計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第二章

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第二章第1頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二回顧概念：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimagewiththeaidofcomputer.研究對(duì)象：圖形試圖從非圖像形式的圖形數(shù)據(jù)描述來(lái)生成（逼真的）圖像。

第2頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二回顧參數(shù)法:

以計(jì)算機(jī)中所記錄圖形的形狀參數(shù)與屬性參數(shù)來(lái)表示圖形的一種方法。形狀參數(shù)（幾何要素）：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)（非幾何要素）：顏色、材質(zhì)、線型等圖形（Graphics）直線A的端點(diǎn)為(x1,y1),(x2,y2)，紅色，實(shí)線，寬度2個(gè)象素第3頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二回顧計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)

計(jì)算輸出輸入圖形輸出設(shè)備存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)圖形輸入設(shè)備交互顯示器第4頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二回顧光柵掃描顯示器的特點(diǎn)可把光柵圖像顯示器看做許多離散點(diǎn)組成的矩陣，每個(gè)點(diǎn)都可以發(fā)光。除非特殊情況，一般在矩陣中是不能直接從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)畫(huà)一條筆直的直線，但可以用一系列的點(diǎn)來(lái)近似的表示這條直線。第5頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二回顧顯然，只有畫(huà)水平、垂直或正方形的對(duì)角線時(shí)，才能用點(diǎn)或像素畫(huà)出一條真正的直線，其他情況下的直線均呈階梯狀，這種現(xiàn)象稱為走樣或鋸齒（如下圖所示）。采用反走樣技術(shù)可適當(dāng)減輕階梯效果。CABDAB第6頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二回顧雙緩存（雙緩沖）：一個(gè)緩存用來(lái)刷新的同時(shí)，另一個(gè)寫入數(shù)據(jù)信息，而后這兩個(gè)緩存可互換角色。這種方式稱為雙緩存，它可以使得顯示的動(dòng)畫(huà)更流暢。第7頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二回顧屏幕坐標(biāo)系。第8頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第二章、圖形系統(tǒng)概述3D視覺(jué)是如何產(chǎn)生的電腦屏幕上的3D是如何產(chǎn)生的坐標(biāo)系介紹三維觀察流水線OpenGL圖形庫(kù)簡(jiǎn)介OpenGL渲染管線簡(jiǎn)介

第9頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)3D概念3D是指被描述或顯示的對(duì)象具有三個(gè)維度：寬度、高度和深度。人有兩只眼，兩只眼有一定距離，這就造成物體的影象在兩眼中有一些差異，大腦會(huì)根據(jù)這種差異感覺(jué)到立體的景象。第10頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)

第11頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)三維立體畫(huà)的原理第12頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)

第13頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)

第14頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)

第15頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)

第16頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)

第17頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)屏幕上的3D2D+透視=3D第18頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二著色顏色+明暗。

第19頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二紋理貼圖把存儲(chǔ)在內(nèi)存里的位圖包裹到3D渲染物體的表面。紋理貼圖給物體提供了豐富的細(xì)節(jié)，用簡(jiǎn)單的方式模擬出了復(fù)雜的外觀。

第20頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二混合(Blending)將不同的顏色混在一起。

第21頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)坐標(biāo)表示笛卡爾坐標(biāo)系模型坐標(biāo)系（物體坐標(biāo)系）世界坐標(biāo)系觀察坐標(biāo)系（攝像坐標(biāo)系）規(guī)范化坐標(biāo)系設(shè)備坐標(biāo)或屏幕坐標(biāo)第22頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)笛卡爾坐標(biāo)系

在數(shù)學(xué)里，笛卡兒坐標(biāo)系（Cartesian坐標(biāo)系），也稱直角坐標(biāo)系，是一種正交坐標(biāo)系。左手坐標(biāo)系與右手坐標(biāo)系

任何兩個(gè)2D笛卡爾坐標(biāo)都可以通過(guò)平移和旋轉(zhuǎn)使兩個(gè)坐標(biāo)系重合，但是3D笛卡爾坐標(biāo)就不一定了，實(shí)際上存在兩種完全不同的3D笛卡爾坐標(biāo)系，左手系和右手系。第23頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)左手坐標(biāo)系與右手坐標(biāo)系

第24頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)模型坐標(biāo)系（物體坐標(biāo)系）和特定物體相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系每個(gè)物體都有它們獨(dú)立的坐標(biāo)系。當(dāng)物體移動(dòng)或者改變方向時(shí)，和該物體相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系就隨之移動(dòng)或者改變方向。“前”“后”“左”“右”只有在物體坐標(biāo)系中才有意義物體坐標(biāo)系也能像指定方向一樣指定位置

第25頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二3D游戲中常用的坐標(biāo)系世界坐標(biāo)系（全局坐標(biāo)系∕宇宙坐標(biāo)系）建立了描述其他坐標(biāo)系所需要的參考框架。從非技術(shù)意義上講，它是我們關(guān)心的的最大坐標(biāo)系，所以世界坐標(biāo)系不必是整個(gè)世界世界坐標(biāo)的典型問(wèn)題：每個(gè)物體的位置和方向攝像機(jī)的位置和方向世界中每一點(diǎn)的地形是什么物體從那里來(lái)到那里去。第26頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二3D游戲中常用的坐標(biāo)系攝像機(jī)坐標(biāo)系是和觀察者密切相關(guān)的坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系定義在攝像機(jī)的屏幕可視區(qū)域。攝像坐標(biāo)系的典型問(wèn)題：3D空間中給定點(diǎn)在攝像機(jī)前方嗎？3D空間中的給定點(diǎn)在視錐區(qū)域內(nèi)還是在視錐區(qū)域外？物體是完全在視錐內(nèi)還是部分在視錐內(nèi)？?jī)蓚€(gè)物體，誰(shuí)在前面？第27頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)設(shè)備坐標(biāo)（DC）或屏幕坐標(biāo)：顯示設(shè)備的坐標(biāo)系稱為設(shè)備坐標(biāo)，該坐標(biāo)系依賴于具體的顯示設(shè)備。規(guī)范化坐標(biāo)系：指獨(dú)立于具體物理設(shè)備的一種坐標(biāo)系，它的坐標(biāo)范圍在x和y上的范圍都是0到1，主要用于在計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理圖形，對(duì)一個(gè)具體物理設(shè)備，規(guī)范化坐標(biāo)和設(shè)備坐標(biāo)僅僅相差一個(gè)比例因子，規(guī)范化坐標(biāo)可以看成是一個(gè)抽象的圖形設(shè)備。第28頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二三維觀察流水線拍照流程在攝影棚中布置場(chǎng)景確定照相機(jī)位置調(diào)焦拍照沖洗照片第29頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)觀察流水線模型坐標(biāo)系第30頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二繪制流水線圖形子系統(tǒng)的圖形繪制功能常常采用流水線結(jié)構(gòu)繪制。繪制流水線的基本結(jié)構(gòu)從概念上包括三個(gè)階段應(yīng)用程序階段幾何階段光柵階段應(yīng)用程序階段幾何階段光柵階段第31頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二OpenGL簡(jiǎn)介OpenGL（Open

Graphics

Library）是一個(gè)跨編程語(yǔ)言、跨平臺(tái)的程序接口它用于生成二維、三維圖像。其前身是SGI公司為其圖形工作站開(kāi)發(fā)的IRISGL。為了能夠更加容易的移植到不同的硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)，SGI開(kāi)發(fā)了OpenGLOpenGL已成為開(kāi)放的國(guó)際圖形標(biāo)準(zhǔn)。第32頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二OpenGL簡(jiǎn)介SGI（SiliconGraphics、硅圖）：《侏羅紀(jì)公園》、《玩具總動(dòng)員》、《泰坦尼克號(hào)》SGI圖形工作站、IRIS操作系統(tǒng)、IRISGL。第33頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二OpenGL簡(jiǎn)介OpenGL并非是一種語(yǔ)言，而是一種圖形開(kāi)發(fā)API與微軟的Directx類似。利用這些API能夠方便的描述二維和三維幾何物體，并控制這些物體按某種方式繪制到顯示緩存中。API集提供了物體描述、平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、關(guān)照、紋理、材質(zhì)、像素、位圖、文字、交互以及提高顯示性能等方面的功能，基本涵蓋了開(kāi)發(fā)二維、三維圖形程序所需的各個(gè)方面。第34頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二OpenGL與DirectX

第35頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二OpenGL的實(shí)現(xiàn)方式軟件實(shí)現(xiàn)Mesa3D第36頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二OpenGL的實(shí)現(xiàn)方式硬件實(shí)現(xiàn)第37頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二OpenGL相關(guān)庫(kù)OpenGL核心庫(kù)：gl opengl32.libopengl32.dllgl.hOpenGL實(shí)用程序庫(kù)：glu glu32.libglu32.dllglu.hOpenGL編程輔助庫(kù)：aux glaux.libglaux.dllglaux.hOpenGL實(shí)用程序工具包：glut glut32.libglut32.dllglut.h第38頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二OpenGL命名規(guī)則OpenGL函數(shù)都遵循一個(gè)命名約定，采用如下格式：

<庫(kù)前綴><根命令><可選參數(shù)個(gè)數(shù)><可選參數(shù)類型>

例如函數(shù)glColor3f(…)，gl表示這個(gè)函數(shù)來(lái)自庫(kù)gl.h，根命令是Color表示該函數(shù)用于顏色設(shè)定，3f表示這個(gè)函數(shù)采用三個(gè)浮點(diǎn)數(shù)為參數(shù)。符號(hào)常量的表示：GL開(kāi)頭，下劃線“_”分開(kāi)，大寫。

例如：GL_RGB，GL_POLYGON第39頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二OpenGL數(shù)據(jù)類型

第40頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二OpenGL安裝1、將OpenGL文件夾拷到某一路徑下2、打開(kāi)VS2012開(kāi)發(fā)環(huán)境，

新建項(xiàng)目，或打開(kāi)已有項(xiàng)目第41頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二OpenGL安裝3、打開(kāi)屬性對(duì)話框，選擇VC++目錄第42頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二OpenGL安裝4、打開(kāi)“包含目錄”配置對(duì)話框，并加入你的OpenGL安裝路徑中“include”文件夾的路徑。注意：如果是win8系統(tǒng)需要加入以下路徑：C:\ProgramFiles(x86)\MicrosoftSDKs\Windows\v7.1A\Include第43頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二OpenGL安裝5、打開(kāi)“庫(kù)目錄”配置對(duì)話框，并加入你的OpenGL安裝路徑中“Lib”文件夾的路徑。注意：如果是win8系統(tǒng)需要加入以下路徑：C:\ProgramFiles(x86)\MicrosoftSDKs\Windows\v7.1A\Lib第44頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二OpenGL狀態(tài)機(jī)OpenGL是一種狀態(tài)機(jī)模式狀態(tài)機(jī)是一個(gè)抽象的模型，表示一組狀態(tài)變量的集合。打開(kāi)狀態(tài)glEnable(GLenumcapability)關(guān)閉狀態(tài)glDisable(GLenumcapability)第45頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二OpenGL渲染管線

第46頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二OpenGL渲染管線頂點(diǎn)準(zhǔn)備(Vertex)頂點(diǎn)著色(VertexShader)細(xì)分曲面著色(TessellationShader)幾何著色(GeometryShader)圖元裝配(PrimitiveSetup)裁剪(Clipping)光柵化(Rasterization)片段著色(FragmentShader)最終圖像生成

第47頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二渲染的概念概念渲染(Rendering)渲染是指：計(jì)算機(jī)根據(jù)圖形信息（頂點(diǎn)坐標(biāo)、法向量、視點(diǎn)、紋理以及照明信息等）生成圖像的過(guò)程。預(yù)渲染（pre-rendering/offlinerendering）預(yù)渲染的計(jì)算強(qiáng)度很大，需要大量的服務(wù)器運(yùn)算完成，通常被用于電影制作，對(duì)渲染速度沒(méi)有限制。實(shí)時(shí)渲染(real-timerendering/onlinerendering)常用于三維視頻游戲，要求最少每秒渲染24幀圖像

第48頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二頂點(diǎn)

第49頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二頂點(diǎn)頂點(diǎn)(Vertex)

構(gòu)成三維模型的基本要素，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，頂點(diǎn)就是空間中的一個(gè)點(diǎn)。頂點(diǎn)上通常會(huì)包含位置信息，也可以附加其它信息，如紋理坐標(biāo)（如何映射紋理）、發(fā)向量（如何計(jì)算光照）、顏色等。

第50頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二頂點(diǎn)著色器

第51頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二著色器(Shader)什么是著色器?什么是頂點(diǎn)著色器？什么是頂點(diǎn)變換和投影變換？

第52頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二著色器(Shader)Shader(著色器)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像渲染的替代固定渲染管線的可編輯程序。程序員將著色器應(yīng)用于圖形處理器（GPU）的可編程流水線，來(lái)實(shí)現(xiàn)三維應(yīng)用程序著色器替代了傳統(tǒng)的固定渲染管線，可以實(shí)現(xiàn)3D圖形學(xué)計(jì)算中的相關(guān)計(jì)算，由于其可編輯性，可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的圖像效果而不用受顯卡的固定渲染管線限制。這極大的提高了圖像的畫(huà)質(zhì)。

第53頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二頂點(diǎn)著色器(VertexShader)頂點(diǎn)著色器運(yùn)行于GPU上，會(huì)作用于每個(gè)頂點(diǎn)，其用途主要有兩個(gè)：對(duì)頂點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換，例如將世界坐標(biāo)系中的點(diǎn)變換到觀察坐標(biāo)系（模型視圖變換）。將三維空間中的點(diǎn)投影到二維空間，即投影變換。

第54頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二頂點(diǎn)著色器(VertexShader)

第55頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二變換(Transformation)和投影(Projection)變換矩陣

對(duì)頂點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移等操作。投影矩陣投影意味著降低維度，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，投影矩陣用于將3D坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成二維屏幕坐標(biāo)。

第56頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二曲面細(xì)分著色器

第57頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二細(xì)分曲面著色器(TessellationShader)光柵化圖形渲染技術(shù)的核心是繪制大量三角形來(lái)組成3D模型，而Tessellation技術(shù)就是利用GPU硬件加速，將現(xiàn)有3D模型的三角形拆分得更細(xì)小、更細(xì)致，也就是大大增加三角形數(shù)量，使得渲染對(duì)象的表面和邊緣更平滑、更精細(xì)。

第58頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二幾何著色(GeometryShader)

第59頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二幾何著色(GeometryShader)幾何著色器以完整的圖元作為輸入數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)我們繪制三角形列表時(shí)，輸入到幾何著色器的數(shù)據(jù)是構(gòu)成三角形的三個(gè)點(diǎn)。（注意，這三個(gè)點(diǎn)是從頂點(diǎn)著色器傳遞過(guò)來(lái)的。）幾何著色器的主要優(yōu)勢(shì)是它可以創(chuàng)建或銷毀幾何體。例如，輸入圖元可以被擴(kuò)展為一個(gè)或多個(gè)其他圖元，或者幾何著色器可以根據(jù)某些條件拒絕輸出某些圖元。這一點(diǎn)與頂點(diǎn)著色器有明顯的不同：頂點(diǎn)著色器無(wú)法創(chuàng)建頂點(diǎn)，只要輸入一個(gè)頂點(diǎn)，那么就必須輸出一個(gè)頂點(diǎn)。幾何著色器通常用于將一個(gè)點(diǎn)擴(kuò)展為一個(gè)四邊形，或者將一條線擴(kuò)展為一個(gè)四邊形。

第60頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二幾何著色(GeometryShader)

第61頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二圖元裝配(PrimitiveSetup)

第62頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二圖元裝配(PrimitiveSetup)前幾個(gè)著色階段都使用相關(guān)的信息操作頂點(diǎn)，這些信息關(guān)于頂點(diǎn)如何被組織成幾何圖元，繼而被送到OpenGL內(nèi)部。圖元裝配階段將頂點(diǎn)裝配成它們關(guān)聯(lián)的幾何圖元，即根據(jù)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)生成線段、三角形等基本圖元。

第63頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二裁剪(Clipping)

第64頁(yè)，共71頁(yè)，2023年，2月20日，星期二裁剪(Clipping)接著對(duì)裝配好的圖元進(jìn)行裁剪（clip）：保留完全在視錐體中的圖元，丟棄完全不在視錐體中的圖元，對(duì)一半在一半不在的圖元進(jìn)行裁剪；接著再對(duì)在視錐體中