计算机图形学_计算机图形学概述.ppt

计算机图形学 张锐 数字媒体教研室 cnsdzhangrui 2 教材及参考书 3 了解图形系统的框架及其涉及的软件 硬件技术 了解图形学的基本问题 掌握图形学的基本概念 方法与算法 对与图形相关的应用及当前的研究热点有一个初步认识 具有一定实践体会和相关的编程能力 本课程的考试采取笔试的形式 最终成绩中平时成绩占30 考试成绩占70 课程要求 4 本课程的先修课是 Java语言 或 Java程序设计 数据结构 计算机图形学是如计算机辅助几何设计 科学计算可视化 计算机动画 计算机游戏 虚拟现实 人机交互等学科的基础 或说在这些领域中图形学起着越来越重要的作用 所以 计算机图形学的学习为今后的研究工作打下基础 与其他课程关系 5 显示器等输出设备如何进行图形图像的显示 计算机图形学解决了什么问题 6 7 图形学是研究计算机如何生成图形的 其一 我们可以看一下书上介绍的一些算法 比如说画直线的算法 DDA算法 从这个算法大家可以知道了 原来图形学就是比较基础的 研究如何来画出图形的科学 其实现在很多可视化的高级语言都提供一些很方便的函数来实现画直线 画框 画圆 填充等画图动作 图形学就是研究这样一些函数是怎么编写的 其二 计算机图形学另一个主要的目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形 为此 必须建立图形所描述的场景的几何表示 再用某种光照模型 计算在假想的光源 纹理 材质属性下的光照明效果 计算机图形学也就要研究如何产生上述的效果 8 9 NurbsSurface B zierSurface Nurbs或Bezier曲面 10 TheStanfordBunny 斯坦福兔子 11 体绘制 面绘制 面绘制 可视化 12 morphing 图像morphing技术是指把一幅数字图像以一种自然流畅的 戏剧性的 超现实主义的方式变换到另一幅数字图像 13 计算机动画 CAD CAM 可视化 线框图 14 计算机发展的下一个热潮 先后出现的热潮是 从计算机是人的工作工具出发 我们不难得到结论 下一个热潮是包括图形图像在内的加强信息利用和沟通的方向 计算机中的数据的最终目的是要为人处理各种事情服务的 所以这些数据所蕴涵的信息如何能高效地让人自适应地 高效地获得就成了计算机发展历程中新的 下一个瓶颈 由于视觉是人类最快捷的信息获知途径 图形图像将是下一个热潮中的主要内容 操作系统 数据库 网络 那么下一个热潮是什么 15 1 坐标系统 在现实世界中 所有的物体都具有几何特征 但计算机本身只能处理数字 将几何实体与数据联系在一起的唯一纽带就是坐标 如 现实的几何实体的数字表示可以是一些坐标值 如 x y z 为了使被显示的几何实体数字化 要在被显示的物体所在的空间中定义坐标系 预备概念 16 1 模型坐标系 局部坐标系 当构造单个对象的数字模型时 为了方便 可以将其置于一个特定的坐标系下 即模型坐标系或局部坐标系 2 世界坐标系 为描述图形场景中所有图形之间的空间关系 将它们置于一个统一的坐标系中 该坐标系被称为世界坐标系 3 设备坐标系 要输出经过处理后的数字化图形 需要在输出设备上建立一个坐标系 称为设备坐标系 4 标准化设备坐标系 有些图形系统 对设备坐标系进行了规范化 将坐标范围限定在区间 x y z 0 x 1 0 y 1 0 z 1 内 称标准化设备坐标系 17 说明 在计算机显示三维世界的过程中 需要在世界坐标系中给定一个视见体 视见体内包含的内容是我们对场景感兴趣的部分 计算机显示三维场景过程中的三个空间 三维景物空间 二维投影平面 二维显示平面 视区 窗口 18 2 几何实体的表示和建模 获得三维物体在图形设备上真实感图形 首先要做的就是建立物体的模型 或者称为物体的计算机描述 它输出几何对象 再简单点 建模的过程 让计算机 认识 该物体的过程 如 比较简单的 可以用一个隐函数来表示一个几何实体 如一个球的表示 19 3 几何处理 我们把确定场景中的所有可见面 计算场景中可见面的颜色 将三维几何描述转换为二维透视图 归结为几何处理 建模输出的几何对象要经过一系列的变换 最终要将其变换到显示屏幕坐标系 并且只有那些处于观察者视域内的图元才能经过光栅化后显示在屏幕上 1 变换 是指对象在不同坐标系之间的转换 这些变换可能改变它们的形状和位置 或者改变它们的表示 如平移 旋转 错切等变换 在第4章 我们将详细讨论变换过程 20 2 裁剪 确定了可见面之后需要裁剪操作 是由于显示系统不可能一次看到整个世界 在投影平面上加一个裁剪窗口 如果对象的投影在裁剪窗口之内 则它会出现在图像上 如果对象的投影在裁剪窗口之外 则它要被裁剪掉 就不会出现在图像里 如果对象的投影与裁剪窗口相交 则只在图像中看到窗口内的那部分 21 3 投影 经过多次变换和裁剪处理后 最后得到的基本图元 是指没有被裁剪掉 会出现在图像里面的对象 必须投影成为二维对象 才能显示在屏幕上 存在多种投影方法可以使用 我们将在第5章详细讨论 概念 投影 三维空间中的对象要在二维的屏幕或图纸上显示出来 就必须通过投影 投影的方法有两种 平行投影和透视投影 22 4 消除隐藏线 面 如果被其它的对象遮挡 则图形不能被显示在屏幕上 隐藏面的消除即去掉那些看不到的面 留下可见面 在第7章 我们将详细讨论如何进行隐藏面的消除 23 5 光照 如果进行真实感图形绘制 需要计算可见面投射到观察者眼中的光亮度大小和色彩组成 并将它转换成适合图形设备的颜色值 从而确定投影画面上每一象素的颜色 最终生成图形 第8章将详细介绍光照明模型 24 4 光栅化当完成了投影变换 接下来处理的对象就是二维对象 二维对象的图元已经用屏幕坐标系表示了 如要显示上述的投影后的图形元素 必须利用一个光栅化或扫描转化过程 把这些图形的几何信息转换为一组象素值 放在帧缓存里 将如何生成简单几何元素 点 线 面等 的光栅图形问题放在第3章中首先讨论 5 显示一旦确定了对应象素值 把帧缓存里的图形输出到显示屏幕或绘制器上过程可自动完成 具体显示原理在第2章中详细讨论 25 建模 显示 几何处理 几何变换 投影 确定可见面 光照明 裁剪 图形显示流程 真实感处理 26 用基本图素 点 线 面 绘制场景 消除隐藏线并着色 构造曲面 平滑曲面 加光照构造真实感图形 建模 第1章概述 28 广义的图形概念凡是能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形 如 1 自然景物 2 照片和图片 3 工程图 设计图和方框图 4 人工美术绘画 雕塑品 5 用数学方法描述的图形 包括几何图形 代数方程 分析表达式或列表所确定的图形 图形的概念 29 计算机图形学中的图形概念是指由点 线 面 体等几何要素和明暗 灰度 亮度 色彩等非几何要素构成的 从现实世界中抽象出来的带有灰度 色彩及形状的图或形 图形的分类由线条组成的图形 类似于照片的明暗图即真实感图形 与图像的区别图像纯指计算机内以位图 Bitmap 形式存在的灰度信息 30 计算机图形学 computergraphics CG 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 计算机图形学的研究内容 计算机图形学 图形 图像 计算几何 模式识别 图像处理 31 计算机图形学的发展史 1 50年代 开始研究图形学 只是为了在绘图仪和阴极射线管 CRT 屏幕上输出图形 2 60年代 计算机图形学得到确立并蓬勃发展的时期 Sutherland 博士论文 Sketchpad 一个人机交互通信的图形系统 coons 超限插值 通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面 coons曲面 B zier B zier曲线 曲面 3 70年代 图形学技术进入实用化的阶段 开始出现实用的CAD图形系统 提出图形软件功能的标准化问题 另外两个重要进展是真实感图形学和实体造型技术的产生 32 计算机图形学的发展史 4 80年代 随着光栅图形显示器的出现 计算机图形系统得到了很大的发展和广泛的应用 光透视模型 Whitted模型和辐射度方法的提出标志着真实感图形的显示算法已逐渐成熟 5 90年代 计算机图形学的功能除了随着图形设备的发展而提高外 其软件技术 系统更加成熟 并朝着标准化 集成化和智能化的方向发展 6 21世纪 科学计算可视化 人机交互 虚拟现实 如 数字人体 数字演员 数字地球 33 1 2计算机图形学的应用 计算机辅助设计与制造 computeraideddesignandmanufactory CAD M 科学计算可视化 visualizationinscientificcomputing VS 计算机动画 ComputerAnimation 计算机模拟和仿真 Computersimulation 虚拟现实 virtualreality VR 34 计算机辅助设计 CAD 已广泛应用于飞机 汽车 船舶的外形设计 超大规模集成电路设计 以及建筑 服装 印染 玩具设计等领域 CAD技术使得工程 雪佛莱敞篷轿车曲面造型 产品设计和施工图纸不必再由人工绘制 可大大缩短设计周期 1 计算机辅助设计与制造 35 2 科学计算可视化 可视化技术广泛应用于流体力学 有限元分析 医学 天气预报 海洋和空间探测等领域 已成为一种从海量的计算数据和测量数据中发掘其蕴含的自然 物理现象和规律的新的通用手段 36 3 计算机动画 计算机动画和艺术是用计算机来生成各种逼真的虚拟场景画面和特效效果 从而为人们提供一个充分展示个人想象力和艺术才能的空间 37 4 计算机模拟