多媒体技术基础与应用 鄂大伟 21954-00chap6

第6章计算机图形学与图形处理技术,6.1计算机图形学概论6.2计算机图形学的发展与应用6.3二维矢量绘图与编辑6.4三维真实感图形技术6.5实时真实感图形学技术6.6矢量图格式与绘图软件,6.1计算机图形学概论,6.1.1计算机图形学研究的主要内容,图6-2利用真实感图形技术生成的的实体模型,6.1.2计算机图形处理的基本内容图形处理包括的主要内容有:几何变换，如平移、旋转、缩放、透视和投影等曲线和曲面拟合建模或造型隐线隐面消除阴暗处理纹理产生着色,6.1.3计算机图形系统的组成与功能作为一个图形系统，至少应具有计算、存储、输入、输出、人机交互等五个方面的基本功能。计算功能存储功能输入功能输出功能人机交互功能,6.2计算机图形学的发展与应用,6.2.1计算机图形学的发展,DAC-1,世界上首个用于汽车发动机设计的CAD系统，1959年由IBM开发,世界上第一台光笔交互式图形显示器IBM2250,图6-4早期的计算机图形应用系统,6.2.2计算机图形学的应用领域1.计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）,图6-5用CAD设计的波音（BOEING）777,2.图形化的用户接口3.地形地貌和自然资源图4.科学计算可视化5.计算机动画和艺术,三维动画电影精灵鼠小弟,计算机创作的静物风格作品,图6-7计算机动画与艺术创作,6.3二维矢量绘图与编辑,6.3.1矢量图形对象与绘图工具1.矢量图形对象2.绘图工具,图6-8矢量绘图软件提供的工具箱,交互式工具是矢量绘图软件中的一个非常重要的功能，通过一系列的交互工具的使用，可以创建出令人惊叹的效果。使用“调和工具”，可以将两个对象通过调和平滑的组合在一起，在矢量图形对象之间产生形状、颜色的连续变化（图6-9a）。交互式变形工具可以同时对多个矢量对象进行变形（图6-9b）。,(a)交互式调和工具效果,(b)交互式变形工具效果（注意变形前后两个图形的不同）,图6-9交互式工具的使用,智能绘图工具自动对涂鸦的线条进行识别、判断并组织成最接近的几何形状，如图6-10所示。,图6-10智能绘图工具能将手绘草图转换成最接近的几何形状,6.3.2路径与锚点开放路径：路径有两个明显的端点（锚点），中间有任意数目的定位点。闭合路径：路径是连续的，没有终点和起始点。闭合路径对象是可以填充的，而开放路径对象则不能填充。复合路径：由两个或多个开放或闭合路径组成。,图6-11路径及其绘图实例,6.3.3曲线编辑,图6-12由两个Bazzier曲线段连接而成的曲线，拖动方向线可改变曲线的弯曲形状,6.3.4填充与渐变,图6-13渐变与图案填充效果,图6-14渐变网格应用示意图及作品,6.3.5矢量字体,图6-15用矢量绘图软件设计的美术字体,6.3.6三维造型,图6-16用AdobeIllustratorCS矢量绘图软件设计的三维图形,6.4三维真实感图形技术,6.4.1真实感图形技术研究的内容6.4.2计算机三维图形建模与表示1.三维物体的投影与透射,图6-17直线段P1P2在投影平面平行投影,2.多边形网格模型,图6-19一个物体的多边形网格表示,图6-20三维模型的面是由多边形或曲面组成的,3.三维物体的数值表示图6-21为一立方体模型。立方体的顶点表坐标构成该物体的三维模型信息。,图6-21立方体模型的顶点表示,4.如何获取多边形网格,(a)三维数字化仪,(b)实物,(c)物体表面的网格表示,图6-22利用三维数字化仪为创建三维模型,6.4.3三维几何造型方法,图6-23三维实体模型的表示,图6-24复杂曲面的三维建模应用：表面模型（左图）与实体模型（右图）,6.4.4三维物体消隐,(a)线框图(b)从右上往下看（C）从左下住上看,图6-25线框模型具有二义性,线框图线消隐面消隐,图6-26线消隐与面消隐,消隐算法大致可以分为：物体空间法、图像空间法和排列优先法。图6-27是经消隐算法处理后得到线消隐与面消隐三维图形。,（a）经线消隐处理的三维线框图(b)经面消隐处理的三维表面图,图6-27经消隐处理后的三维图形,6.4.5光照模型1.局部光照模型与整体光照模型,(a)采用局部光照模型绘制的三维球体,(b)采用整体光照模型绘制的三维球体,图6-28局部光照模型和整体光照模型示例,表现场景整体照明效果的一个重要方面是透明现象的模拟。图6-29模拟了场景中透明物体的整体照明效果。,图6-29用整体照明模型模拟的物体透明效果,2.光线跟踪光透射光线跟踪（Ray-trace）是一种真实感地显示物体的方法，最基本的光线跟踪算法是跟踪镜面反射和折射。从光源发出的光遇到物体的表面，发生反射和折射，光就改变方向，沿着反射方向和折射方向继续前进，直到遇到新的物体，这是光线跟踪算法的基础。,图630显示了一个光线跟踪的例子,图6-30光线跟踪示例,对于透明或半透明的物体，在光线与物体表面相交时，一般会产生反射与折射，经折射后的光线将穿过物体而在物体的另一个面射出，形成透射光。由于透明物体可以透射光，因而我们可以透过这种材料看到后面的物体，由于光的折射通常会改变光的方向，要在真实感图形学中模拟折射，需要较大的计算量。图6-31是计算机生成的透明物体的光线跟踪与光透射场景。,图6-31用光线跟踪与光透射模型生成的三维透明物体场景,6.4.6物体表面的纹理在计算机图形学中，物体表面的细节称为纹理（Texture）。纹理可以通过纹理映射（TextureMapping）的方式生成。通常用一种特殊的算法来模拟它，将几何纹理逼真地显示出来，以满足视觉感官的需要。图6-32中显示了颜色纹理映射和几何纹理映射的真实感图形作品。,图6-32采用纹理映射生成的物体表面,6.4.7阴影的生成,图6-33光照模型中的阴影表示,6.5实时真实感图形学技术,6.5.1实时真实感图形学概述6.5.2层次细节显示简化技术,图6-34人脸的层次细节简化模型,图6-35兔子的层次细节简化模型,6.5.3基于图像的绘制技术,图6-36视图插值技术利用了相邻两图像之间的连贯性生成中间帧,6.6矢量图格式与绘图软件,6.6.1矢量图,（a）位图放大后出现方块化(b)矢量图放大后图形边缘仍平滑清晰,图6-37位图(图a)与矢量图(图b)放大后效果比较,矢量图在计算机中的存储格式大都不固定，要视各个软件的特点由开发者自定。相对于位图来讲，矢量图占用的存储空间较小。但在屏幕每次显示时，它都需要经过重新计算，故显示速度没有图像快。图6-38是常用的矢量图格式文件。,图6-3