計算機圖形學(xué)第一章基本知識.ppt

1、計算機圖形學(xué)Computer Graphics,鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院 李春雨,課程內(nèi)容,包括理論篇和實踐篇兩部分。 第一篇 計算機圖形學(xué)理論 第一章 計算機圖形學(xué)基本知識 第二章 基本圖形的生成與計算 第三章 圖形變換 第四章 計算機圖形標(biāo)準(zhǔn) 第五章 三維形體的表示 第六章 真實感圖形顯示,課程內(nèi)容,第二篇 實用圖形編程技術(shù) 第八章 基于MFC的圖形編程基礎(chǔ) 第九章 基于MFC的交互繪圖 第十章 OpenGL基礎(chǔ)知識和實驗框架的建立 第十一章 OpenGL的基本圖形 第十二章 OpenGL的組合圖形及光照和貼圖 第十三章 攝像漫游與OpenGL的坐標(biāo)變換,教材特點,理論篇內(nèi)容充實、結(jié)構(gòu)合理、去

2、繁就簡、論述清楚。 實踐篇內(nèi)容新穎、深入淺出，通俗易懂，使讀者在理解掌握計算機圖形學(xué)理論的同時，對面向?qū)ο蟮木幊谭椒癡C+語言也有一個全面的實踐與提高，一舉多得 。,學(xué)習(xí)指導(dǎo),注重實踐 實踐內(nèi)容包括兩部分： 使用、觀摩一些典型的圖形軟件，如AutoCAD、3DMAX，增加感性認(rèn)識。 努力完成本書第二篇的程序編制任務(wù)，對計算機專業(yè)的學(xué)生來說應(yīng)該具有圖形編程的能力，同時對理論篇的學(xué)習(xí)也是一個促進。,成績計算方法,期末考試占70% 實驗成績占20% 作業(yè)成績占10%,第一章 計算機圖形學(xué)的基本知識,學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解計算機圖形學(xué)的處理對象、計算機圖形學(xué)的發(fā)展簡史、它的實際應(yīng)用和最新發(fā)展方向。 重點難點

3、：圖形、圖像的區(qū)別，實際應(yīng)用 學(xué)習(xí)指南：要充分理解圖形圖像的區(qū)別，觀摩典型的圖形軟件、圖像處理軟件。,1.1 概述,Computer Graphics 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）定義為：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。 它是建立在傳統(tǒng)的圖學(xué)理論、應(yīng)用數(shù)學(xué)及計算機科學(xué)基礎(chǔ)上的一門邊緣學(xué)科。,1.1.1計算機圖形學(xué)的概念,1.1.2 計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容,(1) 基于圖形設(shè)備的基本圖形元素的生成算法，如用光柵圖形顯示器生成直線、圓弧、二次曲線、封閉邊界內(nèi)的圖案填充等。 (2) 圖形元素的幾何變換，即對圖形的平移、放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、鏡像等

4、操作。 (3) 自由曲線和曲面的插值、擬合、拼接、分解、過渡、光順、整體和局部修改等。,有關(guān)圖形的算法：,(4) 三維幾何造型技術(shù)。 (5) 三維形體的實時顯示。 (6) 真實感圖形的生成算法。 (7) 山、水、花、草、煙云等模糊景物的模擬生成和虛擬現(xiàn)實環(huán)境的生成及其控制算法等。 (8) 科學(xué)計算可視化和三維或高維數(shù)據(jù)場的可視化。,1.1.2 計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容,1.1.2 計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容,有關(guān)圖形設(shè)備的研究：輸入、顯示、拷貝。 彩色、大尺寸、高精度、高速度、低成本 有關(guān)圖形支撐環(huán)境的研究：標(biāo)準(zhǔn)化。 硬件：即插即用，良好的互換性 軟件：接口標(biāo)準(zhǔn)，功能集定義，與設(shè)備無關(guān)，加速算法標(biāo)準(zhǔn)

5、化 總結(jié)，研究內(nèi)容包括三方面：算法、軟件、硬件。,1.1.3 圖形學(xué)與圖像處理,一、計算機圖形學(xué)：用計算機生成、處理和顯示的矢量圖。利用計算機對幾何數(shù)據(jù)和幾何模型進行處理、存儲、顯示并修改、完善后形成的圖形。 二、圖像處理：將物體的影像處理成數(shù)字化圖像的技術(shù)。 三、模式識別：對所輸入的圖像進行分析和識別，找出其中蘊涵的內(nèi)在聯(lián)系或抽象模型。,圖形學(xué)與圖像處理的區(qū)別,1.1.3 圖形學(xué)與圖像處理二,由于多媒體技術(shù) 、光柵式顯示器 計算機生成的圖形與掃描輸入的圖像結(jié)合起來，構(gòu)造計算機動畫 由一幅透視圖像中提取出對稱物體的三維模型并進行修改 計算機圖形學(xué)與圖像處理相結(jié)合，加速了這兩個相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。,

6、計算機圖形學(xué)與計算機圖像處理、模式識別的關(guān)系,計算機處理圖像信息的三大學(xué)科： Computer Image Processing (IP) Pattern Recognition (PR) Computer Graphics (CG) 共同特征： 輔助或代替人腦進行工作和決策,1.2 計算機圖形學(xué)的發(fā)展歷史,計算機圖形學(xué)的發(fā)展動向之一 造型技術(shù)的發(fā)展,構(gòu)造幾何模型的理論、方法和技術(shù) ，是計算機輔助設(shè)計的核心技術(shù)之一，非均勻有理B樣條，規(guī)則形體造型和不規(guī)則形體造型 特征造型技術(shù) ，它將特征作為產(chǎn)品描述的基本單元，并將產(chǎn)品描述成特征的集合 基于物理的造型技術(shù) 。模型及模型間的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，不僅有靜

7、態(tài)的、而且有動態(tài)的 ，模型就可以由物體的運動規(guī)律自動產(chǎn)生,造型技術(shù)的發(fā)展,不規(guī)則形體是不能用歐氏幾何加以定義的，例如、山、水、樹、草、云、煙、火以及自然界中豐富多彩的物體 造型大多采用過程式模擬，即用一個簡單的模型及少量的易于調(diào)用的參數(shù)來表示一大類物體 也稱為數(shù)據(jù)放大技術(shù),真實圖形生成技術(shù)的發(fā)展,逼真地顯示出該物體在現(xiàn)實世界中所觀察到的形象，就需要采用適當(dāng)?shù)墓庹漳Ｐ?，盡可能準(zhǔn)確地模擬物體在現(xiàn)實世界中受到各種光源照射時的效果 局部光照模型模擬漫反射和鏡面反射，而將許多沒有考慮到的因素用一個環(huán)境光來表示。 光線跟蹤方法和輻射度方法為代表的全局光照模型，使得圖像的逼真程度大為提高,人-機交互技術(shù)的發(fā)

8、展,高質(zhì)量的用戶接口的設(shè)計目標(biāo)應(yīng)該是：易于學(xué)習(xí)、易于使用、出錯率低、易于回憶起如何重新使用這一系統(tǒng)并對用戶有較強的吸引力 虛擬環(huán)境是指完全由計算機產(chǎn)生的環(huán)境，可是卻具有與真實物體同樣的外表、行為和交互方式 在三維空間實現(xiàn)人機交互一直是計算機圖形技術(shù)的一個研究熱點,1.3 計算機圖形學(xué)的應(yīng)用,(1)計算機用戶接口 人機交互界面,窗口,菜單,圖標(biāo),目前流行的圖形界面,計算機輔助設(shè)計 CAD,奧迪效果圖和線框圖,機械造型與設(shè)計,計算機輔助設(shè)計 CAD,管理、科學(xué)技術(shù),繪制數(shù)學(xué)、物理以及經(jīng)濟函數(shù)的二維及三維圖形：直方圖、線條圖、扇形圖、進程圖. 特點：簡潔、直觀 數(shù)據(jù)的模型和趨勢。,地理信息系統(tǒng)、數(shù)字

9、化地球,以高精度的地理或其他自然現(xiàn)象的圖形 紙或膠片上。包括地圖、地質(zhì)圖、油層圖、海圖、氣象、人口密度圖.,地理信息系統(tǒng)中的圖形,過程控制,利用交互式圖形生成技術(shù)形成的人機交互系統(tǒng)，實現(xiàn)人與控制或管理對象之間的相互作用。如工廠中的設(shè)備、工序控制，機場與鐵路的調(diào)度等。,模 擬,云霧、煙、樹等特殊景物 固定環(huán)境的景色,計算機生成的樹木,真實感的樹木,藝術(shù)化的樹木,計算機模擬的自然風(fēng)景,電腦游戲場景,電腦動畫場景,辦公自動化,在辦公室中，用圖形方式顯示并交換文件、報表、圖例和其它信息，并在輸出設(shè)備上輸出、保存起來。,藝術(shù)和教育：,教學(xué)活動,蟬（線框圖）,計算機藝術(shù)作品,圖形與圖像結(jié)合，可視化技術(shù)的應(yīng)

10、用為準(zhǔn)確的診斷、治療提供了形象直觀的手段，極大地促進了臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展！ 醫(yī)學(xué)成像：超聲、CT、MRI等，圖像的測量，標(biāo)注，3D顯示等 生理信號的可視化：腦電地形圖，體表電位像，紅外熱像 生理系統(tǒng)模擬：心臟搏動模擬，手術(shù)模擬，結(jié)合物理建模,生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用,腦外科手術(shù)導(dǎo)航,人工關(guān)節(jié)置換的圖形模擬,骨科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的實時顯示,1.4 計算機圖形系統(tǒng),1.4.1 典型圖形系統(tǒng)的組成,外設(shè),計算機 應(yīng)用程序 圖形軟件 操作系統(tǒng),圖形輸入設(shè)備,圖形輸出設(shè)備,終端 （可能不只一個）,人,軟 件,1.4.2 圖形系統(tǒng)的分類,按硬件規(guī)模、軟件豐富程度、價格高低分 1. 大型機為基礎(chǔ)的圖形系統(tǒng)：大容量存儲器

11、、極強的計算能力、大量的顯示終端、高精度大幅面硬拷貝設(shè)備，自行開發(fā)的、功能齊全的軟件系統(tǒng)。 2. 工程工作站為基礎(chǔ)的圖形系統(tǒng)：高速的計算能力，豐富的圖形處理、靈活的窗口和網(wǎng)絡(luò)管理功能。一個用戶一臺計算機。第三方商品化軟件。 3. 以微型機為基礎(chǔ)的圖形系統(tǒng)：價格低廉，微機性能大幅提高，內(nèi)存外存CPU速度已超過以前的工作站，繪圖儀，打印機等性能大幅提高，滿足圖形系統(tǒng)要求。軟件豐富，有許多商品化軟件。,1.4.3 顯示器,加速系統(tǒng),聚焦系統(tǒng),偏轉(zhuǎn)系統(tǒng),熒光粉涂層,按工作原理分為：1、陰極射線管(CRT),2、 等離子屏幕顯示器,由一個細(xì)小氖泡矩陣組成，由于氖泡有兩種狀態(tài)：開啟(點燃)、關(guān)閉(熄滅)，

12、且狀態(tài)可保持。分為 1）前層：垂直導(dǎo)線 2）中層：細(xì)小氖泡 3）后層：水平導(dǎo)線,水平網(wǎng)格線 （Y向地址）,玻璃極板單元,垂直網(wǎng)格線 （X向地址）,觀察方向,3、 液晶顯示器（LCD）,液晶顯示器LCD(Liquid Crystal Display)是由六層薄板組成的平板式顯示器,按掃描方式分為：1、隨機掃描的顯示系統(tǒng),特點：電子束可隨意移動，只掃描熒屏上要顯示的部分。 邏輯部件：刷新存儲器(Refreshing Buffer),顯示處理器（DPU:Display Processing Uuit）和CRT,2、光柵掃描顯示器,幾個概念,象素 整個屏幕被掃描線分成 n 行，每行有 m 個點，每個點

13、為一個象素。整個屏幕有 m n 個象素。 分辨率 通常用屏幕上象素的數(shù)目來表示。比如上述的 n 行，每行 m 點的屏幕分辨率為 m n 。 分辨率的單位是：dpi (dot per inch),但各種設(shè)備有其通俗用法。 分辨率受顯示器生產(chǎn)工藝、掃描頻率以及顯示存儲器容量的限制。,單個存儲位面的單色光柵掃描圖形的工作原理： 采用幀存儲器映射到屏幕，逐點對應(yīng)。,移位 寄存器,DAC,掃描電路,幀存,屏幕,亮/暗,彩色光柵掃描顯示原理,光柵掃描顯示器的點距,三存儲位面彩色光柵掃描顯示器的工作原理,DAC,掃描電路,幀存,屏幕,DAC,DAC,0,1,0,彩色顯示8種顏色,24位面的彩色光柵掃描顯示器

14、的工作原理,三種原色的組合是(28)3=224種顏色。,光柵掃描顯示器的優(yōu)缺點,缺點：掃描轉(zhuǎn)換費時。 優(yōu)點：可控制亮度與顏色，顯示真實感圖形。 價格低廉。 目前的顯示器均為光柵掃描顯示器,圖形顯示處理器 (加速引擎),任務(wù)：進行掃描轉(zhuǎn)換： 將應(yīng)用程序給出的圖形定義數(shù)字化為一組像素強度值，并放到幀緩存器 需要掃描轉(zhuǎn)換的內(nèi)容： 基本圖形 字符 填充,1、通用編程軟件包： 提供各種圖形功能集（函數(shù)庫）， 并可用高級語言擴展，可解決設(shè)備的控制問題。如GL， PHIGS，PHIGS PLUS， GKS，GKS-3D，GIL等，近年來在PC和網(wǎng)絡(luò)上Open GL 和 VRML得到廣泛應(yīng)用。 GL： Graphic Library; VRML： Virtual Reality Modeling Language GKS: Graphical Kernel System；,1.4.4 圖形軟件系統(tǒng),圖形軟件系統(tǒng),2、專用應(yīng)用軟件包： 各種CAD，各種繪圖軟件，醫(yī)學(xué)商業(yè)軟件，通常具有開發(fā)接口。微機上圖形應(yīng)用軟件代表性的產(chǎn)品有： AutoCAD CorelD