)光。這種結(jié)構(gòu)因消除了縱向間距，比蔭罩式顯示器的效果要好：亮度、對比度、清晰度更高，色彩也更細(xì)致。44蔭柵式彩色CRT顯色原理45球面顯示器與柱面顯示器蔭罩式顯象管的表面呈略微凸起的球面狀，故稱之為“球面管”；蔭柵式顯象管的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上卻是筆直的，呈圓柱狀，故稱之為“柱面管”常用的蔭柵式顯象管有日本索尼公司的特麗瓏管（Trinitron）和三菱公司的鉆石瓏管（Diamondtron）46柱面和球面顯示器點(diǎn)距定義示意圖47

CRT顯示器的缺點(diǎn)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，顯示器的體積必然要加大，在使用時候就會受到空間的限制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期電磁輻射會對人們健康產(chǎn)生不良影響48LCD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)約能源沒有對人體健康有害的電磁輻射49索尼公司的兩款LCD外形50

圖形處理器（顯卡）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單的存儲器，它們實(shí)際上只起了一個圖形的存儲和傳遞作用，一切操作都必須有CPU來控制現(xiàn)在的圖形處理器不單單存儲圖形，而且能完成大部分圖形函數(shù)，專業(yè)的圖形處理器已經(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51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52顯卡工作原理簡單示意圖53

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)掃描儀54真實(shí)物體的三維信息的輸入在實(shí)際的產(chǎn)生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，有時這個模型要通過已有的實(shí)物零件得到，這時候就需要一種設(shè)備來采集實(shí)物表面各個點(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)在國外已經(jīng)有許多這樣的商業(yè)儀器這項(xiàng)技術(shù)的一個應(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55美國斯坦福大學(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