計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖形處理技術(shù)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖形處理技術(shù)第一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二7.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概論

7.1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的主要內(nèi)容

圖形的應(yīng)用已經(jīng)有數(shù)千年的歷史。早在兩千多年前，就出現(xiàn)了歐幾里德幾何，后來又出現(xiàn)立體幾何、解析幾何和樣條幾何，廣泛用于數(shù)學(xué)和建筑學(xué)，對(duì)科學(xué)和教育事業(yè)起了很大作用。

如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形、以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法，構(gòu)成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容。圖形通常由點(diǎn)、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術(shù)上來看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的，用于刻畫物體形狀的點(diǎn)、線、面、體等幾何要素。如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類是反映物體表面屬性或材質(zhì)的灰度顏色等非幾何要素。它側(cè)重于根據(jù)給定的物體描述模型、光照及攝像機(jī)來生成真實(shí)感圖形。

第二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形計(jì)算與顯示算法，以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。

第三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二7.1.2計(jì)算機(jī)圖形處理的基本概念

計(jì)算機(jī)圖形處理是指利用由概念或數(shù)學(xué)描述所表示物體的幾何數(shù)據(jù)或幾何模型，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示并存儲(chǔ)，并可以進(jìn)行修改、完善以及有關(guān)操作的過程。圖形處理包括的主要內(nèi)容有:幾何變換，如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、透視和投影等曲線和曲面擬合建?；蛟煨碗[線隱面消除陰暗處理紋理產(chǎn)生著色圖形處理技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造、計(jì)算機(jī)教育、計(jì)算機(jī)藝術(shù)、計(jì)算機(jī)模擬、計(jì)算機(jī)可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫和虛擬現(xiàn)實(shí)。CAD是圖形學(xué)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。第四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二7.1.3計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成與功能計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成

計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)應(yīng)由硬件設(shè)備和相應(yīng)的圖形軟件系統(tǒng)兩部分組成。

高質(zhì)量的計(jì)算機(jī)圖形離不開高性能的計(jì)算機(jī)圖形硬件設(shè)備。例如，國(guó)際上廣泛使用的SunSPARC系列工作站、HP系列工作站，便是性能優(yōu)異的專用圖形系統(tǒng)。

圖形系統(tǒng)硬件通常由圖形處理器，圖形輸出設(shè)備和輸入設(shè)備構(gòu)成。圖形處理器是圖形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要部件，是連接計(jì)算機(jī)和顯示終端的紐帶。圖形處理器具有存儲(chǔ)和處理圖形的功能，而且能完成大部分圖形函數(shù)計(jì)算，這樣就大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)顯示能力和顯示速度。

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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)。人們一般通過一些圖形軟件由鍵盤和鼠標(biāo)直接在屏幕上定位和輸入圖形，如人們常用的CAD系統(tǒng)就是用鼠標(biāo)和鍵盤命令生產(chǎn)各種工程圖的。此外還有跟蹤球、空間球、數(shù)據(jù)手套、光筆、觸摸屏等輸入設(shè)備。跟蹤球和空間球都是根據(jù)球在不同方向受到的推或拉的壓力來實(shí)現(xiàn)定位和選擇。數(shù)據(jù)手套則是通過傳感器和天線來獲得和發(fā)送手指的位置和方向的信息。這幾種輸入設(shè)備在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的構(gòu)造和漫游中特別有用。光筆是一種檢測(cè)光的裝置，它直接在屏幕上操作，拾取位置。

第六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、圖形輸入/輸出設(shè)備的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形軟件也不斷更新和完善，目前發(fā)展了許多支持計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的軟件系統(tǒng)。如各種子程序包、圖形函數(shù)庫(kù)、甚至是專用的圖形系統(tǒng)。隨著圖形系統(tǒng)的發(fā)展，提出了圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化的問題。為實(shí)現(xiàn)程序的可移植性，開發(fā)出了面向設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序包或面向用戶的圖形生成及管理程序包。

圖形系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制是計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程領(lǐng)域的重要內(nèi)容。作為一個(gè)圖形系統(tǒng)，至少應(yīng)具有計(jì)算、存儲(chǔ)、輸入、輸出、對(duì)話等五個(gè)方面的基本功能。

計(jì)算功能

能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中所需的計(jì)算、變換、分析等功能，如：圖元生成、坐標(biāo)變換等；

存儲(chǔ)功能

能存放（形體的）幾何數(shù)據(jù)、形體間的關(guān)系，并可對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢索、維護(hù)；

輸入功能

可輸入形體的幾何參數(shù)及各種命令。

第七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二輸出功能

可顯示過程中當(dāng)前狀態(tài)，修改后的結(jié)果，并可硬拷貝及輸出。

對(duì)話功能

可通過圖形顯示器及其他人——機(jī)交互設(shè)備直接進(jìn)行人——機(jī)通信。用戶通過顯示器觀察設(shè)計(jì)結(jié)果和圖形，用選擇拾取設(shè)備，對(duì)不滿意部分作出修改。系統(tǒng)還可追溯以前的工作步驟，對(duì)用戶操作執(zhí)行的錯(cuò)誤給予必要的提示和跟蹤。

以上五種功能是一個(gè)圖形系統(tǒng)所具備的最基本功能，至于每種功能中有哪些能力，則因不同系統(tǒng)而異。

第八頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二7.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用7.2.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究最早起源于美國(guó)麻省理工學(xué)院。從20世紀(jì)50年代初到60年代中期，麻省理工學(xué)院（MIT）積極從事現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)／制造技術(shù)的開拓性研究。計(jì)算機(jī)圖形(ComputerGraphics)這個(gè)術(shù)語(yǔ)是在1962年美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的IvanE.sutherland發(fā)表的一篇題為“Sketchpad:一個(gè)人一機(jī)通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文中首次使用。它證明了交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一個(gè)可行的、有用的研究領(lǐng)域，從而確立了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為一個(gè)嶄新的學(xué)科分支的獨(dú)立地位。

第九頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

1964年，孔斯(S.Coons)提出了用小塊曲面片組合表示自由曲面，使曲面片邊界上達(dá)到任意高階連續(xù)的理論方法，稱孔斯曲面。此方法受到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大重視。法國(guó)雷諾公司的貝賽爾(P.Bezier)也提出了Bezier曲線和曲面，并將其成功地用于幾何外形設(shè)計(jì)，開發(fā)了用于汽車外形設(shè)計(jì)的UNISURF系統(tǒng)。他們被稱為計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)的奠基人。

1964年，IBM公司推出了第一臺(tái)交互式光筆輸入顯示器的設(shè)計(jì)方案，以后經(jīng)過改進(jìn)，成為IBM2250顯示器。它預(yù)示著交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的誕生。洛克希德飛機(jī)公司利用IBM2250開發(fā)了CAD繪圖加工系統(tǒng)，從1974年起向外界轉(zhuǎn)讓，成為IBM主機(jī)上目前應(yīng)用最廣的CAD／CAM軟件。

第十頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

DAC-1,世界上首個(gè)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng)，1959年由IBM開發(fā)世界上第一臺(tái)光筆交互式圖形顯示器IBM2250第十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

20世紀(jì)70年代，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)另外兩個(gè)重要進(jìn)展是真實(shí)感圖形學(xué)和實(shí)體造型技術(shù)的產(chǎn)生。1980年提出了光透視模型和光線跟蹤算法，標(biāo)志著真實(shí)感圖形的顯示算法已逐漸成熟。

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第十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二7.2.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)不斷發(fā)展，它的應(yīng)用范圍也日趨廣泛。目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域主要有：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）

CAD/CAM是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)被廣泛用來進(jìn)行建筑工程設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。包括設(shè)計(jì)飛機(jī)、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。在電子工業(yè)中，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用到集成電路、印刷電路板、電子線路和網(wǎng)絡(luò)分析等方面的優(yōu)勢(shì)是十分明顯的。一個(gè)復(fù)雜的大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路版圖根本不可能用手工設(shè)計(jì)和繪制，用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)不僅能進(jìn)行設(shè)計(jì)和畫圖，而且可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成，把其結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進(jìn)行加工處理。在飛機(jī)工業(yè)中，美國(guó)波音飛機(jī)公司已用有關(guān)的CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)波音777飛機(jī)的整體設(shè)計(jì)和模擬，其中包括飛機(jī)外型、內(nèi)部零部件的安裝和檢驗(yàn)。第十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二CAD領(lǐng)域另一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域是基于工程圖紙的三維形體重建。三維形體重建就是從二維信息中提取三維信息，通過對(duì)這些信息進(jìn)行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對(duì)應(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點(diǎn)、線、面及其拓?fù)潢P(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)形體的重建。第十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖形化的用戶接口

目前正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。研究多通道語(yǔ)義模型、多通道整合算法及其軟件結(jié)構(gòu)和界面范式是當(dāng)前用戶界面和接口方面研究的主流方向，而圖形學(xué)在其中起主導(dǎo)作用。地形地貌和自然資源圖

第十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二科學(xué)計(jì)算可視化

科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)量的與日俱增使得人們對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來越難，人們無法從數(shù)據(jù)海洋中得到最有用的數(shù)據(jù)，找到數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，提取最本質(zhì)的特征。但是如果能將這些數(shù)據(jù)用圖形的形式表示出來，情況就不一樣了，事物的發(fā)展趨勢(shì)和本質(zhì)特征將會(huì)很清楚地呈現(xiàn)在人們面前。5.計(jì)算機(jī)動(dòng)畫和藝術(shù)三維動(dòng)畫電影《精靈鼠小弟》

計(jì)算機(jī)創(chuàng)作的靜物風(fēng)格作品

圖6-7計(jì)算機(jī)動(dòng)畫與藝術(shù)創(chuàng)作

第十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二7.3圖形與圖像的區(qū)別與聯(lián)系

應(yīng)當(dāng)指出，從歷史上來看圖形和圖像有著較大不同，不能混為一談。直到目前為止，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)字圖像處理還是作為兩門課程分別講授的。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是指將點(diǎn)、線、面、曲面等實(shí)體生成物體的模型存放在計(jì)算機(jī)里，并可進(jìn)行修改、處理、操作和顯示的一門學(xué)科。圖形含有幾何屬性，或者說更強(qiáng)調(diào)場(chǎng)景的幾何表示，是由場(chǎng)景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成的。

數(shù)字圖像處理技術(shù)是對(duì)計(jì)算機(jī)外部輔助設(shè)備（如掃描儀、數(shù)碼相機(jī)或視頻采集裝置等）輸入的圖像像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理、變換、壓縮和傳輸?shù)囊婚T計(jì)算機(jī)技術(shù)。就存儲(chǔ)方式而言，圖像純指計(jì)算機(jī)內(nèi)以位圖(Bitmap)形式存在的灰度或彩色信息圖形的幾何屬性，應(yīng)用面非常廣。第十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖形與圖像的主要區(qū)別有：數(shù)據(jù)來源不同

圖像數(shù)據(jù)來自客觀世界；圖形數(shù)據(jù)來自主觀世界。

處理方法不同

圖像處理方法包括幾何修正、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像理解、圖像識(shí)別等；圖形處理方法包括幾何變換、開窗和裁剪、隱藏線和隱藏面消除、曲線和曲面擬合、明暗處理、紋理產(chǎn)生等。

理論基礎(chǔ)不同

圖像處理理論主要用到數(shù)字信號(hào)處理、概率與統(tǒng)計(jì)、模糊數(shù)學(xué)等；計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論主要用到仿射與透視變換、樣條幾何、計(jì)算幾何、分形理論等。

第十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖形與圖像的對(duì)比與區(qū)別

圖形(Graphics)圖像(Image)數(shù)據(jù)量很少數(shù)據(jù)量很大有結(jié)構(gòu)，便于編輯修改無結(jié)構(gòu)，不便于編輯修改能準(zhǔn)確表示3D景物，易于生成所需的不同視圖3D景物的信息巳部分丟失，很難生成不同的視圖生成視圖需要復(fù)雜的計(jì)算生成視圖不需要復(fù)雜的計(jì)算自然景物的表示很困難自然景物的表示不困難國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：GKS，PHIGS，OpenGL，WMF，VRML;CGM，STEP，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：JBIG，JPEG，TIFF

編輯軟件(繪圖軟件):AutoCAD，CorelDRAW編輯軟件(圖像處理軟件)：Photoshop，Photostyler第十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

隨著圖形圖像技術(shù)的發(fā)展，兩者之間相互交叉、相互滲透，其界線也越來越模糊，計(jì)算機(jī)圖形與圖像處理之間的聯(lián)系與轉(zhuǎn)換如下圖所示：

圖形學(xué)的逆過程是分析和識(shí)別輸入的圖像并從中提取二維或三維的數(shù)據(jù)模型（特征）。例如手寫體識(shí)別、機(jī)器視覺。模型變換是采用CAGD（ComputerAidedGeometricDesign）技術(shù)，CAGD技術(shù)適用于幾何形體在計(jì)算機(jī)中的表示，分析、研究怎樣靈活方便地建立幾何形體的數(shù)學(xué)模型，提高算法效率，研究曲線、曲面的表示、生成、拼接、數(shù)據(jù)擬合，如何在計(jì)算機(jī)內(nèi)更好地存儲(chǔ)和管理這些模型等。

第二十頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二二維矢量繪圖與編輯矢量圖形對(duì)象與繪圖工具1.矢量圖形對(duì)象2.繪圖工具圖6-8矢量繪圖軟件提供的工具箱

第二十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二交互式工具是矢量繪圖軟件中的一個(gè)非常重要的功能，通過一系列的交互工具的使用，可以創(chuàng)建出令人驚嘆的效果。使用“調(diào)和工具”，可以將兩個(gè)對(duì)象通過調(diào)和平滑的組合在一起，在矢量圖形對(duì)象之間產(chǎn)生形狀、顏色的連續(xù)變化（圖a）。交互式變形工具可以同時(shí)對(duì)多個(gè)矢量對(duì)象進(jìn)行變形（圖b）。第二十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二(a)交互式調(diào)和工具效果(b)交互式變形工具效果（注意變形前后兩個(gè)圖形的不同）圖

交互式工具的使用第二十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二智能繪圖工具自動(dòng)對(duì)涂鴉的線條進(jìn)行識(shí)別、判斷并組織成最接近的幾何形狀，如圖6-10所示。圖

智能繪圖工具能將手繪草圖轉(zhuǎn)換成最接近的幾何形狀第二十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二路徑與錨點(diǎn)開放路徑：路徑有兩個(gè)明顯的端點(diǎn)（錨點(diǎn)），中間有任意數(shù)目的定位點(diǎn)。閉合路徑：路徑是連續(xù)的，沒有終點(diǎn)和起始點(diǎn)。閉合路徑對(duì)象是可以填充的，而開放路徑對(duì)象則不能填充。復(fù)合路徑：由兩個(gè)或多個(gè)開放或閉合路徑組成。圖

路徑及其繪圖實(shí)例第二十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二曲線編輯圖

由兩個(gè)Bazzier曲線段連接而成的曲線，拖動(dòng)方向線可改變曲線的彎曲形狀第二十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二填充與漸變

圖

漸變與圖案填充效果

圖

漸變網(wǎng)格應(yīng)用示意圖及作品第二十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二矢量字體圖

用矢量繪圖軟件設(shè)計(jì)的美術(shù)字體第二十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二三維造型圖

用AdobeIllustratorCS矢量繪圖軟件設(shè)計(jì)的三維圖形第二十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二7.4真實(shí)感圖形技術(shù)什么是真實(shí)感圖形

計(jì)算機(jī)真實(shí)感圖形是一種光柵圖形。光柵圖形顯示器的屏幕由一系列顯示單元組成，每一個(gè)顯示單元稱為一個(gè)像素。生成一幅真實(shí)感圖形時(shí)，我們必須逐個(gè)像素地計(jì)算畫面上相應(yīng)景物表面區(qū)域的顏色。顯然，在計(jì)算可見景物表面區(qū)域的顏色時(shí)，不但要考慮光源對(duì)該區(qū)域入射光的光亮度，而且還要考慮該表面區(qū)域?qū)庠吹某颍砻娴牟牧虾头瓷湫再|(zhì)等。簡(jiǎn)言之，這種計(jì)算必須基于一定的光學(xué)物理模型，我們將其稱之為光照明模型?；趫?chǎng)景幾何和光照模型生成一幅真實(shí)感圖形的過程稱之為繪制。由于光柵圖形屏幕通常包含數(shù)十萬甚至上百萬像素，因此，如何開發(fā)利用景物的空間連貫性和圖像空間連貫性，提高繪制算法的效率是真實(shí)感圖形技術(shù)研究的重點(diǎn)。

真實(shí)感圖形是一種計(jì)算機(jī)圖形生成技術(shù)，它首先在計(jì)算機(jī)中構(gòu)造出所需場(chǎng)景的幾何模型，然后根據(jù)假定的光照條件，計(jì)算畫面上可見的各景物表面的光亮度，使觀者產(chǎn)生如臨其境，如見其物的視覺效果。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)本身的發(fā)展，真實(shí)感圖形學(xué)在我們?nèi)粘５墓ぷ鳌W(xué)習(xí)和生活中已經(jīng)有了非常廣泛的應(yīng)用。

第三十頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二7.4.1真實(shí)感圖形生成步驟

用計(jì)算機(jī)在圖形設(shè)備上生成連續(xù)色調(diào)的真實(shí)感圖形，必須完成下面四個(gè)基本的任務(wù)：三維造型或建模。用數(shù)學(xué)方法建立所需三維場(chǎng)景的幾何描述，并將它們輸入到計(jì)算機(jī)中。這一部分的工作通常是由三維立體造型系統(tǒng)或曲面造型系統(tǒng)完成的。場(chǎng)景的幾何描述直接影響了圖形的復(fù)雜性和圖形繪制的計(jì)算開銷。將三維幾何描述轉(zhuǎn)換為二維透視圖。這可通過對(duì)場(chǎng)景的透視變換來完成。確定場(chǎng)景中的所有可見面。這需要使用隱藏面消除算法將視野之外或被其他物體遮擋的不可見面消去。根據(jù)基于光學(xué)物理的光照明模型計(jì)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像素的顏色，最終生成圖形。第三十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二7.4.2三維幾何造型方法

幾何造型技術(shù)是一項(xiàng)研究在計(jì)算機(jī)中如何表達(dá)物體模型形狀的技術(shù)。它從誕生到現(xiàn)在，僅僅經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展歷史，由于幾何造型技術(shù)研究的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件性能的大幅度提高，已經(jīng)出現(xiàn)了許多以幾何造型作為核心的實(shí)用化系統(tǒng)，在航空航天、汽車、造船、機(jī)械、建筑和電子等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

在幾何造型系統(tǒng)中，描述物體的三維模型有三種，即線框模型、表面模型和實(shí)體模型。

線框模型是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和CAD/CAM領(lǐng)域最早用來表示物體的模型，是歷史最久的建模方法，它建立在牢固的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上，線框模型所描述的物體的幾何信息都是可知的，控制的靈活性最高，在需要精確描述的場(chǎng)合（如CAD）有其他方法無法替代的作用。計(jì)算機(jī)繪圖是這種模型的一個(gè)重要應(yīng)用。第三十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二表面模型在線框模型的基礎(chǔ)上，增加了物體表面的信息。它用面的集合來表示物體，而用環(huán)來定義面的邊界。三維表面模型表示三維物體的信息并不完整，但它能夠表達(dá)復(fù)雜的曲面，在幾何造型中具有重要的地位。對(duì)于支持曲面的三維實(shí)體模型，表面模型是它的基礎(chǔ)。

實(shí)體模型是最高級(jí)的模型，它能完整表示物體的所有形狀信息，可以無歧義地確定一個(gè)點(diǎn)是在物體外部、內(nèi)部或表面上，這種模型能夠進(jìn)一步滿足物理計(jì)算、有限元分析等應(yīng)用的要求。

第三十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖三維實(shí)體模型的表示第三十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二7.4.3消隱算法

人不能一眼看到一個(gè)三維物體的全部表面。從一個(gè)視點(diǎn)去觀察一個(gè)三維物體，必然只能看到該物體表面上的部分點(diǎn)、線、面，而其余部分則被這些可見部分遮擋住。如果觀察的是若干個(gè)三維物體，則物體之間還可能彼此遮擋而部分不可見。因此，如果想有真實(shí)感地顯示三維物體，必須在視點(diǎn)確定之后，將對(duì)象表面上不可見的點(diǎn)、線、面消去。執(zhí)行這一功能的算法，稱為消隱算法。消隱算法是將物體的表面分解為一組空間多邊形，研究多邊形之間的遮擋關(guān)系。從應(yīng)用的角度看，有兩類消隱問題：線消隱（Hidden-line），它用于線框圖；面消隱（Hidden-surface），它用于表面填色。第三十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二消隱算法大致可以分為：物體空間法、圖像空間法和排列優(yōu)先法。這三種算法是根據(jù)由多面體構(gòu)成一個(gè)物體，從某個(gè)視點(diǎn)來看，判斷出哪個(gè)部分是可視的判斷基準(zhǔn)來進(jìn)行分類的。物體空間法是在其整個(gè)空間內(nèi)判斷其可視性的方法。圖像空間法是利用物體投影的投影面來進(jìn)行可視判斷的方法排列優(yōu)先發(fā)是對(duì)構(gòu)成物體的多面體或構(gòu)成多面體的多邊形，根據(jù)從視點(diǎn)比較容易看到的優(yōu)先順序進(jìn)行排列，將優(yōu)先順序高的面所遮擋的面消去的方法。第三十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二(a)線框圖(b)從右上往下看（C）從左下住上看

圖

線框模型具有二義性

線框圖線消隱面消隱

圖

線消隱與面消隱

第三十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二經(jīng)線消隱處理的三維線框圖

經(jīng)面消隱處理的三維填色圖

第三十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二7.4.4光照模型

當(dāng)光照射到物體表面時(shí)，光線可能被吸收、反射和透射。被物體吸收的部分轉(zhuǎn)化為熱。反射、透射的光進(jìn)入人的視覺系統(tǒng)，使我們能看見物體。為模擬這一現(xiàn)象，我們建立一些數(shù)學(xué)模型來替代復(fù)雜的物理模型。這些模型就稱為光照明模型或者明暗效應(yīng)模型。在真實(shí)感圖形學(xué)中，為了模擬現(xiàn)實(shí)世界中的場(chǎng)景，我們一般需要知道這個(gè)場(chǎng)景的光照明效果的物理模型，然后我們用一個(gè)數(shù)學(xué)模型來表示它，通過計(jì)算這種數(shù)學(xué)模型可以得到計(jì)算機(jī)模擬出來的真實(shí)感效果。三維形體的圖形經(jīng)過消隱后，再進(jìn)行光照處理，可以進(jìn)一步提高圖形的真實(shí)感。

照射到物體上的光線，不僅有從光源直接射來的，也有經(jīng)過其他物體反射或折射來的。局部光照模型只能處理直接光照，為了對(duì)環(huán)境中物體之間的各種反射、折射光進(jìn)行精確模擬，需要使用整體光照模型

第三十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二(a)采用局部光照模型繪制的三維球體

(b)采用整體光照模型繪制的三維球體

圖局部光照模型和整體光照模型示例第四十頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二表現(xiàn)場(chǎng)景整體照明效果的一個(gè)重要方面是透明現(xiàn)象的模擬。下圖模擬了場(chǎng)景中透明物體的整體照明效果。圖

用整體照明模型模擬的物體透明效果第四十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，物體表面的細(xì)節(jié)稱為紋理。一般只考慮兩種類型的紋理。一種是在光滑表面上繪制一定的花紋或圖案，當(dāng)花紋繪制后，表面仍然光滑如初，一般這一過程可用一映射函數(shù)來描述。另一種是使物體表面出現(xiàn)凹凸不平的感覺。這一過程則可用一個(gè)擾動(dòng)函數(shù)來描述。表面紋理（Texture）的描繪用于表示細(xì)微的凹凸不平的物體表面，如布紋、植物和水果的表皮等等。由于將這種細(xì)微的表面凹凸表達(dá)為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)既很困難，又無必要（通常只是為了逼真的視覺效果），因此通常用一種特殊的算法來模擬它，將紋理逼真地顯示出來，滿足視覺感官的需要。圖

采用紋理映射生成的物體表面第四十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二陰影的生成

陰影是現(xiàn)實(shí)生活中一個(gè)很常見的光照現(xiàn)象，它是由于光源被物體遮擋而在該物體后面產(chǎn)生的較暗的區(qū)域。在真實(shí)感圖形學(xué)中，通過陰影可以提供物體位置和方向信息，從而可以反映出物體之間的相互關(guān)系，增加圖形圖像的立體效果和真實(shí)感。當(dāng)我們知道了物體的陰影區(qū)域以后，就可以用簡(jiǎn)單光照明模型中計(jì)算光強(qiáng)。對(duì)于物體表面的多邊形，如果在陰影區(qū)域內(nèi)部，那么該多邊形的光強(qiáng)就只有環(huán)境光那一項(xiàng)，否則就用正常的模型計(jì)算光強(qiáng)。通過這種方便的方法，就可以把陰影引入簡(jiǎn)單光照明模型中，使產(chǎn)生的真實(shí)感圖形更有層次感。

圖

光照模型中的陰影表示第四十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.光線跟蹤光透射光線跟蹤（Ray-trace）是一種真實(shí)感地顯示物體的方法，最基本的光線跟蹤算法是跟蹤鏡面反射和折射。從光源發(fā)出的光遇到物體的表面，發(fā)生反射和折射，光就改變方向，沿著反射方向和折射方向繼續(xù)前進(jìn)，直到遇到新的物體，這是光線跟蹤算法的基礎(chǔ)。第四十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二下圖顯示了一個(gè)光線跟蹤的例子圖

光線跟蹤示例第四十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二對(duì)于透明或半透明的物體，在光線與物體表面相交時(shí)，一般會(huì)產(chǎn)生反射與折射，經(jīng)折射后的光線將穿過物體而在物體的另一個(gè)面射出，形成透射光。由于透明物體可以透射光，因而我們可以透過這種材料看到后面的物體，由于光的折射通常會(huì)改變光的方向，要在真實(shí)感圖形學(xué)中模擬折射，需要較大的計(jì)算量。下圖是計(jì)算機(jī)生成的透明物體的光線跟蹤與光透射場(chǎng)景。圖

用光線跟蹤與光透射模型生成的三維透明物體場(chǎng)景第四十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二7.4.5實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)

前面介紹的光照明模型及它們?cè)谡鎸?shí)感圖形學(xué)中的一些應(yīng)用方法，它們都是用數(shù)學(xué)模型來表示真實(shí)世界中的物理模型，可以很好的模擬出現(xiàn)實(shí)世界中的復(fù)雜場(chǎng)景，所生成的真實(shí)感圖像可以給人以高度逼真的感覺。但是，用這些模型生成一幅真實(shí)感圖像需要較長(zhǎng)的時(shí)間，尤其對(duì)于比較復(fù)雜的場(chǎng)景，繪制的時(shí)間甚至可以達(dá)到數(shù)個(gè)小時(shí)。盡管現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)硬件水平有了很大的提高，而且對(duì)于這些真實(shí)感圖形學(xué)算法的研究也有了很大的發(fā)展，但是，真實(shí)感圖形的繪制速度仍然不能滿足某些需要實(shí)時(shí)圖形顯示的任務(wù)要求。例如在某些需要?jiǎng)討B(tài)模擬、實(shí)時(shí)交互的科學(xué)計(jì)算可視化以及虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，它們對(duì)于生成真實(shí)感圖形學(xué)的實(shí)時(shí)性要求很高，就必須采用實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)。

第四十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)是在當(dāng)前圖形算法和硬件條件的限制下提出的在一定的時(shí)間內(nèi)完成真實(shí)感圖形圖像繪制的技術(shù)。一般來說，它是通過損失一定的圖形質(zhì)量來達(dá)到實(shí)時(shí)繪制真實(shí)感圖像的目的，就目前的技術(shù)而言，主要是通過降低顯示三維場(chǎng)景模型的復(fù)雜度來實(shí)現(xiàn)，這種技術(shù)被稱為層次細(xì)節(jié)（LOD：LevelofDetail）顯示和簡(jiǎn)化技術(shù)，是當(dāng)前大多數(shù)商業(yè)實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形生成系統(tǒng)中所采用的技術(shù)。

第四十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二7.5.1矢量圖

客觀世界中，圖可分為二類。一類是可見的圖像，例如照片、圖紙和人們創(chuàng)作的各種美術(shù)作品等，對(duì)于這一類圖，只能靠使用掃描儀、數(shù)字照相機(jī)或攝像機(jī)進(jìn)行數(shù)字化輸入后，才能由計(jì)算機(jī)進(jìn)行間接處理。另一類是可用數(shù)學(xué)公式或模型描述的圖形，這一類圖可由計(jì)算機(jī)直接進(jìn)行創(chuàng)作與處理。由此對(duì)應(yīng)的圖文件有兩種，一種是存儲(chǔ)圖形信息的矢量圖文件，另一種是存儲(chǔ)圖像信息的位圖文件。

第四十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期二

矢量圖形特點(diǎn)是精度高、靈活性大，并且用它們?cè)O(shè)計(jì)出來的作品可以任意放大、縮小而不變形失真。它不會(huì)像一些位圖處理軟件那樣，在進(jìn)行高倍放大后圖像會(huì)不可避免地方塊化。用矢量圖制作的作品可以在任意輸出設(shè)備上輸出而不用考慮其分辨率。矢量圖在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)格式大都不固定，要視各個(gè)軟件的特點(diǎn)由開發(fā)者自定。相對(duì)于位圖來講，矢量圖占用的存儲(chǔ)空間