计算机图形学ppt课件第一章计算机图形学基础知识

计算机图形学,戚世贵qisg,教学要求,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。,教材或参考书,教材潘云鹤：计算机图形学-原理、方法及应用主要参考书：孙家广：计算机图形学（第三版），清华大学出版社，1999。倪明田等，“计算机图形学”，北京大学出版社，1999。DonaldHearn,M.PaulineBaker,“ComputerGraphics(CVersion)”,PrenticeHall,1997.JamesD.Foley,AndriesvanDametc.,“IntroductiontoComputerGraphics”,Addison-Wesley,1996,第一章计算机图形学基本知识,1.1研究内容1.2发展历史1.3计算机图形学的应用及研究前沿,1.1计算机图形学研究内容,何谓图形？图形：计算机图形学的研究对象能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描述的图形等等构成图形的要素？几何要素：刻画对象的轮廓、形状等非几何要素：刻画对象的颜色、材质等,计算机中如何表示图形？点阵表示枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成)简称为图像（数字图像）参数表示由图形的形状参数(方程或分析表达式的系数，线段的端点坐标等)+属性参数(颜色、线型等)来表示图形简称为图形：图形主要分为两类：基于线条信息表示明暗图(Shading),什么是计算机图形学？定义：用计算机表示、生成、处理和显示图形对象的一门学科。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图像处理：将客观世界中原来存在的物体的影像处理成新的数字化图像的相关技术。研究如何对一幅连续图像取样、量化以产生数字图像，如何对数字图像做各种变换以方便处理，如何滤去图像中的无用噪声，如何压缩图像数据以便存储和传输，图像边缘提取，特征增强和提取。模式识别：对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。图形学的逆过程，分析和识别输入的图像并从中提取二维或三维的数据模型（特征）。手写体识别、机器视觉。,计算机图形学的研究内容,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，构成了计算机图形学的主要研究内容。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。,1.2图像学的发展历史,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）计算机的附件诞生了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-确定了交互图形学作为一个学科分支（提出基本交互技术、图元分层表示概念及数据结构)。1962年，雷诺汽车公司的工程师PierreBzier提出Bzier曲线、曲面的理论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。,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,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,90年代：微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域日益广泛。标准化、集成化、智能化多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、虚拟现实三维造型技术ACMSIGGRAPH会议小知识全称“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”60年代中期，由Brown大学的教授AndriesvanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa发起1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH年会，并取得了巨大的成功每年只录取大约50篇论文,硬件发展,图形显示器的发展图形显示器是计算机图形学中关键的设备60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）需要刷新。设备昂贵，限制普及60年代后期：存储管式显示器不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修改图形功能，不适合交互式。,70年代初，刷新式光栅扫描显示器出现，大大地推动了交互式图形技术的发展。以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描图形显示设备的发展：,画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器）,存储管式显示器,刷新式光栅扫描显示器,图形输入设备的发展第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第二阶段：键盘第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等第五阶段：用户的思维,1.3图像学的应用,用户接口介于人与计算机之间，人与机器的通信，人机界面（HCI）：软件硬件发展：由指示灯和机械开关组成的操纵界面由终端和键盘组成的字符界面（80年代）由多种输入设备和光栅图形显示设备构成的图形用户界面（GUI），（90年代）PC，工作站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointingdevices)界面，所见即所得VR技术（发展方向）,计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域飞机、汽车、船舶的外形的设计发电厂、化工厂等的布局土木工程、建筑物的设计电子线路、电子器件的设计设计结果直接送至后续工艺进行加工处理，如波音777飞机的设计和加工过程,奥迪效果图和线框图,地形地貌和自然资源图科学计算可视化(ScientificVisualization)海量的数据使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，用图形来表示数据的迫切性与日俱增1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化（VisualizationinScientificComputing）”科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中在医学领域，可视化有着广阔的发展前途是机械手术和远程手术的基础将医用CT扫描的数据转化为三维图象，帮助医生判别病人体内的患处由CT数据产生在人体内漫游的图象可视化的前沿与难点可视化硬件的研究实时的三维体绘制体内组织的识别分割Segmentation,计算机动画和艺术电视广告，节目片头，科教演示（CAI）QuakeIII，“古墓丽影”，“侏罗纪公园”、“皇帝的新衣”、完美风暴MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGE游戏,当前研究热点,当前研究热点真实感图形实时绘制物体网格模型的面片简化：对网格面片表示的模型，在一定误差的精度范围内，删除点、边、面，从而简化所绘制场景的复杂层度，加快图形绘制速度基于图象的绘制(IBR，ImageBasedRendering)：完全摒弃传统的先建模，然后确定光源的绘制的方法。它直接从一系列已知的图象中生成未知视角的图象，适用于野外极其复杂场景的生成和漫游,当前研究热点,野外自然景物的模拟野外场景远远复杂于室内场景，绘制难度更大，方法更趋多样化主要绘制山、水、云、树、草、火等等绘制火的粒子系统（ParticleSystem），基于生理模型的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等,由清华大学自然景物平台生成的野外场景,日本YoshinoriDobashi等人绘制的真实感云,Xfrog3.0生成的挪威云杉,与计算机网络技术的紧密结合,远程医疗与诊断远程导航与维修远程教育,计算机图形硬件简介,图形输入设备图形输出设备,图形输入设备,矢量型图形输入设备光栅型图形输入设备功能：（1）确定点坐标，即定位（2）确定一系列点的坐标，即笔画（3）确定数值（4）进行选择（5）进行图形识别（6）识别字符串,键盘鼠标坐标数字仪光笔触摸屏图形扫描仪,图形输出设备,阴极射线管彩色阴极射线管射线穿透法影孔板法随机扫描显示系统光栅扫描系统,图形输出设备,阴极射线管(CRT-CathodeRayTube)组成：包括电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转系统、荧光屏,工作原理:高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、加速系统和磁偏转系统就会到达荧光屏的特定位置。由于荧光物质在高速电子的轰击下会发生电子跃迁，即电子吸收到能量从低能态变为高能态。由于高能态很不稳定，在很短的时间内荧光物质的电子会从高能态重新回到低能态，这时将发出荧光，屏幕上的那一点就会亮了,要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束刷新频率刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示电子枪电灯丝，阴极和控制栅组成。阴极：由灯丝加热发出电子束，控制栅：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。通过调节负电压高低来控制电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。,聚焦系统保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点。加速电极加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。偏转系统控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角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CRT显示器屏幕越大整个显象管就越长,荧光屏荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光持续发光时间：电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值1/10所需的时间刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率=1秒/荧光物质的持续发光时间（例如）=1000/40=25Hz,像素(Pixel:PictureCell)：构成屏幕（图像）的最小元素分辨率(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（dotsperinch)。在假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等,彩色阴极射线管,产生彩色的常用方法：射线穿透法影孔板法,彩色阴极射线管-射线穿透法,原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，电子束轰击穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色,电子束,荧光涂层,产生颜色,低速电子束,较低速电子束,较高速电子束,高速电子束,应用：主要用于画线显示器优点：成本低缺点：只能产生有限几种颜色,彩色阴极射线管-影孔板法,原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素的位置,外层玻璃,荧光涂层,影孔板,影孔板的类型点状影孔板代表：大多数球面与柱面显像管栅格式影孔板代表：Sony的Trinitron与Mitsubishi的Diamondtron显像管沟槽式影孔板代表：LG的Flatron显像管,球面显示器与柱面显示器普通的显象管采用的都是点状影孔板显象管，显象管的表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球面管”。而柱面显象管采用荫栅式结构，它的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上却是笔直的，呈圆柱状，故称之为“柱面管”常用的点状影孔板显象管有日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）,显示器,随机扫描显示器存储管式显示器光栅扫描式显示器液晶显示器等离子显示器,随机扫描显示器,电子束的定位和偏转具有随机性，某一时刻，显示屏上只有一个光点发光，可以画出线很细的图形，故称为画线式显示器或矢量式显示器。刷新率至少每秒30次，图形才不会闪烁。彩色阴极射线管特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。,存储管式图形显示器,由于随机扫描图形显示器使用一个独立的存储器来存储图形信息，然后不断取出这些信息来刷新屏幕。由于存取速度的限制，使得显示稳定图形时的画线长度受到限制，且造价高。从70年代后期发展了利用管子本身来存储信息的技术，这就是存储管技术。,存储管的内部结构类似CRT，也有电子枪、聚焦系统、偏转系统。但是存储管式显示器的电子束不是直接轰击到荧光屏上，而是先用写入枪将信息“写”到存储栅。同时有一个读电子枪（泛流枪），它发出连续低能电子流把存储栅上的信息重写到屏幕上。在存储栅上的后侧有收集栅，主要作用是使读出的电子流均匀，并以垂直方向接近屏幕。,擦除图形的正常方法是给存储栅一个正脉冲，持续1ms400ms，这时存储栅表面充电到与收集栅同样的电压，读出电子流被带正电荷的存储栅表面吸引，使存储栅放电到等同于读出电子枪的阴极电压，图形就被删除了。缺点：难于局部清除存储的电荷，从而擦除部分图形，这样就阻碍了动态图形的产生，缺乏有选择擦除图形的能力；因为不是连续刷新图形，就不能用光笔；屏幕的发差较弱。,光栅式扫描图形显示器,随机和存储管式图形显示器都是画线设备，可以在屏幕上从一点画到另一点形成直线。而光栅式扫描图形显示器是画点设备，不能直接从一个像素到另一个像素画出一条直线，只能用尽可能靠近这条直线的像素点来近似表示这条直线，只有水平线、垂直线、正方行对角线像素点的位置才是准确的。,基本概念,行频、帧频水平扫描频率为行频。垂直扫描频率为帧频。逐行扫描、隔行扫描隔行扫描方式是先扫偶数行扫描线，再扫奇数行扫描线。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mn个象素。分辨率是指CRT在水平或垂直方向的单位长度上能分辨出的最大光点（象素）数，分为水平分辨率和垂直分辨率。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mn。分辨率越高，相邻象素点之间的距离越小，显示的字符或图像也就越清晰。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。,基本概念,点距相邻象素点之间的距离，与分辨率指标相关。显示速度指显示字符、图形特别是动态图像的速度，与显示器的分辨率及扫描频率有关。可用最大带宽（水平象素数垂直象素数最大帧频）来表示。,基本概念,色彩与亮度等级亮度等级又称灰度，主要指单色显示器的亮度变化。色彩包括可选择显示器颜色的数目以及一帧画面可同时显示的颜色数，与荧光屏的质量有关，并受显示存储器VRAM容量的影响。图像刷新由于CRT内侧的荧光粉在接受电子束的轰击时，只能维持短暂的发光，根据人眼视觉暂留的特性，需要不断进行刷新才能有稳定的视觉效果，因此刷新是指以每秒30帧以上的频率反复扫描不断地显示每一帧图像。图像的刷新频率等于帧扫描的频率（帧频），用每秒刷新的帧数表示。目前刷新频率标准为每秒50120帧。,基本概念,帧缓冲存储器FrameBuffer（显示存储器）俗称显存存储用于刷新的图像信息的存储器。帧缓冲存储器的大小通常用X方向（行）和Y方向（列）可寻址的地址数的乘积来表示，称为帧缓冲存储器的分辨率。作用：存储屏幕上像素的颜色值,帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同，单元与像素一一对应，各单元的数值决定了其对应像素的颜色。显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关（图示帧缓冲器的每个单元只有一位）。,黑白光栅显示器,1,DAC,电子枪,缓冲存储器,CRT光栅,对于黑白单灰度显示器，每个像素需要1bit的存储器。1024*1024像素组成的黑白灰度单灰度显示器，需要最小的存储空间就是220=1048576bit，并在一个位面上。缓冲存储器是数字设备，光栅显示器是模拟设备，所以中间要经过数模转换。显示器上每个像素的位面中相应像素位置的内容决定的，即各个位的二进制值被存入指定的寄存器中，然后寄存器中二进制数被转换成灰度等级，范围为02N-1。,在光栅图形显示器中需要足够的位面和帧缓存结合起来才能反映图形的颜色和灰度等级。如下图是一个具有N位面灰度等级的帧缓存。显示器上每个象素的亮度是由N位面中对应的每个象素位置的内容控制的。该存储器的中的二进制的数被翻译成灰度等级，范围是0到2N-1之间。,显示器的像素地址通常以左下角点为屏幕的原点（0，0），对于nn个像素构成的显示器，其行列编址的范围是从0n-1。为限制缓冲存储器的增加，可用颜色查找表来提高灰度级别。对于N个位面的缓冲存储器，颜色查找表必须有2N项，每项有W位字宽，当WN时，可以有2W灰度等级，但每次只能有2N个不同的灰度等级可用。,彩色光栅显示器,红、绿、蓝三原色有三个位面缓冲存储器和三个电子枪，其中每个位面的缓冲存储器对应一个电子枪，三个颜色组合产生不同颜色：,3个位面的帧缓冲存储器的颜色表,每个颜色的电子枪可以通过增加帧缓存位面来提高颜色种类的灰度等级。如图，每种原色电子枪有8个位位面的帧缓存和8位的数模转换器，每种原色可有256中灰度，三种原色的组合将是(28)3=224,若每个单元有24位（每种基色占8位）即显示系统可同时产生224种颜色（24位真彩色）。分辨率M*N、颜色个数K与显存大小V的关系,显存问题高分辨率和真彩要求有大的显存；曾经是个问题！解决方法：采用查色表(LookupTable）或称彩色表(ColorTable)查色表工作原理,1024*768真彩模式需要3M字节显存,是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，它的长度由帧缓存单元的位数决定，例如：每单元有8位，则查色表的长度为28256目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下，具有大范围内挑选颜色的能力：,颜色信息在帧缓存中两种存放方式：一是颜色值直接存储在帧缓存中。二是把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色表中各项的索引值，颜色范围扩充了。单色系统：查色表固化彩显：可修改、创建查色表。,带宽T与分辨率、帧频F的关系带宽问题高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽-依然是个问题！解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用，主流显示器都采用逐行扫描方式）隔行扫描的：把一帧分两场，即奇数场与偶数场场频：=2*帧频,隔行扫描工作原理,一帧完整的画面分成两场。一场160秒，（场频60HZ），（帧频30HZ）画面更新频率仍为60HZ，降低了闪烁效应，每一场160秒内，帧缓存中数据量比逐行扫描少一半。降低了视频控制器存取帧缓存的速度及传输带宽的要求。,简单的光栅扫描图形显示系统的结构,其中，帧缓存为系统内存任一块区域，视频控制器能够直接存取该区域以刷新屏幕。,较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构,其中，帧缓存可以是专用的存储器，也可以是系统内存中的一块固定区域。,视频控制器,作用：建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应，负责刷新逻辑结构,工作原理刷新周期开始，光栅扫描发生器置X地址寄存器为0，置Y地址寄存器为N-1，首先取出对应像素（0，N-1）的帧缓存单元的数值,放入像素值寄存器，用来控制像素的颜色，然后X的地址寄存器的地址加一，如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素。双缓冲机制（DoubleBuffer),普通显卡=视频控制器+显存,显示处理器,作用：代替CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构,图形加速卡=视频控制器+显存+显示处理器,光栅显示系统的特点,优点：成本低易于绘制填充图形色彩丰富刷新频率一定，与图形的复杂程度无关易于修改图形缺点：需要扫描转换会产生混淆,液体显示器,CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示器的体积必然要加大，在使用时候就会受到空间的限制CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，容易受电磁波干扰长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响,液体显示器,LCD显示器的优点外观小巧精致，厚度只有6.58cm左右。不会产生CRT那样的因为刷新频率低而出现的闪烁现象工作电压低，功耗小，节约能源没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响,液体显示器,由层薄板组成：,垂直电极板,垂直细网格线电解层,液晶层,水平细网格线电解层,水平电极层,反射层,液晶显示器LCD(LiquidCrystalDisplay)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,LCD显示器基本原理,液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它具有液体的流态性质和固体的光学性质。当液晶受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而发生形变，此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩液晶屏幕后面有一个背光，这个光源先穿过第一层偏光板，再来到液晶体上，而当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变，从液晶体射出来的光线，还得必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板,液晶显示有主动式和被动式两种,被动式液晶屏幕有STN（SuperTN超扭曲向列LCD）和DSTN（DoublelayerSuperTN双层超扭曲向列LCD）等最流行的主动式液晶屏幕是TFT（ThinFilmTransistor薄膜晶体管）主动式液晶显示器使用了FET场效晶体管以及共通电极，这样可以让液晶体在下一次的电压改变前一直保持电位状态。这样主动式液晶显示器就不会产生在被动式液晶显示器中常见的鬼影、或是画面延迟的残像等,LCD显示器的基本指标,可视角度视线与屏幕中心法向成一定角度时，人们就不能清晰地看到屏幕图象，而那个能看到清晰图象的最大角度被我们称为可视角度。一般所说的可视角度是指左右两边的最大角度相加。工业上有CR10（ContrastRatio）、CR5两种标准来判断液晶显示器的可视角度,LCD显示器的基本指标,点距与分辨率液晶屏幕的点距就是两个液晶颗粒（光点）之间的距离，一般0.280.32mm就能得到较好的显示效果通常所说的液晶显示器的分辨率是指其真实分辨率，表示水平方向的像素点数与垂直方向的像素点数的乘积,液晶显示器的缺点,寿命短、怕震动、温度敏感分辨率相对较低，色彩不够鲜艳，且价格偏高。,等离子显示器,由许多小氖气灯泡构成的平板阵列，每个灯有开或关状态，等离子不需要刷新。要点亮某个地址灯，只要在对应行施加高电压即可，点亮后用低电压来维持灯的亮度，关闭时将电压降