图形学教案ch1.ppt

计算机图形学ComputerGraphics 杭后俊 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 1 孙家广胡事民 计算机图形学基础教程 清华大学出版社2 蔡士杰 宋继强 蔡敏译 计算机图形学 第三版 ComputerGraphicswithOpenGL ThirdEdition 电子工业出版社3 ZhigangXiang ComputerGraphicswithOpenGL TsinghuaUniversityPress3 倪明田 吴良芝 计算机图形学 北京大学出版社 19994 潘云鹤 董金祥 陈德人 计算机图形学 原理 方法及应用 修订版 高等教育出版社 主要参考书 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 本课程的学习要求 掌握各种基本的图形算法 完成一定数量 7次左右 的作业 完成4 5次相关的实验 要求用VC对图形算法进行实现 并提交实验报告 通过1 2次关于OpenGL的讲座 对OpenGL的基本建模技术有初步的了解 本课程的主要内容 绪论交互技术与用户接口 TurboC的图形功能 VC 的图形处理功能 基本图形的生成算法 基本图形的光栅扫描转换 区域填充 图形裁剪 反走样等 图形变换 图形的几何变换 投影变换 几何造型初步 三次参数曲线 面 Bezier曲线 面 B样条曲线 面 NURBS曲线 面 等 真实感图形学初步 介绍常见的消影算法 简单的光照模型等 OpenGL专题讲座1 2次 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 本课程的实验内容 1 中点画线算法 Bresenham画线 中点画圆算法2 多边形区域填充算法 扫描线填充算法 种子填充算法 3 多边形区域图案填充 一 4 多边形区域图案填充 二 5 多像素宽直线段算法的VC实现 6 线型的处理实验 7 点阵字符的显示技术 8 线段的Cohen Sutherland裁剪算法 9 二维图形的基本几何变换 10 曲线交互绘制实验 11 三维图形的显示 12 三维图形的平行投影 doc 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 本课程的实验安排 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 本课程的考核 平时 考勤 平时作业 实验期中考核 形式多样期末考核 闭卷考试 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 第一章绪论 什么是计算机图形学 ComputerGraphics 使用计算机建立 存储 处理某个具体的或抽象的对象的模型 并根据该模型产生该对象的图形输出的有关理论 方法和技术叫做计算机图形学 是计算机科学中最为活跃 得到广泛应用的分支之一 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 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 真实感图形计算与显示算法 以及科学计算可视化 计算机动画 自然景物仿真 虚拟现实等 计算机图形学的主要研究内容 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 图象纯指计算机内以位图 Bitmap 形式存在的灰度信息 图形含有几何属性 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 图形主要分为两类基于线条信息表示 如工程图 等高线地图 曲面的线框图等 明暗图 Shading 即是通常所说的真实感图形 图形与图象 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 计算机图形学课程 主要学习的是原理 方法 并不是专门介绍关于某一种图形软件的 本课程与高等数学中的许多分支联系很紧密 如微积分 矩阵理论 空间 解析几何 微分几何 计算几何 样条函数 以及逼近论等 本课程为各种图形软件提供理论指导 使我们在使用各种图形软件时不仅知道How 更重要的是知道Why 本课程与各种图形软件的关系 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 图形软件可以分为两大类 专用图形 应用 软件包和通用图形程序设计软件包 专用软件包的接口通常是一组菜单 用户通过菜单与程序进行通信 例如 3DMAX PHOTOSHOP 各种CAD系统等等 通用软件包提供了一个可用于C C JAVA等高级语言的图形函数库 该图形库提供了用来描述基本图元 如直线段 多边形 球面 样条曲线等 设定颜色 场景的观察以及对象的各种变换等的基本函数 例如 GKS 图形核心系统 PHIGS 程序员层次交互式图形系统 GL 图形程序库 OpenGL 开放式图形库 GIL 清华大学CAD中心开发 VRML Virtual RealityModelingLanguage 虚拟现实建模语言 等等 图形软件的分类 1 50年代的准备和酝酿时期 2 60年代的确立和蓬勃发展时期 3 70年代的实用化时期 4 80年代的普及时期 5 90年代的标准化 集成化 智能化时期 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 计算机图形学的发展历史 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 50年代1950年 第一台图形显示器作为美国麻省理工学院 MIT 旋风I号 WhirlwindI 计算机的附件诞生 1958年 美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪 GerBer公司把数控机床发展成为平板式绘图仪 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 60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PierreB zier提出B zier曲线 曲面的理论 而成为CAGD的先驱 1964年MIT的教授StevenA Coons提出了超限插值的新思想 通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 70年代光栅图形学迅速发展区域填充 裁剪 消隐等基本图形概念 及其相应算法纷纷诞生图形软件标准化1974年 ACMSIGGRAPH的与 与机器无关的图形技术 的工作会议ACM成立图形标准化委员会 制定 核心图形系统 CoreGraphicsSystem ISO发布CGI CGM GKS PHIGS 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 真实感图形学1970年 Bouknight提出了第一个光反射模型1971年Gourand提出 漫反射模型 插值 的思想 被称为Gourand明暗处理1975年 Phong提出了著名的简单光照模型 Phong模型实体造型技术英国剑桥大学CAD小组的Build系统美国罗彻斯特大学的PADL 1系统 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 80年代1980年Whitted提出了一个光透视模型 Whitted模型 并第一次给出光线跟踪算法的范例 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 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 总之 计算机图形学硬件的发展主要体现在图形显示器 相关图形输入和输出设备的发展 而计算机图形学软件的发展主要体现在计算机图形学的理论研究和图形学软件的标准化问题 如ACM成立图形标准化委员会 制定 核心图形系统 CoreGraphicsSystem ISO发布CGI CGM GKS PHIGS等软件标准 第二章有介绍 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 计算机图形学的应用 计算机辅助设计 CAD 与制造 CAM 计算机辅助教学 CAI 可视化 Visualization 用户接口 GUI 交互绘图 IneractivePainting 虚拟现实环境 VRE 计算机动画 Computeranimation 计算机艺术 Computerart 等等 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 CAD CAM 飞机 舰船 汽车 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 科学计算的可视化 右图是一个对复杂科学数据进行图形化展示的例子 从图中可以看到 这些数据以一种用肉眼即可捕获的方式波动 曲面的高度代表一个量 比如温度或粘度 它和另外两个量一起构成了一幅三维图 反之 如果以数字表格的形式展示这些数据 为得到同样信息 就需要花费很多精力来研究这个数据表 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 用户接口 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 真实感图形实时绘制与自然景物仿真计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性 简单的说就是物体的形状 光学性质 表面的纹理和粗糙程度 以及物体间的相对位置 遮挡关系等等 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 非真实感绘制 Non PhotorealisticRendering 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 分形图案 计算机艺术 地理信息系统 目前应用最普及的是基于阴极射线管 CRT 的光栅扫描显示器 阴极射线管 CRT 的结构如图2 1所示 主要由电子枪 聚焦系统 加速电极 偏转系统和荧光屏五部分组成 显示器 电子枪发射电子束 经过聚焦在偏转系统控制下电子束轰击荧光屏 在荧光屏上产生足够小的光点 光点称为像素 pixel 阴极射线管在水平和垂直方向单位长度上能识别的最大光点数称为分辨率 分辨率越高 显示的画面越清晰 图形硬件设备 彩色显示器的色彩是发出不同颜色的荧光物质进行组合而得到的 每个像素由三个荧光点组成 这三个荧光点分别为发红 绿和蓝色光的三种荧光物质 有三支电子枪分别与这三个荧光点相对应 因为荧光点非常小而且充分靠近 所以我们看到的是具有它们混合颜色的一个光点 即像素 通过调节电子枪发出的电子束中所含电子的多少 可以控制击中的相应荧光点的亮度 因此以不同的强度击中荧光点 就能够在像素点上生成极其丰富的颜色 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 随机扫描显示器随机扫描显示器中的电子束的定位和偏转具有随机性 要显示的图形的定义是存放在刷新缓存的一组画线命令 系统周期性地执行刷新缓存中的一组命令 根据当前的线条走向 由显示控制器控制电子束的偏移 依次画出其组成线条 从而在屏幕上产生图形 当所有画线命令处理完后 系统周期地返回到该刷新缓存的第一条画线命令 因此 随机扫描显示器是画线式显示器 或矢量式显示器 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 存储管式显示器存储管从表面上看类似于有长余辉的CRT 但是存储管的电子束不是直接打在荧光屏上 而是先将图形信息通过写入电子枪写在荧光屏前的存储栅上 写有图形信息的部分呈正电荷 再由读出电子枪发出低能量的漂浮电子流 通过收集栅使这些电子均匀地散开流向存储栅 存储栅上呈正电荷的地方吸引电子 使电子通过并轰击荧光材料而发光 在其他位置上则不通过电子 这样就能把存储栅上的图形 重写 在屏幕上 所以存储管式显示器既能产生图形 也能存储图形 缺点 不能用存储管式显示器产生动画 存储管式显示器是画线设备 光栅扫描显示器是画点设备 用光栅扫描显示器显示一条直线 段 只可能用尽可能靠近这条直线路径的像素点集来近似地表示这条直线 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 光栅扫描显示器 光栅扫描方式将CRT屏幕分成由像素构成的光栅网格 其中像素具有灰度和颜色 所有像素的灰度和颜色信息 也称为显示内容 保存在一个专门的内存区域中 称为帧缓冲存储器 FrameBuffer 简称帧缓存 帧缓存的深度 位面数 即每个像素的位数决定了某一个显示系统能显示的颜色数 例如 1位深度帧缓存只能显示两种颜色 而8位深度帧缓存可以显示28 256 种颜色 在全色彩 full color 系统里 深度为24位的图形系统可以显示足够多的颜色数 能表示大多数真实感图像 所以称之为真彩色 true color 系统 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 在光栅扫描显示器中 一幅图像是由像素 pixel 阵列组成 而像素的阵列称为光栅 raster 一幅图像的像素全部存放在一个称为帧缓存器的内存里 帧缓存的深度 位面数 即每个像素的位数决定了某一个显示系统能显示的颜色数 例如 1位深度帧缓存只能显示两种颜色 而8位深度帧缓存可以显示28 256 种颜色 在全色彩 full color 系统里 深度为24位的图形系统可以显示足够多的颜色数 能表示大多数真实感图像 所以称之为真彩色 true color 系统 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 黑白单灰度光栅扫描显示器黑白多灰度光栅扫描显示器彩色单灰度光栅扫描显示器彩色多灰度光栅扫描显示器 一个具有24位面的帧缓冲存储器 红 绿 蓝各8个位面 其值经数模转换控制红 绿 蓝电子枪的强度 每支电子枪的强度有256 8位 个等级 则能显示256 256 256 16兆种颜色 16兆种颜色也称作 24位 真彩色 从以上的讨论我们知道 像素的颜色数和帧缓存的大小是成正比的 为了节制帧缓存的增加 用尽量少的帧缓存来得到尽可能多的颜色数 提出了一种技术 查找表技术 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 液晶显示器 LiquidCrystalDisplay 简称LCD 利用液晶的物理特性 通电时导通 晶体在电场作用下 排列变得有秩序 通过它的光的折射角度会发生变化 使光线容易通过 不通电时 晶体排列变得混乱 光被遮挡 不能通过 等离子显示器 PlasmaDisplayPanel 简称PDP 利用气体放电激发荧光粉发光的显示装置 等离子管作为等离子显示器的发光元件 大量的等离子管排列在一起构成屏幕 平板显示器具有超薄超轻 无辐射 低功耗等优良特性 近几年来正在逐步普及 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 1 如果帧缓冲器使用8个位面表示RGB颜色值 那么每一象素具有的颜色数为 A 32B 64C 128D 2562 如果每种基色用2bits表示其灰度等级 那么每一像素有多少种可能的颜色 3 每基色的灰度等级为256级 对分辨率为1024 1024的显示器 一帧图像至少需要的帧缓存容量为 A 512KBB 1MBC 2MBD 3MB 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 D 思考题 D 1 绘图仪笔式绘图仪 画线设备 静电绘图仪 画点设备 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 图形绘制设备 台式绘图机 滚筒绘图机 2 打印机 画点设备 点阵式打印机喷墨打印机激光打印机 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 图形绘制设备 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 图形输入设备 第一阶段 控制开关 穿孔纸等等第二阶段 键盘第三阶段 二维输入设备如鼠标 光笔 图形输入板 触摸屏 扫描仪 数码相机等等第四阶段 三维输入设备如空间球 数据手套 数据衣 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 RGB颜色模型 常见的两种颜色模型 在这种颜色系统中 每一种基色的亮度可以从0到1 通过混合不同亮度的三种基色 红 绿 蓝 可以表示多种颜色 由黑色开始 接着加入合适的基色得到希望的颜色 即RGB颜色系统是一个加色系统 图形显示器使用的是RGB颜色系统 有红 绿 蓝三个电子枪 每个基色的亮度由调整电子枪轰击荧光屏的强度获得 通过混合不同亮度的三种基色可以在显示器上得到相应的颜色 CMY颜色模型 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 在CMY颜色模型中 由白色开始 接着减去合适的基色元素得到希望的颜色 CMY颜色系统是一个减色系统 例如 从白色中减去红色就得到青色 减去绿色就得到品红 减去兰色就得到黄色等等 绘图设备 如彩色喷墨打印机 使用的就是CMY颜色系统 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 RGB颜色系统和CMY颜色系统的关系 例如 在CMY中 1 1 1 表示黑颜色 而在RGB中 0 0 0 表示黑颜色 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 例如 在CMY颜色模型中 0 0 1 代表黄色 利用前面的转换公式知道 在RGB颜色模型中 1 1 0 表示黄色 因此红色和绿色的混合产生黄色 因为投射光中的蓝色成分被吸收了 再如 在CMY颜色模型中 1 1 0 表示青色和品红墨水的混合 由转换公式知 生成的颜色为蓝色 这说明自然光投射到青色和品红混合的墨水上时 光线中的红色和绿色成分都被吸收了 1 在CMY颜色模型中 1 1 1 表示黑颜色 但为什么很多彩色打印机使用黑色颜料 一方面由于彩色颜料 青 品 黄 相对比较贵 另一方面由多种颜色所生成的黑色质量不高 2 CMY颜色模型中的颜色 0 15 0 75 0 对应RGB颜色模型中的颜色坐标为 A 0 85 0 25 1 B 0 2 1 1 C 1 85 0 25 1 D不在A B C中出现 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 A 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 图形系统 一个计算机图形系统应包括计算机图形硬件系统 计算机图形软件系统 计算机图形软件系统 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 计算机图形学软件系统发展到目前已经非常丰富了 大致可以分为三类 1 用高级语言写成的图形软件 包括专用的图形软件包 Photoshop 3DMAX 各种CAD等等 和通用的图形 编程 软件包 GKS PHIGS GL OpenGL GIL VRML等等 2 扩充某一种计算机语言 使其具有图形的生成和处理功能 3 配置有高级图形语言的专用图形系统 几何造型系统 两种流行的几何造型系统 ACIS和Parasolid 现今大多数著名的CAD CAM软件是基于ACIS或Parasolid开发的 几何造型平台ACIS和Parasolid最早都源于英国剑桥大学 常用的计算机图形软件简介 计算机辅助设计CAD 计算机辅助制造CAM AutoCADUnigraphics UG Pro Engineer I DEAS CATIA Cimatron MasterCAM 国内北航金银花 清华高华CAD 华中开目CAD 浙江大学大天等 计算机动画软件 Softimage1986年成立于加拿大的蒙特利尔 公司创始人丹尼尔 朗格鲁斯是三维动画技术的先驱 他发明了反向动力学和运动捕获等众多重要的三维动画技术 是模拟物理运动和角色动画方面最优秀的制作软件 曾用Softimage创作的大片有 泰坦尼克 木乃伊复活 侏罗纪公园 人工智能 等 Softimage3D微软公司1996年推出基于NT平台的Softimage3D Softimage3D最擅长卡通造型和角色动画以及模拟各种虚幻的情景 光影 电影 侏罗纪公园 中的恐龙就是用Softimage3D制作完成的 国内电视台和一些影视广告公司都是用它来制作片头和动画的 如中央电视台 东方时空 和 中国新闻 等 Softimage现在隶属于Avid公司 2000年4月推出Softimage XSI 率先推出了非线性动画编辑工具 MayaAlias和Wavefront以及法国一家公司被美国SGI公司并购 1998年推出Maya 它凝结着无数3D动画精英们的心血 电影 星际战队 体现了Maya强大的功能 Renderman是Pixar公司的一款可编程的三维创作软件 它在三维电影的制作中取得了重大成功 玩具总动员 中的三维造型全部是由Renderman绘制的 3DStudioMAX美国Autodesk公司开发的 是国内广泛使用的三维动画软件 它运行于Windows平台 广泛应用于电影 电视 计算机游戏 多媒体和出版等行业 在 迷失的太空 中 绝大部分的太空镜头就是由3DSMax制作的 3DSMAX最大的优点在于插件特别多 许多的专业技术公司都在为3DSMAX设计各种插件 其中许多插件是非常专业的 如专用于设计火 烟 云效果的After burn 制作肌肉的Metareye等 利用这些插件可以制作出精彩的效果 可视化软件 AVS系统是美国AdvancedVisualSystemsInc 公司推出的一个通用的体数据可视化系统 主要运行在大型机和工作站上 VolVis是美国纽约州立大学以ArieE Kaufman教授为首的研究小组设计的体数据可视化系统 是在X Motif的支持下开发的 主要运行在工作站上 ApE是美国TaraVisualInc 公司设计的一个通用的科学可视化系统 主要运行于大型机和工作站上 具有很好的可移植性和可扩展性 提供一套可视数据流流程语言 用户选择一组功能模块 构成一个管道 Pipe 这样就建立了一个应用实例 Visualizer是中科院自动化