计算机图形学课件

计算机图形学，教学要求，了解图形系统的框架及相关软硬件技术；了解图形的基本问题，掌握图形的基本概念、方法和算法；对图形相关应用和当前研究热点有初步了解；有一定的实践经验和相关编程能力。本课程的主要内容，介绍光栅图形扫描转换，归约，反走样，阴影消除几何造型曲线曲面造型，实体造型真实感图形Phong模型，光线追迹，辐射度算法引导实验，主要参考书目，孙，计算机图形学(第3版)，清华大学出版社，1999。唐泽生，计算机图形学基础，清华大学出版社，1995，唐纳德赫恩，波林贝克，“计算机图形学”，普伦蒂斯霍尔，1997。詹姆森。福利，安德烈斯凡达麦特。计算机图形学导论，艾迪生-卫斯理，1996，唐荣熙，计算机图形学教程(修订版)，科学出版社，2000年计算机辅助设计与图形学学报，中国图形与图形学学报，成绩评定方法，作业，出勤，实验：20%，笔试：80%，第一章导论，问题，什么是计算机图形学？计算机图形学的研究对象是什么？计算机图形处理系统的结构？1.1计算机图形学及相关概念，什么是计算机图形学？(计算机图形学)计算机图形学是一门研究如何通过计算机显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的学科。IEEE定义：计算机图形历史科学的生产图形图像计算机。3D虚拟图像摄影系统协调摄像机面部性能捕捉和恢复系统。计算机图形学与传统理论：相交、边界模糊、CAGD(计算几何)逼近理论(计算数学)微分几何形态学混沌小波理论的相互渗透，计算机图形学的研究对象图形的一般意义：在人类视觉系统中能形成视觉印象的客观对象都称为图形。计算机图形学中研究的图形是从客观世界的物体中抽象出来的带有颜色和形状信息的图形和形状。图形的点阵是一种通过使用带有颜色信息的点阵来表示图形的方法。它强调图形由哪些点组成，以及它的灰度或颜色。参数法是用计算机记录的图形的形状参数和属性参数来表示图形的一种方法。通常，用参数法描述的图形称为图形，用点数组描述的图形称为图像。计算机图形学是一门与计算机图形学相关的学科，它试图从非图像形式的数据描述中生成(逼真的)图像。数字图像处理旨在对图像进行各种处理，以提高图像的视觉效果。计算机视觉是一门科学和技术，研究使用计算机来模拟生物的显性或宏观视觉功能。1950年，美国麻省理工学院的旋风计算机配备了阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形，无需人机交互。1.2计算机图形学的发展，1.2.1计算机图形学的建立，萌芽期(60年代)1962年。伊凡。麻省理工学院林肯实验室的萨瑟兰发表了一篇名为“画板：人机交流的图形系统”的博士论文，其中“计算机图形学”首次被用来提出图形的概念。“图形之父”的称号获得了“图灵”IEEE计算机杰出成就奖库恩斯奖。在发展时期(70年代)和普及时期(80年代)，具有光栅图形显示的个人计算机和工作站的增强时期(90年代)的总体特征出现了：技术发展、需求驱动、计算机图形的1.3应用、计算机辅助设计/计算机辅助制造、海量数据图形表示的可视化和可视化计算。1986年，美国科学基金会举办了一次特别研讨会。会上提出“科学计算可视化”广泛应用于医学、流体力学、有限元分析和气象分析领域：机械手术和远程手术、医学CT扫描数据的三维重建、基于CT数据的人体漫游、计算机动画二维动画图像变形形状混合三维动画关键帧动画变形物体动画过程动画关节动画和基于人体动画视频的动画虚拟现实、4个图形设备、 图形显示设备图形输出包括图形显示和图形渲染，图形显示是指图形在屏幕上的输出图形渲染通常是指在纸上绘制图形，也称为硬拷贝。 打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备。彩色阴极射线管显示器阴极射线管形成电子枪聚焦系统加速系统磁偏转系统，阴极射线管显示器的简单结构图，电子枪发射的高速电子束的工作原理将通过聚焦系统、加速系统和磁偏转系统到达屏幕上的特定位置。因为荧光物质将在高速电子的轰击下经历电子跃迁，也就是说，被电子吸收的能量将从低能态变为高能态。由于高能状态非常不稳定，荧光物质的电子将在很短的时间内从高能状态返回到低能状态，并且荧光将在此时发射。屏幕上的点会很亮。为了保持稳定的图像，电子束必须连续发射。电平控制器用来控制电子束的强度。当施加正电压时，电子束将大量通过，并在屏幕上形成更亮的点。当负电压被施加到控制电平时，根据所施加电压的大小，电子束被部分或完全阻挡，通过很少的电子，并且屏幕上的点相对较暗。聚焦系统是一个电子透镜，它能在一点上聚集许多电子，加速阳极，使电子达到轰击和激发荧光屏所需的速度。最后，磁偏转系统将到达指定位置，当电子束到达屏幕边缘时，偏转角度将增加。到达屏幕最外边缘的偏转角称为最大偏转角。阴极射线管显示屏越大，整个显像管就越长。刷新一次是指从上到下扫描电子束的过程。当刷新频率达到一定值后，图像可以稳定显示隔行扫描和逐行扫描。电子束扫描过程示意图。彩色阴极射线管显示器的彩色显示原理是彩色阴极射线管显示器的荧光屏上涂有三种荧光物质，分别是红色、绿色和蓝色。电子枪也发射三束电子束来激发这三种物质，中间用一个控制栅来确定这三个电子到达的位置。三个电子通过荫罩的选择分别到达三个荧光点的位置。屏幕上点的颜色可以通过控制三束电子束的强度来控制。荫罩式彩色阴极射线管的显色原理。液晶显示器固有的物理结构限制了其向更广阔显示领域的发展。屏幕的扩大将不可避免地导致显示管的延长，并且显示器的体积将不可避免地增加。使用时，阴极射线管显示器将受到空间的限制。电子枪发射电子束以产生图像。长期的电磁辐射容易受到电磁波的干扰，会对人们的健康产生不良影响。液晶显示器的优点是体积小，外观精美，厚度只有1-5厘米左右。不会发生由低刷新频率(如阴极射线管)引起的闪烁现象。工作电压低，功耗小，节能，无电磁辐射，对人体健康无影响。索尼的两种液晶显示器形状，液晶显示器的基本原理，液晶是介于液体和固体之间的一种特殊物质，它具有液体的流体性质和固体的光学性质。当液晶受到电压影响时，它会改变其物理性质并变形。此时，通过它的光的折射角度将改变，导致彩色液晶屏幕后面的背光。该光源穿过第一层偏振片，然后到达液晶上。当光穿过液晶时，它会改变光的颜色。从液晶发出的光也必须通过滤色器和第二偏振片。有两种类型的无源液晶显示器：有源和无源。最流行的有源液晶屏幕是使用场效应晶体管和公共电极的薄膜晶体管(薄膜晶体管)有源液晶显示器，使得液晶可以保持电势状态直到下一个电压变化。这样，有源液晶显示器将不会产生在无源液晶显示器中常见的重影或延迟残像。当液晶显示器的基本指示器的视角与屏幕中心的法线方向成一定角度时，人们不能清楚地看到屏幕图像，能够看到清晰图像的最大角度称为视角。一般来说，视角是指左右两边最大角度的总和。工业上有两种标准CR10(对比度)和CR5来判断液晶显示器的视角。点和分辨率液晶屏幕之间的距离是两个液晶粒子(光点)之间的距离。通常，当距离为0.28-0.32毫米时，可以获得良好的显示效果。通常，液晶显示器的分辨率是指其真实分辨率，其代表水平方向上的像素数和垂直方向上的像素数的乘积。最后，第一章概述，1、计算机图形学的概念什么是计算机图形学，图形类型，相关学科2、计算机图形学的发展，应用3、图形显示设备CRT，LCD，第二章光栅图形，光栅图形研究内容：直线段扫描转换算法圆弧扫描转换算法多边形扫描转换和区域填充字符裁剪反走样消隐，图形生成：是在指定的输出设备上，根据二维几何的坐标描述结构。图形的扫描转换：确定最接近数字设备(如光栅显示器)上图形的像素集的过程。光栅图形显示可视为像素矩阵，以确定最接近图形的像素集，写入具有特定属性的像素的过程称为图形的扫描转换/2D图形的光栅化。对应于一个区域的像素集合必须被确定并以指定的属性或模式显示，称为区域填充，以确定需要显示图形的哪个部分。不需要显示哪个部分的过程称为裁剪。像素近似误差引起的图形失真称为混叠。用于减少或消除锯齿的技术称为抗锯齿。去除图形的隐藏部分称为消隐。2.1直线的扫描转换。直线的绘制要求是：1。直线应该是直的。2.直线的端点应该准确。也就是说，没有定向和断裂。3.直线的亮度和颜色应该一致。4.这步长=1(像素)，计算相应的Y坐标；像素点(x，圆(y)作为当前点的坐标。作为最低的光栅图形算法，它将被广泛应用于普通的CAD/图形系统中。因此，即使省去加法或减法也是一大进步。这个起点引出了增量算法的思想。在计算的时候。也就是说，当x增加1时，y增加k(即直线的斜率)；示例：绘制直线段xint(y 0.5)y 0.5000100 . 40 . 5210 . 80 . 5311 . 20 . 5421 . 60 . 5522 . 00 . 5注意：网格点表示像素，voidda line(int x0，inty0，intx1，inty1，int color)intx；floatdx，dy，y，k；dx，=x1-x0，dy=y1-y0；k=dy/dx，y=y0对于(x=x0xx1,x )drawpixel(x,int(y 0.5)，颜色)；y=y k。问：当k1？(请参阅下一页了解答案)。请注意，上述分析算法仅适用于k 1的情况。在这种情况下，x每增加1，y最多增加1。当使用k1时，kDDA算法必须使用两点公式来交换x和y位置。可以使用其他线性表达式吗？2.1.2中点画线算法，线性方程，线性方程将平面分成三个区域：对于直线上的点，f (x，y)=0；对于直线以上的点，f (x，y)0；对于线以下的点，F(x，y)0。基本原理：假设0k1，x是最大位移的方向，判别式：有：但这样，每个像素的计算量是3加1乘。如果也使用增量算法呢？误差项的递推d0:误差项的递推d0:初始值d的计算，0k1时中点画线算法的算法步骤为：1。输入直线的两个端点P0(x0，y0)和P1(x1，y1)。2.计算初始值x，y，d=0.5-k，x=x0，y=y03.绘制点(x，y)。判断d的符号；如果是d0，则(x，y)更新为(x 1，y 1)，d更新为D1-k；否则，(x，y)更新为(x 1，y)，d更新为d-k. 4。当直线没有完成时，重复步骤3。否则，一切都结束了。思考1:我们能做进一步的改进吗？思维2:整数运算能实现吗？改进：将d1替换为2d x。输入直线的两个端点P0(x0，y0)和P1(x1，y1)。2.计算初始值x，y，d=x-2y，x=x0，y=y0。3.绘制点(x，y)。判断d的符号，如果是0.5，则(x，y)更新为(x 1，y 1)，d更新为d-1；否则(x，y)更新为(x 1，y)。5.当没有画直线时，重复步骤3和4。否则，一切都结束了。可以改进吗？改进1:使e=d-0.5，开始时e=0.5，每一步e=e k。如果(E0)nee=e-1，算法步骤为：1。输入直线的两个端点P0(x0，y0)和P1(x1，y1)。2.计算初始值x，y，e=-0.5，x=x0，y=y0。3.绘制点(x，y)。如果是e0，则(x，y)更新为(x 1，y 1)，而e更新为e-1；否则(x，y)更新为(x 1，y)。5.当没有画直线时，重复步骤3和4。否则，一切都结束了。Bresenham画线算法voidbresenhamline(int x0，y0，intx1，y1，intcolor) intx，y，dx，dy；floatk，e；dx=x1-x0，dy=y1-y0，k=dy/dx；e=-0.5，x=x0，y=y0对于(I=0；i=0)y，e=e-1；可以改进吗？改进2:用2ex替换ee initial=-x，e=e 2y。如果(E0)nee=e-2x，算法步骤：1。输入直线的两个端点P0(x0，y0)和P1(x1，y1)。2.计算初始值x，y，e=-x，x=x0，y=y0。3.绘制点(x，y)。4.e被更新为e 2y以判断e的符号。如果e0，则(x，y)被更新为(x 1，y 1)并且e被更新为e-2x；否则(x，y)更新为(x 1，y)。5.当没有画直线时，重复步骤3和4。否则，一切都结束了。Bresenham画线算法的改进Vortbresenhamline(int x0，y0，intx1，y1，intcolor) intx，y，dx，dy，e；floatk，e；dx=x1-x0，dy=y1-y0，e=-dx；k=dy/dx。e=-0.5