计算机图形学第一章.ppt

1计算机图形学基础计算机图形学基础一、教学安排，共一、教学安排，共32学时学时(1(18 8周周)二、考试办法：闭卷笔试二、考试办法：闭卷笔试三、课程结束成绩评定三、课程结束成绩评定 笔试：笔试：70%作业作业+平时成绩平时成绩:30%（包括考勤、课堂回答问题）包括考勤、课堂回答问题）2四、参考教材四、参考教材孙家广，胡事民，孙家广，胡事民，计算机图形学基础计算机图形学基础，清华大学出，清华大学出版社，版社，2005年或更新的版本。年或更新的版本。我们课堂学习的内容包括第一章全部内容、第二章绝大部我们课堂学习的内容包括第一章全部内容、第二章绝大部分内容、第三章和大部分内容、第四章和部分内容。对于教材分内容、第三章和大部分内容、第四章和部分内容。对于教材中未讲授的内容，有兴趣的同学可以自学，遇到问题或困难可中未讲授的内容，有兴趣的同学可以自学，遇到问题或困难可以答疑，但是，教材中未讲授的内容考试不作要求。以答疑，但是，教材中未讲授的内容考试不作要求。3五、作业及答疑五、作业及答疑教学和答疑教师：教学和答疑教师：周登文，控制与计算机学院，控制与计算机学院 答疑地点：答疑地点：主楼E座-1111(11层)固定答疑时间：固定答疑时间：每周二下午2：004：00pm，其它答 疑时间可预约 答疑邮箱：答疑邮箱：作业邮箱：作业邮箱：作业文件命名：作业文件命名：每次作业文件打一个包，文件名为“班级-学号姓名-作业序号”。例如：计算计算0401-3122040117魏闪闪魏闪闪。4六、学习方法六、学习方法学习不能停留于听懂和看懂，还要记住，只有记住了才能融会贯通，实践又可以发现问题，加深对学习内容的理解！要充分利用上机实验的机会，对于学到的计算机图形学的算法，要尽可能完全理解以后，独立地独立地上机编程、调试！学习具有不同的境界！56七、两个问题七、两个问题为什么要学习计算机图形学?计算机图形学学什么?7第一章第一章绪论绪论 什么是计算机图形学？什么是计算机图形学？计算机算机图形学形学是利用计算机研究图形的表示表示、生成生成、处理理、显示示的学科。计算机算机图形学形学是计算机科学中，最为活跃、得到广泛应用的分支之一81.1 计算机图形学的研究内容计算机图形学的研究内容 如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法，构成了计算机图形学的主要研究内容主要研究内容。9图形与图象图象象纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息。图形形含有几何属性，更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。图形主要分为两类l基于线条信息表示l明暗图(Shading)101.2 计算机图形学的发展历史计算机图形学的发展历史50年代年代1950年年，第一台第一台图形形显示器示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风I号（Whirlwind I）计算机的附件诞生了1958年年，美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床发展成为平平板式板式绘图仪50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御体系，第一次使用了具有指挥和控制功能的CRT显示器示器，操作者可以用笔在屏幕上指出被确定的目标。1160年代年代1962年，MIT林肯实验室的I.E.Sutherland发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier 提出Bzier曲线、曲面的理论1964年MIT的教授Steven A.Coons提出了超超限插限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。1270年代年代光光栅图形学迅速形学迅速发展展l区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念及其相应算法纷纷诞生图形形软件件标准化准化l1974年，ACM SIGGRAPH的与“与机器无关的图形技术”的工作会议lACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统”（Core Graphics System）lISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS13真真实感感图形学形学l1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型光反射模型l1971年Gourand提出“漫反射模型插值”的思想，被称为Gourand明暗明暗处理理l1975年，Phong提出了著名的简单光照模型-Phong模型模型实体造型技体造型技术l英国剑桥大学CAD小组的Build系统l美国罗彻斯特大学的PADL-1系统1480年代年代1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模型模型，并第一次给出光光线跟踪算法跟踪算法的范例，实现Whitted模型1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法射度方法引入到计算机图形学中图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展15ACM SIGGRAPH会议小知识会议小知识全称“the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”60年代中期，由Brown 大学的教授Andries van Dam(Andy)和IBM公司的Sam Matsa发起1974年，在Colorado(美国科科罗拉多拉多州-位于美国西部)大学召开了第一届SIGGRAPH 年会，并取得了巨大的成功每年只录取大约50篇论文161.3 1.3 计算机图形学的应用及研究前沿计算机图形学的应用及研究前沿计算机辅助设计与制造（计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）l飞机、汽车、船舶的外形的设计l发电厂、化工厂等的布局l土木工程、建筑物的设计l电子线路、电子器件的设计l设计结果直接送至后续工艺进行加工处理，如波音777飞机的设计和加工过程17工程图及其三维重建结果118工程图及其三维重建结果219可视化可视化海量的数据使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，用图形来表示数据的迫切性与日俱增1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学科学计算可算可视化化（Visualization in Scientific Computing）”科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中20在医学领域，可视化有着广阔的发展前途l是机械手术和远程手术的基础l将医用CT扫描的数据转化为三维图象，帮助医生判别病人体内的患处l由CT数据产生在人体内漫游的图象真实感图形实时绘制与自然景物仿真真实感图形实时绘制与自然景物仿真21由图形系统生成的野外场景22日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云23生成的挪威云杉24计算机动画计算机动画计算机动画近十多年来取得了很大的发展，已渗透到人们生活的各个角落l商业广告、影视特技/片头、动画片l教育、军事、飞行模拟等25基于特征的图象变形（猫变虎）26由三维FFD操作得到的鱼的变形图27用户接口用户接口(界面界面)用户接口是人们使用计算机的第一观感。一个友好的图形化的用形化的用户界面界面能够大大提高软件的易用性图形学已经全面融入计算机的方方面面，很多软件几乎可以不看任何说明书，而根据它的图形或动画界面的指示进行操作28计算机艺术计算机艺术用计算机软件从事艺术创作Georges Winkenb1ach绘制的壶和碗(Siggraph96)29Salisbury绘制的茶壶(Siggraph97)30Salisbury绘制的熊(Siggraph97)31Oliver Deussen绘制的素描树(Siggraph2000)321.41.4 图形设备图形设备图形显示设备图形显示设备图形输出包括图形的显示和图形的绘制，图形形显示示指的是在屏幕上输出图形图形形绘制制通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝，打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备33滚筒式绘图仪平板式绘图仪34平板式绘图仪35彩色彩色CRT显示器显示器CRT（CRT CathodeRay Tube，阴极射线管）组成l电子枪l聚焦系统l加速系统l磁偏转系统36CRT显示器的简易结构图37工作原理l高速的电子束由电子子枪发出，经过聚焦系聚焦系统、加速系加速系统和磁偏磁偏转系系统就会到达荧光屏的特定位置。由于荧光物质在高速电子的轰击下会发生电子子跃迁迁，即电子吸收到能量从低能态变为高能态。由于高能态很不稳定，在很短的时间内荧光物质的电子会从高能态重新回到低能态，这时将发出荧光，屏幕上的那一点就会亮了l要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束38l电平控制器平控制器是用来控制电子束的强弱的。当加上正正电压时，电子束就会大量通过，将会在屏幕上形成较亮的点；当控制电平加上负电压时，依据所加电压的大小，电子束被部分或全部阻截，通过的电子很少，屏幕上的点也就比较暗l聚焦系聚焦系统是一个电透透镜，能使众多的电子聚集于一点l加速系加速系统使电子达到轰击激发荧光屏应有的速度。最后由磁偏磁偏转系系统来达到指定位置39l电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏最大偏转角角lCRT显示器屏幕越大整个显象管就越长刷新频率l刷新刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程l刷新刷新频率率高到一定值后，图象才能稳定定显示示l隔行隔行扫描描与逐行逐行扫描描大约达到每秒60帧即60Hz时，人眼才能感觉到屏幕不闪烁，要使人眼觉得舒服，一般必须有85Hz以上的刷新频率 40电子束逐行扫描过程示意图41彩色CRT显示器显示彩色的原理l彩色CRT显示器的荧光屏上涂有三种荧光物质，它们分别能发红、绿、兰三种颜色的光。而电子枪也发出三束电子来激发这三种物质，通过控制三个电子束的强弱就能控制屏幕上点的颜色。l彩色CRT显示器有荫罩式罩式和荫栅式式两种。l荫罩式罩式显示器的屏幕上的荧光点光点采用三角形的排列三角形的排列方式，屏幕呈球状。显象管象一张罩网，电子枪发射电子束通过罩孔。42荫罩式彩色CRT显色原理43l荫栅式式显示器的屏幕上的荧光粉安排成跨越整个屏幕的直条状，屏幕呈柱状。荫罩改为条状条状荫栅，这种条状荫栅由固定在一个拉力极大的铁框中的、互相平行的垂直垂直铁线阵列列组成。这种栅栏从屏幕顶一直通到屏幕底，而不是单独的荧光点。通过电子枪射出电子束，穿过栅条条打在荧光条光条上使其发光。这种结构因消除了纵向间距，比荫罩式显示器的效果要好：亮度、对比度、清晰度更高，色彩也更细致。44荫栅式彩色CRT显色原理45球面显示器与柱面显示器l荫罩罩式式显象管的表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球球面面管管”；荫栅式式显象管的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上却是笔直的，呈圆柱状，故称之为“柱面管柱面管”l常用的荫栅式显象管有日本索尼公司的特特丽珑管（Trinitron）和 三 菱 公 司 的 钻 石石 珑 管（Diamondtron）46柱面和球面显示器点距定义示意图47CRT显示器的缺点显示器的缺点CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展l屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示器的体积必然要加大，在使用时候就会受到空间的限制lCRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，容易受电磁波干扰l长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响48LCD显示器的优点显示器的优点l外观小巧精致，厚度只有6.58cm左右。l不会产生CRT那样的因为刷新频率低而出现的闪烁现象l工作电压低，功耗小，节约能源l没有没有对人体健康有害的电磁磁辐射射49索尼公司的两款LCD外形50图形处理器（显卡）l图形形处理器理器是图形系统结构的重要元件，是连接计算机和显示终端的纽带l早期的图形处理器只包含简单的存存储器器，它们实际上只起了一个图形的存储和传递作用，一切操作都必须有CPU来控制l现在的图形处理器不单单存储图形，而且能完成大部分图形函数，专业的图形处理器已经具有很强的3D处理能力，大大减轻了CPU的负担，提高了显示质量和显示速度51图形处理器的组成l显示主芯片示主芯片显卡的核心，俗称GPU，它的主要任务是对系统输入的视频信息进行构建和渲染l显示示缓存存用来存储将要显示的图形信息以及保存图形运算的中间数据显存的大小和速度直接影响着主芯片性能的发挥l数字模数字模拟转换器（器（RAMDAC）它的作用就是把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号52显卡工作原理简单示意图53图形输入设备图形输入设备最常用的图形输入设备就是基本的计算机输入设备键盘和鼠和鼠标扫描描仪54真实物体的三维信息的输入l在实际的产生过程中许多零件和样板要进行大规模的生产就必须在计算机中生成三维实体模型，有时这个模型要通过已有的实物零件得到，这时候就需要一种设备来采集实物表面各个点的位置信息l一般的方法是通过激光激光扫描描来实现，现在国外已经有许多这样的商业仪器l这项技术的一个应用就是扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息55l美国斯坦福大学计算机系的著名图形学专家Marc Levoy曾经带领他的30人的工作小组（包括美国斯坦福大学及美国华盛顿大学的教师和学生）于19981999学年专门在意大利对文艺复兴时代的雕刻大师米开朗基罗的众多艺术品进行扫描，保存其形状和面片信息。当然工作难度是相当大的，他们为此专门设计了一套硬件和软件系统。数据量也是惊人的，光大卫像（the David）就有20亿个多边形和7000张彩色图象，总共需要72G的磁盘容量。这次工作可以说是实体图形输入的一个颠峰之作。56Marc Levoy小组的工作现场（Siggraph2000）