计算机图形学第一章基本知识.ppt

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1、计算机图形学计算机图形学Computer Graphics郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院 李春雨李春雨1计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院课程内容课程内容包括包括理论篇理论篇和和实践篇实践篇两部分。两部分。第一篇第一篇 计算机图形学理论计算机图形学理论第一章 计算机图形学基本知识第二章 基本图形的生成与计算第三章 图形变换第四章 计算机图形标准第五章 三维形体的表示第六章 真实感图形显示计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院课程内容课程内容第二篇第二篇 实用图形编程技术实用图形编程技术 第八章 基于MFC的图形编程基础 第九

2、章 基于MFC的交互绘图 第十章 OpenGL基础知识和实验框架的建立 第十一章 OpenGL的基本图形 第十二章 OpenGL的组合图形及光照和贴图 第十三章 摄像漫游与OpenGL的坐标变换 计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院教材特点教材特点理论篇理论篇内容充实、结构合理、去繁就简、论述清楚。实践篇实践篇内容新颖、深入浅出，通俗易懂，使读者在理解掌握计算机图形学理论的同时，对面向对象的编程方法及VC+语言也有一个全面的实践与提高，一举多得。计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院学习指导学习指导注重实践注重实践实践内容包括两部分：使

3、用、观摩一些典型的图形软件，如AutoCAD、3DMAX，增加感性认识。努力完成本书第二篇的程序编制任务，对计算机专业的学生来说应该具有图形编程的能力，同时对理论篇的学习也是一个促进。计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院成绩计算方法期末考试占70%实验成绩占20%作业成绩占10%计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院 第一章第一章 计算机图形学的基本知识计算机图形学的基本知识学习目标学习目标：了解计算机图形学的处理对象、计算机图形学的发展简史、它的实际应用和最新发展方向。重点难点重点难点：图形、图像的区别，实际应用学习指南学习指南：要充

4、分理解图形图像的区别，观摩典型的图形软件、图像处理软件。计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院1.1 概述概述 Computer Graphics 国际标准化组织（ISO）定义为：计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形将数据转换为图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。它是建立在传统的图学理论、应用数学及计算机科学基础上的一门边缘学科。计算机图形学的概念计算机图形学的概念计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院1.1.2 计算机图形学的研究内容计算机图形学的研究内容(1)基于图形设备的基本图形元素的生成算法，如用光栅图形

5、显示器生成直线、圆弧、二次曲线、封闭边界内的图案填充等。(2)图形元素的几何变换，即对图形的平移、放大、缩小、旋转、镜像等操作。(3)自由曲线和曲面的插值、拟合、拼接、分解、过渡、光顺、整体和局部修改等。有关图形的算法算法：计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院(4)三维几何造型技术。(5)三维形体的实时显示。(6)真实感图形的生成算法。(7)山、水、花、草、烟云等模糊景物的模拟生成和虚拟现实环境的生成及其控制算法等。(8)科学计算可视化和三维或高维数据场的可视化。1.1.2 计算机图形学的研究内容计算机图形学的研究内容计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院

6、郑州大学信息工程学院1.1.2 计算机图形学的研究内容计算机图形学的研究内容有关图形设备的研究：输入、显示、拷贝。彩色、大尺寸、高精度、高速度、低成本有关图形支撑环境的研究：标准化。硬件：即插即用，良好的互换性 软件：接口标准，功能集定义，与设备无关，加速算法标准化总结，研究内容研究内容包括三方面：算法、软件、硬件算法、软件、硬件。计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院1.1.3 图形学与图像处理图形学与图像处理一、计计算算机机图图形形学学：用计算机生成、处理和显示的矢量图。利用计算机对几何数据和几何模型进行处理、存储、显示并修改、完善后形成的图形。二、图图像像处处

7、理理：将物体的影像处理成数字化图像的技术。三、模模式式识识别别：对所输入的图像进行分析和识别，找出其中蕴涵的内在联系或抽象模型。计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院图形学与图像处理的区别图形学与图像处理的区别 项目项目图形图形图像图像来源来源图形是人们通过计算机设计和构造出来的，来源于主观图像是通过摄像机或扫描仪等设备输入的，来源于客观目的目的构造出图形图像处理是景物或图像的分析技术过程过程给定几何参数，生成图形 研究如何从图像中提取物体的模型用途用途设计、仿真、模拟模式识别、景物分析、计算机视觉结构结构参数图、矢量图点阵图计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工

8、程学院郑州大学信息工程学院1.1.3 图形学与图像处理二图形学与图像处理二 由于多媒体技术、光栅式显示器计算机生成的图形与扫描输入的图像结合起来，构造计算机动画 由一幅透视图像中提取出对称物体的三维模型并进行修改 计算机图形学与图像处理相结合，加速了这两个相关领域的发展。计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院计算机图形学与计算机图像处理、计算机图形学与计算机图像处理、模式识别的关系模式识别的关系计算机处理图像信息的三大学科：计算机处理图像信息的三大学科：Computer Image Processing(Computer Image Processing(IPIP)

9、Pattern Recognition(Pattern Recognition(PRPR)Computer Graphics(Computer Graphics(CGCG)共同特征：共同特征：辅助或代替人脑进行工作和决策辅助或代替人脑进行工作和决策IPPRCG描述描述图像图像计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院1.2 计算机图形学的发展历史计算机图形学的发展历史五十年代五十年代MIT MIT 旋风一号，计算机驱动旋风一号，计算机驱动CRT+CRT+照相机，照相机，SAGE(SAGE(交互式图形技术诞生交互式图形技术诞生)六十年代六十年代随机扫描显示器，图形学之父随

10、机扫描显示器，图形学之父六十年代至七十年代六十年代至七十年代初初存储管显示器，应用的软件包存储管显示器，应用的软件包光栅扫描显示器，新型的图形输入设备，图光栅扫描显示器，新型的图形输入设备，图形语言标准形语言标准八十年代至九十年代八十年代至九十年代初初图形工作站图形工作站(Apollo,Sun,Hp)(Apollo,Sun,Hp)时间时间特特 征征九十年代至今九十年代至今微机，交叉学科（多媒体等）微机，交叉学科（多媒体等）七十年代至八十年代七十年代至八十年代初初计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院计算机图形学的发展动向之一计算机图形学的发展动向之一 造型技术的发展

11、造型技术的发展 构造几何模型的理论、方法和技术，是计算机辅助设计的核心技术之一，非均匀有理B样条，规则形体造型和不规则形体造型 特征造型技术，它将特征作为产品描述的基本单元，并将产品描述成特征的集合 基于物理的造型技术。模型及模型间的关系相当复杂，不仅有静态的、而且有动态的，模型就可以由物体的运动规律自动产生 计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院造型技术的发展造型技术的发展不规则形体是不能用欧氏几何加以定义的，例如、山、水、树、草、云、烟、火以及自然界中丰富多彩的物体 造型大多采用过程式模拟，即用一个简单的模型及少量的易于调用的参数来表示一大类物体 也称为数据放大

12、技术 计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院真实图形生成技术的发展真实图形生成技术的发展 逼真地显示出该物体在现实世界中所观察到的形象，就需要采用适当的光照模型，尽可能准确地模拟物体在现实世界中受到各种光源照射时的效果 局部光照模型模拟漫反射和镜面反射，而将许多没有考虑到的因素用一个环境光来表示。光线跟踪方法和辐射度方法为代表的全局光照模型，使得图像的逼真程度大为提高 计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院人人-机交互技术的发展机交互技术的发展 高质量的用户接口的设计目标应该是：易于学习、易于使用、出错率低、易于回忆起如何重新使用这一系统

13、并对用户有较强的吸引力 虚拟环境是指完全由计算机产生的环境，可是却具有与真实物体同样的外表、行为和交互方式 在三维空间实现人机交互一直是计算机图形技术的一个研究热点 计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院1.3 计算机图形学的应用(1)(1)计算机用户接口计算机用户接口 人机交互界面人机交互界面窗口窗口菜单菜单图标图标目前流行的目前流行的图形界面图形界面计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院计算机辅助设计计算机辅助设计 CAD CAD设设计计 元部件：机械、电气、电子设备元部件：机械、电气、电子设备.系系统统 结构结构(建筑物、汽车车身、

14、飞机建筑物、汽车车身、飞机和船的外壳及内部结构和船的外壳及内部结构)光学系统光学系统电话及计算机网络电话及计算机网络计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院奥迪效果图和线框图奥迪效果图和线框图计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院机械造型与设计机械造型与设计 计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院计算机辅助设计计算机辅助设计 CAD计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院管理、科学技术管理、科学技术绘制数学、物理以及经济函数的二维及三维图形：直方图、线条图、扇形图、进程图.特点：简洁、直

15、观 数据的模型和趋势。计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院地理信息系统、数字化地球地理信息系统、数字化地球以高精度的地理或其他自然现象的图形 纸或胶片上。包括地图、地质图、油层图、海图、气象、人口密度图.计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院地地理理信信息息系系统统中中的的图图形形计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院过程控制过程控制利用交互式图形生成技术形成的人机交互系统，实现人与控制或管理对象之间的相互作用。如工厂中的设备、工序控制，机场与铁路的调度等。计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大

16、学信息工程学院模模 拟拟云雾、烟、树等特殊景物固定环境的景色计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院计算机生成的树木计算机生成的树木真实感的树木艺术化的树木计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院计算机模拟的自然风景计算机模拟的自然风景计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院电脑游戏场景电脑游戏场景计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院电脑动画场景电脑动画场景计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院办公自动化办公自动化在办公室中，用图形方式显示并交换文件、报表、图

17、例和其它信息，并在输出设备上输出、保存起来。计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院艺术和教育艺术和教育：教学活动教学活动蝉（线框图）蝉（线框图）蝉（线框图）蝉（线框图）计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院计算机艺术作品计算机艺术作品计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院 图形与图像结合，可视化技术的应用为准确的诊断、治疗提供了形象直观的手段，极大地促进了临床医学的发展！医学成像医学成像：超声、CT、MRI等，图像的测量，标注，3D显示等 生理信号的可视化生理信号的可视化：脑电地形图，体表电位像，红外热像 生理

18、系统模拟生理系统模拟：心脏搏动模拟，手术模拟，结合物理建模生物医学工程中的应用生物医学工程中的应用计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院脑外科手术导航脑外科手术导航计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院人工关节置换的图形模拟人工关节置换的图形模拟计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院骨科手术导航系统的实时显示骨科手术导航系统的实时显示计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院1.4 计算机图形系统1.4.1 典型图形系统的组成外设外设计算机应用程序应用程序应用程序应用程序图形软件图形软件

19、图形软件图形软件操作系统操作系统操作系统操作系统图形输入设备图形输入设备图形输出设备图形输出设备终端终端（可能不只一个）（可能不只一个）人人人人软软件件计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院1.4.2 图形系统的分类 按硬件规模、软件丰富程度、价格高低分1.1.大型机为基础的图形系统大型机为基础的图形系统：大容量存储器、极强的计算能力、大量的显示终端、高精度大幅面硬拷贝设备，自行开发的、功能齐全的软件系统。2.2.工程工作站为基础的图形系统工程工作站为基础的图形系统：高速的计算能力，丰富的图形处理、灵活的窗口和网络管理功能。一个用户一台计算机。第三方商品化软件。3.

20、3.以微型机为基础的图形系统以微型机为基础的图形系统：价格低廉，微机性能大幅提高，内存外存CPU速度已超过以前的工作站，绘图仪，打印机等性能大幅提高，满足图形系统要求。软件丰富，有许多商品化软件。计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院1.4.3 显示器灯丝灯丝控制栅控制栅阴极阴极加速系统加速系统聚焦系统聚焦系统偏转系统偏转系统荧荧光光粉粉涂涂层层按工作原理分为：按工作原理分为：1、阴极射线管、阴极射线管(CRT)计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院2 2、等离子屏幕显示器等离子屏幕显示器由一个细小氖泡矩阵组成，由于氖泡有两种状态：开启(

21、点燃)、关闭(熄灭)，且状态可保持。分为1）前层：垂直导线2）中层：细小氖泡3）后层：水平导线水平网格线水平网格线水平网格线水平网格线（Y Y Y Y向地址）向地址）向地址）向地址）玻璃极板单元玻璃极板单元玻璃极板单元玻璃极板单元垂直网格线垂直网格线垂直网格线垂直网格线（X X X X向地址）向地址）向地址）向地址）观观观观察察察察方方方方向向向向计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院3、液晶显示器（LCD）液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)是由六层薄板组成的平板式显示器反射层反射层反射层反射层水平极板水平极板水平极板水平极板水平网格线

22、水平网格线水平网格线水平网格线液晶层液晶层液晶层液晶层垂直网格线垂直网格线垂直网格线垂直网格线垂直极板垂直极板垂直极板垂直极板观察观察观察观察方向方向方向方向计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院按扫描方式分为：1、随机扫描的显示系统特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。逻辑部件：刷新存储器(Refreshing Buffer),显示处理器（DPU:Display Processing Uuit）和CRT计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院2、光栅扫描显示器CPUCPU系统总线系统总线显示处理器显示处理器系统存储器系统存储器

23、显示处理显示处理器存储器器存储器帧缓帧缓存存视频控制视频控制器器I/OI/O设备设备监视器监视器计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院几个概念象素象素 整个屏幕被扫描线分成 n 行，每行有 m 个点，每个点为一个象素。整个屏幕有 m n 个象素。分辨率分辨率通常用屏幕上象素的数目来表示。比如上述的 n 行，每行 m 点的屏幕分辨率为 m n。分辨率的单位是：dpi dpi(dot per inch),但各种设备有其通俗用法。分辨率受显示器生产工艺、扫描频率以及显示存储器容量的限制。计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院单个存储位面的单色光

24、柵扫描图形的工作原理：采用帧存储器映射到屏幕，逐点对应。采用帧存储器映射到屏幕，逐点对应。移位寄存器DAC扫描电路帧存屏幕亮/暗计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院彩色光栅扫描显示原理计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院光栅扫描显示器的点距光栅扫描显示器的点距计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院三存储位面彩色光柵扫描显示器的工作原理DAC扫描电路帧存屏幕DACDAC0 1 0彩色显示8种颜色3位DAC8级灰度计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院24位面的彩色光柵扫描显示器的工

25、作原理三种原色的组合是(28)3=224种颜色。计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院光栅扫描显示器的优缺点缺点：扫描转换费时。优点：可控制亮度与颜色，显示真实感图形。价格低廉。目前的显示器均为光栅扫描显示器计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院图形显示处理器(加速引擎)任务：进行扫描转换：将应用程序给出的图形定义数字化为一组像素强度值，并放到帧缓存器需要扫描转换的内容：基本图形 字符 填充计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院1 1、通用编程软件包、通用编程软件包：提供各种图形功能集（函数库），提供各种图形功

26、能集（函数库），并可用高级语言扩并可用高级语言扩展，可解决设备的控制问题。如展，可解决设备的控制问题。如GLGL，PHIGSPHIGS，PHIGS PHIGS PLUSPLUS，GKSGKS，GKS-3DGKS-3D，GILGIL等，等，近年来在近年来在PCPC和和网络上网络上Open GL Open GL 和和 VRMLVRML得到广泛应用得到广泛应用。GLGL：Graphic Library;Graphic Library;VRMLVRML：Virtual Reality Modeling LanguageVirtual Reality Modeling LanguageGKS:GKS:G

27、raphical Kernel System Graphical Kernel System；1.4.4 图形软件系统计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院图形软件系统2、专用应用软件包：各种CAD，各种绘图软件，医学商业软件，通常具有开发接口。微机上图形应用软件代表性的产品有：AutoCADAutoCADCorelDRAWCorelDRAWFreehandFreehand3DS MAX3DS MAXMAYAMAYA计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院本章小结计算机图形学的概念：计算机图形学的概念：通过计算机将数据转换为将数据转换为图形图形的一门边缘学科。研究内容很丰富包括三方面：算法、软件、硬件算法、软件、硬件计算机图形学不是不是计算机图像处理；但是两者相结合，加速了这两个相关领域的发展。目前的显示器均为光栅扫描光栅扫描显示器。微机上图形应用软件很丰富，代表性的产品有AutoCAD、CAXA等。计算机图形学计算机图形学 郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院拓展资源计算机图形学课程网站图形学的应用实例：郑州大学橡塑模具国家工程研究中心 http:/:8080/nerc/