计算机图形学第一章基本知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,计算机图形学 郑州大学信息工程学院,计算机图形学,Computer Graphics,郑州大学信息工程学院 李春雨,课程内容,包括,理论篇,和,实践篇,两部分。,第一篇 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,课程内容,第二篇 实用图形编程技术,第八章 基于,MFC,的图形编程基础,第九章 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,教材特点,理论篇,内容充实、结构合理、去繁就简、论述清楚。,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 。,学习指导,注重实践,实践内容包括两部分：,使用、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。,成绩计算方法,期末考试,占,70%,实验成绩,占,20%,作业成绩,占,10%,第一章 计算机图形学的基本知识,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,：,图形、图像的区别，实际应用,学习指南,：,要充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。,1.1,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,，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。,1.1.1,计算机图形学的概念,1.1.2,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,：,(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,1.1.2,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,包括三方面：,算法、软件、硬件,。,1.1.3,图形学与图像处理,一、,计算机图形学,：,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、,图像处理,：,将物体的影像处理成数字化图像的技术。,三、,模式识别,：,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。,图形学与图像处理的区别,项目,图形,图像,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,构造出图形,图像处理是景物或图像的分析技术,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,设计、仿真、模拟,模式识别、景物分析、计算机视觉,结构,参数图、矢量图,点阵图,1.1.3,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。,计算机图形学与计算机图像处理、模式识别的关系,计算机处理图像信息的三大学科：,Computer Image Processing (,IP,),Pattern Recognition (,PR,),Computer Graphics (,CG,),共同特征：,辅助或代替人脑进行工作和决策,IP,PR,CG,描述,图像,1.2,计算机图形学的发展历史,五十年代,MIT,旋风一号，计算机驱动,CRT+,照相机，,SAGE(,交互式图形技术诞生,),六十年代,随机扫描显示器，图形学之父,六十年代至七十年代初,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，图形语言标准,八十年代至九十年代初,图形工作站,(,Apollo,Sun,Hp,),时间,特 征,九十年代至今,微机，交叉学科（多媒体等）,七十年代至八十年代初,计算机图形学的发展动向之一 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,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,也称为数据放大技术,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,人,-,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,1.3,计算机图形学的应用,(1),计算机用户接口 人机交互界面,窗口,菜单,图标,目前流行的图形界面,计算机辅助设计,CAD,设计,元部件：机械、电气、电子设备,.,系统,结构,(,建筑物、汽车车身、飞机和船的外壳及内部结构,),光学系统,电话及计算机网络,奥迪效果图和线框图,机械造型与设计,计算机辅助设计,CAD,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、直观,数据的模型和趋势。,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,.,地理信息系统中的图形,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。,模 拟,云雾、烟、树等特殊景物,固定环境的景色,计算机生成的树木,真实感的树木,艺术化的树木,计算机模拟的自然风景,电脑游戏场景,电脑动画场景,办公自动化,在办公室中，用图形方式显示并交换文件、报表、图例和其它信息，并在输出设备上输出、保存起来。,艺术和教育,：,教学活动,蝉（线框图）,计算机艺术作品,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,：,超声、,CT,、,MRI,等，图像的测量，标注，,3D,显示等,生理信号的可视化,：,脑电地形图，体表电位像，红外热像,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,脑外科手术导航,人工关节置换的图形模拟,骨科手术导航系统的实时显示,1.4,计算机图形系统,1.4.1,典型图形系统的组成,外设,计算机,应用程序,图形软件,操作系统,图形输入设备,图形输出设备,终端,（可能不只一个）,人,软,件,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.,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.,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.,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。,1.4.,3,显示器,灯丝,控制栅,阴极,加速系统,聚焦系统,偏转系统,荧光粉涂层,按工作原理分为：,1,、阴极射线管,(CRT),2,、 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,(,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,（,Y,向地址）,玻璃极板单元,垂直网格线,（,X,向地址）,观察方向,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,水平极板,水平网格线,液晶层,垂直网格线,垂直极板,观察方向,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,2,、光栅扫描显示器,CPU,系统总线,显示处理器,系统存储器,显示处理器存储器,帧缓存,视频控制器,I/O,设备,监视器,几个概念,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,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,(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。,单个存储位面的单色光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。,移位,寄存器,DAC,扫描电路,帧存,屏幕,亮,/,暗,彩色光栅扫描显示原理,光栅扫描显示器的点距,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,DAC,DAC,0,1,0,彩色显示,8,种颜色,3位DAC,8,级灰度,24,位面的彩色光柵扫描显示器的工作原理,三种原色的组合是,(2,8,),3,=2,24,种颜色。,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,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,1,、通用编程软件包,：,提供各种图形功能集（函数库）， 并可用高级语言扩展，可解决设备的控制问题。如,GL,，,PHIGS,，,PHIGS PLUS,，,GKS,，,GKS-3D,，,GIL,等，,近年来在,PC,和,网络上,Open GL,和,VRML,得到广泛应用,。,GL,：,Graphic Library;,VRML,：,Virtual Reality Modeling Language,GKS:,Graphical Kernel System,；,1.4.4,图形软件系统,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：,AutoCAD,CorelDRAW,Freehand,3DS MAX,MAYA,本章小结,计算机图形学的概念：,通过计算机,将数据转换为图形,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,计算机图形学,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,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。,拓展资源,计算机图形学课程网站,