计算机图形学.ppt

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1、第一章第一章1.1 1.1 计算机图形学的应用领域计算机图形学的应用领域1.2 1.2 计算机图形学的概念计算机图形学的概念1.3 1.3 计算机图形学的相关学科计算机图形学的相关学科1.4 1.4 计算机图形学的确立和发展计算机图形学的确立和发展1.5 1.5 图形显示器的发展及其工作原理图形显示器的发展及其工作原理1.6 1.6 图形软件标准的形成图形软件标准的形成1.7 1.7 计算机图形学的最新技术计算机图形学的最新技术1.8 1.8 小结小结“CG”是计算机图形学（Computer Graphics）的缩写。 计算机图形学是计算机技术与电视技术、图形图像处理技术相互融合的结果。 近年

2、来，计算机图形学已经在科学、艺术、电影、商业、广告、教学和培训等领域获得广泛的应用。1.1.1 1.1.1 计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD/CAM)(CAD/CAM)1.1.2 1.1.2 计算机艺术（计算机艺术（CACA）1.1.3 1.1.3 虚拟现实（虚拟现实（VRVR）1.1.4 1.1.4 计算机辅助教学（计算机辅助教学（CAICAI） 计算机辅助设计（计算机辅助设计（Computer Aided Computer Aided DesignDesign，CADCAD）和计算机辅助制造（）和计算机辅助制造（Computer Computer Aided ManufactureAi

3、ded Manufacture，CAMCAM）是计算机图形学最）是计算机图形学最早应用的领域，也是当前计算机图形学最成熟早应用的领域，也是当前计算机图形学最成熟的应用领域，典型的代表产品为的应用领域，典型的代表产品为AutoCADAutoCAD系统系统软件。现在建筑、机械、飞机、汽车、轮船、软件。现在建筑、机械、飞机、汽车、轮船、电子器件等产品的开发几乎都使用电子器件等产品的开发几乎都使用AutoCADAutoCAD进进行设计。行设计。 具体设计时，先使用线框模型将三维物体内部特征展示出来，然后采用真实光照模型和曲面绘制技术产生最终效果图。旋耕刀辊设计图旋耕刀辊设计图 另外一个常用的设计软件是

4、另外一个常用的设计软件是3DS MAX3DS MAX。侏侏罗纪公园罗纪公园、玩具总动员玩具总动员等影片均是典型等影片均是典型的的3DS MAX3DS MAX技术产品。技术产品。 3DS MAX3DS MAX是世界上应用最广泛的三维建模、是世界上应用最广泛的三维建模、动画、渲染软件动画、渲染软件, ,完全满足制作高质量动画、最完全满足制作高质量动画、最新游戏、设计效果等领域的需要。新游戏、设计效果等领域的需要。 3DS MAX集集中体现了计算机图形学研究成果，综合使用了中体现了计算机图形学研究成果，综合使用了图形变换、消隐、光照、纹理以及实体造型等图形变换、消隐、光照、纹理以及实体造型等技术。技

5、术。办公室效果图办公室效果图 学生宿舍学生宿舍卧室卧室 计算机图形学广泛应用于美术设计中，称为计算机艺术（Computer Art，CA），动画设计是其典型代表。目前,计算机动画已经广泛应用于影视特技、商业广告、游戏、计算机辅助教学等领域。 许多商业广告中还用到变形（Morph）的图形处理方法，可以将一个人的脸变成另一个人的脸。邦德变女郎邦德变女郎男变女男变女 分形几何学和计算机图形学相结合的一门边缘学科。 分形通过递归实现复杂的图形结构，主要用于描述欧几里得几何学无法描述的自然世界，诸如：起伏蜿蜒的山脉、坑坑洼洼的地面、曲曲折折的海岸线、层层分叉的树枝、撕裂夜空的闪电、闪烁跳跃的火焰、以及金

6、属和非金属材料的断面、生物的大分子结构等等。 谢尔宾斯基海绵的生成原理为：将一个立方体沿其各个面等分为27个小立方体，舍弃位于立方体面心的六个小立方体，以及位于体心的一个小立方体。对余下的20个立方体按相同的方法逐步递归 。海绵海绵1.1.3 虚拟现实（VR） 虚拟现实（Virtual Reality）用计算机生成一种虚拟环境，用户“沉浸”到该环境中，并可通过一些特殊设备与该环境直接进行交互的技术。在虚拟现实中，看到的是全彩色的景象，听到的是虚拟环境中的声响，感受到的是虚拟环境设备反馈的作用力，从而产生身临其境的感觉。家居花园三维视景仿真系统家居花园三维视景仿真系统家居花园外景家居花园外景居室

7、漫游居室漫游博创研究所1.1.4 1.1.4 计算机辅助教学（计算机辅助教学（CAICAI） 计算机辅助教学( Computer Aided Instruction)是利用计算机图形学技术展示抽象原理或不可见过程的一种新的教学方法。 在多媒体教室，教师使用集图、文、声、像为一体的多媒体课件，形象、生动地进行教学，有助于学生理解和接受深奥枯燥的理论。同时在网络化学习（E-Learning）时代，网络多媒体课件使得受教育者不必进入传统的课堂也能接受到优质的培训，分享全世界范围内的优质教育资源。 1.2 1.2 什么是计算机图形学什么是计算机图形学 使用图形生成原理和算法将数学模型转化为图像显示的科

8、学。 简单地说，计算机图形学是研究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。1.2.1 - 1.2.1 - 计算机图形学中图形的分类计算机图形学中图形的分类n一类是基于线条表示的几何图形,如线框图、工程制图、等高线地图等n另一类是基于光照、材质和纹理映射表示的真实感图形。1.2.2 1.2.2 计算机图形学中图形的表示方法计算机图形学中图形的表示方法n参数法参数法是在设计阶段采用几何方法建立数学模型时，用形状参数和属性参数描述图形的一种方法形状参数可以是线段的起始点和终止点等几何参数属性参数则包括线段的颜色、线型、宽度等非几何参数一般用参数法描述的图形依

9、旧称为图形。n点阵法点阵法是在实现阶段用具有颜色信息的像素点阵来表示图形的一种方法，描述的图形常称为图像。 计算机图形学就是研究将图形的表示法从参数法转换到点阵法的一门学科。 用用直线直线y=kx+by=kx+b表示表示的图的图形形用直线y=kx+b表示的图像1.2.3 - 1.2.3 - 计算机图形学的研究方向计算机图形学的研究方向 图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形的生成算法，以及科学计算可视化、计算机动漫、自然景物仿真、虚拟现实等。1.31.3计算机图形学的相关学科计算机图形学的相关学科计算机图形学密切相关的学科主要有： 图像处理 模式

10、识别 主要是指数字图像处理，是对基于点阵图像进行增强、去噪、复原、分割、重建、编码、存储、压缩和恢复等不同处理方法的学科。如Photoshop就是著名的图像处理软件。 图像处理图像处理彩色图像二值图像灰度图像模式识别模式识别（Pattern RecognitionPattern Recognition，PRPR） 把点阵图像进行特征抽取，然把点阵图像进行特征抽取，然后用统计学方法给出图形描述的学后用统计学方法给出图形描述的学科。科。 如带手写功能的手机就是如带手写功能的手机就是模式识别的一个典型应用。模式识别的一个典型应用。 数学模型数学模型图像显示图像显示1.41.4计算机图形学的确立和发展

11、计算机图形学的确立和发展1946年2月14日，世界上第一台计算机ENIAC在美国问世。1950年，美国麻省理工学院的旋风一号计算机配备了世界上第一台显示器阴极射线管1963年美国麻省理工学院的Ivan E.Sutherland完成了Sketchpad：一个人机通讯的图形系统博士学位论文。Ivan E.SutherlandIvan E.Sutherland1.5.1 阴极射线管CRT1.5.4 光栅扫描显示器1.5.7 三维显示器 CRT（Cathode Ray Tube），是光栅扫描显示器的显示部件，其功能与电视机的显像管类似，主要是由电子枪、聚焦系统、偏转系统、荧光粉层和玻璃外壳五大部分组成

12、。CRTCRT电子枪聚焦系统偏转系统荧光屏电子束荫罩电子枪是由灯丝、阴极、控制栅组成。电子枪是由灯丝、阴极、控制栅组成。黑白黑白CRTCRT中只有一支电子枪。彩色中只有一支电子枪。彩色CRTCRT中中有红绿蓝三支电子枪。有的显示器的电有红绿蓝三支电子枪。有的显示器的电子枪是单枪三束。子枪是单枪三束。CRTCRT通电后灯丝发热，阴极被激发射出通电后灯丝发热，阴极被激发射出电子，电子受到控制栅的调节形成电子电子，电子受到控制栅的调节形成电子束。电子束经聚焦系统聚焦后以高速轰束。电子束经聚焦系统聚焦后以高速轰击到荧光屏上，荧光粉层被激发后发出击到荧光屏上，荧光粉层被激发后发出辉光形成一个光点。辉光形

13、成一个光点。CRTCRT偏转系统可以控制电子束在指定的偏转系统可以控制电子束在指定的位置上轰击荧光屏，整个荧光屏依次扫位置上轰击荧光屏，整个荧光屏依次扫描完毕后，图像显示完成。描完毕后，图像显示完成。由于荧光粉具有余辉特性由于荧光粉具有余辉特性电子束停电子束停止轰击荧光屏后，荧光粉的亮度并不是止轰击荧光屏后，荧光粉的亮度并不是立即消失，而是按指数规律衰减，图像立即消失，而是按指数规律衰减，图像逐渐变暗，为了得到亮度稳定的图像，逐渐变暗，为了得到亮度稳定的图像，电子枪需要不断地根据帧缓冲的内容轰电子枪需要不断地根据帧缓冲的内容轰击荧光屏，反复重绘同一幅图像，即不击荧光屏，反复重绘同一幅图像，即不

14、断刷新屏幕。断刷新屏幕。第一代：随机扫描显示器第二代：直视存储管显示器第三代：光栅扫描显示器1.5 - 1.5 - 图形显示器的发展图形显示器的发展1.5.21.5.2随机扫描显示器随机扫描显示器n20世纪60年代中期出现并得到推广使用的图形显示器是随机扫描（Random Scan，RS）显示器。随机扫描显示器的电子束的定位和偏转具有随机性，电子束不进行全屏扫描，其轨迹随图像的定义而变化，只在需要的地方轰击荧光屏。图像的定义是存放在文件存储器中的一组画线命令。随机扫描显示器周期性地读取画线命令，依次在屏幕上画出线条，当所有的画线命令都执行完毕后，图像就显示出来。这时随机扫描显示器又返回到第一条

15、命令行进行屏幕刷新。随机扫描显示器可以直接按指定路径画线，所画直线光滑没有锯齿，因而图像清晰，主要用于显示高质量的图像。n随机扫描显示器也称作矢量显示器，属于画线设备，不能显示有阴影的图像。随机扫描显示器演示随机扫描显示器演示1.5.3 直视储存管显示器70年代后期发展了利用CRT本身来存储信息，而且不再需要刷新屏幕的显示器，这就是直视储存管显示器（Direct View Storage Tube，DVST）。DVST使用紧贴在荧光层后的存储栅的电荷分布来存储图形。DVST使用两支电子枪，一支是写电子枪，用来存储图形；另一支是读电子枪，用来图形显示。从表面上看DVST极象是一个长余辉的CRT，

16、一条线一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见的。这种显示器的电子束不是直接打在荧光屏上，而是先用写入电子枪将图像信息以正电荷“写”在一个每英寸有250条细丝的存储栅上。读电子枪发出的电子流再把存储栅上的图像“重写”在屏幕上。紧靠着存储栅后面的是收集栅，主要作用是使读出的电子流均匀，并以垂直方向射向屏幕。读电子枪发出的电子流以低速流经收集栅，并被吸引到存储栅上存有图像信息的正电荷上去，而存储栅上的非正电荷部分则被排斥。被吸引过去的电子直接通过存储栅并轰击荧光粉形成图像。直视储存管显示器演示1.5.4 1.5.4 光栅扫描显示器光栅扫描显示器 由于光栅扫描显示器电子束的强度可以不断变化，所以容易生成颜色连续变化的真实感图像。光栅扫描显示器是画点设备，可看作是一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单元的亮度，这些点阵单元被称为像素（Picture Element，Pixel）。像素1.5.51.5.5屏幕分辨率屏幕分辨率 屏幕纵横比（Aspect Ratio）: 显示设备中显示图像的横向尺寸与纵向尺寸的比例，最常见的为4:3，目前的高清晰度电视和一些新型显示设备采用了16:9。 800600