图形图像学基础1

图形图像学基础教材及主要参考书n 教材 ： 计算机图形学 , 任爱华编著 , 北京航空航天大学出版社， 2005n 主要参考书 ： 何援军， 计算机图形学 ，机械工业出版社 计算机图形学 Computer Graphics with OpenGL:第三版， Hearn. D & Baker M.P.著，电子工业出版社， 2004 数字图像处理 (第二版 ), 英文版 , Gonzalez, R.C. & Woods, R.E., 电子工业出版社， 2002序号 授 课 内容1234567891011绪论计 算机 图 形学的研究内容及其与相关学科的关系， 计 算机 图 形学的 发 展与 应 用。 图形 输 入 输 出 设备 。基本 图 形生成算法：直 线 、 圆 弧的 DDA生成算法和 Bresenham生成算法、 扫 描 线 填充算法的基本原理，有序 边 表算法， 边 填充算法，种子填充算法的基本原理， 简单 的种子填充算法， 扫 描 线 种子填充算法、 线 段的裁剪算法，多 边 形的裁剪算法。字符及反走 样 技 术。图 形 变换 ： 图 形 变换 数学基 础 ， 齐 次坐 标 技 术 、窗口 视图变换 ，二、三 维图 形几何 变换 、平行投影、透 视 投影 变换 。曲 线 和曲面：参数曲 线 基 础 ， 常用的参数曲 线 ： Bezier曲 线 、 B样 条曲 线 等、常用的参数曲面。交互技 术 与用 户 接口。数字 图 像 处 理：数字 图 像基 础 ， 图 像的表示，采 样 ，直方 图 ，二 值 化等。数字 图 像 处 理：空 间 域 图 像增 强 算法。*数字 图 像 处 理： 频 域 图 像增 强 算法成绩构成n 平时成绩（ 40%）出勤（ 10%）课后作业（ 10%）随堂小测验（ 20%）n 期末考试（ 60%）第一章 绪论n 什么是计算机图形学n 图形学的研究内容n 应用领域n 交互式图形系统输入输出设备n 与相关学科的关系Computer Graphics (CG) 计算机图形学是研究怎样用计算机表示、生成、处理和显示图形的一门学科。国际标准化组织 (ISO)的定义： 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、应用数学和计算机科学基础上的一门边缘学科。几何或 3D的问题 图像或 2D的问题CG研究的问题n 一般说来，要在计算机上生成一幅表示物体的图形，有三个要素： 如何在计算机中 “表示 ”多彩的客观世界：造型技术n 在计算机中建立所要生成图像的物体的模型n 即给出表示该物体的几何数据和拓扑关系 如何在计算机中 “表现 ”多彩的客观世界：绘制技术n 按照给定的观察点及观察方向将物体模型在计算机屏幕上显示出来 人机交互技术：n 为造型和绘制这两个过程提供友好的人机界面根据准确性、真实性、实时性的要求，算法可大致分为以下几类：n 基于图形设备的基本图形元素的生成算法n 图形的变换和裁剪n 自由曲线和曲面 计算几何n 几何造型技术n 真实感图形 的生成算法n 自然景物的生成 分形几何n 颜色科学及其应用n 计算机动画技术n 虚拟现实技术 实时交互式三维图形处理研究内容图形和图像n 图形分为 图形类 和 图像类 图形类：以 矢量图形式 呈现，在计算机中以场景的几何模型与物理属性表示的图形。能体现景物的几何个体，记录体元的形状参数与属性参数。如工程图纸，其信息包含图元的几何信息与属性信息。图形和图像n 图形分为 图形类 和 图像类 图像类：以 点阵图形式 呈现，在计算机中以具有颜色信息的点阵来表示的图形。它更强调整体的形式，描述一个个点的灰度或色彩。如照片、扫描图片等。其信息实际上是 点 与点的属性信息（颜色、灰度、亮度等）。CG的总体架构n 数学基础向量、矩阵、齐次坐标、几何变换等。n 几何二维和三维空间的各种几何模型和几何造型方法n 绘制几何的视觉实现过程， CG的主要工作 图形类：二维绘制以光栅化算法和裁剪算法为代表，三维绘制以线消隐算法为代表 图像类：面消隐、光照模型、阴影模型、纹理模型、光源模型、颜色模型等。n 交互技术CG中相对独立的一部分。通常是以 WIMP为特征的图形用户界面CG的发展简史n 硬件 1950年第一台图形显示器诞生 20世纪 70年代光栅显示器产生，图形学进图了第一个兴盛时期并开始出现实用的 CAD图形系统 20世纪 80年代中期，超大规模集成电路的发展使计算机运算能力提高，图形处理速度加快，图形学得到快速发展n 基础理论 1962年， Ivan E.Sutherland发表题为 “Sketchpad:一个人机交互通信的图形系统 ”的博士论文，首次使用了计算机图形学 (computer graphics)这个术语。 20世纪 70年代，真实感图形和实体造型技术产生 1980年 Whitten提出了一个光透视模型并给出光线跟踪算法范例 1984年美国 Conell和日本广岛大学的学者分别用辐射度方法成功模拟了理想漫反射表面间的多重慢反射效果。真实感图形算法日渐成熟。应用领域n 计算机辅助设计与制造 (CAD/CAM)n 科学计算可视化n 影视制作n 虚拟现实系统n 医疗n 计算机艺术n 图形用户界面等计算机辅助设计与制造（ CAD/CAM）nCAD/CAM是 CG在工业界最广泛、最活跃的应用领域。 飞机、汽车、船舶、机电、轻工、服装的外形设计 集成电路、印刷电路板的设计 建筑设计 基于工程图纸的三维形体重建影视制作计算机动画技术还被广泛用于电影电视中的特技镜头的制作，产生以假乱真而又惊险的特技效果，如模拟大楼被炸、桥梁坍塌、在图像中增加实际上不存在的物体等。立体感和虚拟现实系统立体感和虚拟现实系统n 头盔式显示器 将观察者的头部位置及运动方向告诉计算机，计算机就可以调整观察者所看到的图景，使得呈现图像更趋于真实感绝大多数头盔式显示器使用两个显示器 把用户的视觉、听觉和其他感觉封装起来，产生一种身在虚拟环境中的错觉。虚拟现实系统n 虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，并使用传感器设备与之相互作用。提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般及时、没有限制地观察三度空间内的事物。 虚拟现实在机器人遥操作方面的应用 虚拟现实在军事方面的应用 虚拟现实在训练方面的应用 虚拟手术仿真n 将医用 CT扫描的数据转化为三维图象，并通过一定的技术生成在人体内漫游的图象，使得医生能够看到并准确地判别病人的体内的患处，然后通过碰撞检测一类的技术实现手术效果的反馈，帮助医生成功完成手术。科学计算的可视化n 科学计算的 可视化是 将科学计算过程中的数据及结果数据转换为图像 实际上也包括了工程计算可视化和测量数据可视化 其核心是三维数据场的可视化n 可应用于气象预报、（ CT）医学图象重建 、 流场、 湍流、激波、石油地质勘探、环境保护、核爆炸模拟、计算流体力学、天体物理、分子生物学、有限元分析、等许多领域。 事务和商务数据的图形显示n 绘制表示经济信息的各类二、三维统计管理图表n 信息可视化 :信息流量，商业统计数据，股市行情图形用户界面Window system and large-screen interaction metaphor图形输入设备 鼠标、键盘 数码相机 采用的摄像感应器有两种 CCD CMOS：便宜，但质量相对较差 扫描仪图形输入设备 数据手套 (Data glove) 可测量出手的位置和形状，从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操纵。数据手套通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器，确定手及关节的位置和方向 。图形输入设备n 图形输入的一个特殊领域 真实物体的三维信息的输入 n 零件进行大规模生产必须在计算机中生成三维实体模型 这个模型有时要通过已有的实物零件得到 采集实物表面各个点的位置信息n 扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息 在计算机中产生这些艺术品的三维模型 图形输出设备阴极射线管 (CRT)组成包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏工作原理电子枪发射电子束经过聚焦系统、加速电极、偏转系统轰击到荧光屏的指定位置电子束能量被其内表面的荧光物质吸收产生亮点电子枪电灯丝阴极n 由灯丝加热发出电子束控制栅n 加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电的电子束的强弱n 通过调节负电压高低来控制电子数量n 即控制荧光屏上相应点的亮度聚焦系统通过电场和磁场控制电子束变细，保证亮点足够小，提高分辩率加速电极加正的高压电（几万伏）使电子束高速运动 控制静电场或磁场，使电子束产生偏转，最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指标，显示器长短与此有关。偏转系统荧光屏荧光物质：吸收电子束而发光l余辉时间：电子束离开某点后， 持续发光时间l刷新 (Refresh)： 为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值l刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数l像素 (Pixel)： 构成屏幕（图像）的最小元素l分辨率 (Resolution)： CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数单位通常为 dpi（ dots per inch)。在假定屏幕尺寸一定的