计算机图形学与虚拟现实31

2022/10/181计算机图形学是计算机技术、电视显示技术和图形信息处理技术相结合的一门学科。它研究有关对象的图形的计算机表示、生成、处理、视觉真实性实现的基本原理和基本技术。它是计算机领域中发展最迅速的学科之一，已广泛用于科学研究、工业和建筑设计、医学研究、文化教育、地理地质，益智娱乐、商业广告和军事等领域2020-02-112图形信息息与文字字信息相相比具有有直观、、形象、、含义丰丰富等优优点，有有着广泛泛的应用用前景。。但是图图形的生生成、表表示、处处理、存存储和管管理却比比文字信信息复杂杂得多。2020-02-1132020-02-114计算机图图形学（（ComputerGraphics）是研究怎样样用计算算机生成成、处理理和显示示图形的的一门新新兴学科科.国际标准准化组织织（ISO）定义为为：计算机图图形学是是研究通通过计算算机将数数据转换换为图形形，并在在专门显显示设备备上显示示的原理理、方法法和技术术的学科科。2020-02-115计算机图图形学的的研究内内容图形：计计算机图图形学的的研究对对象能在人的的视觉系系统中产产生视觉觉印象的的客观对对象包括自然然景物、、拍摄到到的图片片、用数数学方法法描述的的图形等等等构成图形形的要素素几何要素素：刻画画对象的的轮廓、、形状等等非几何要要素：刻刻画对象象的颜色色、材质质等结束2020-02-116计算机中中表示图图形的方方法点阵表示示枚举出图图形中所所有的点点(强调图形形由点构构成)简称为图图像（数数字图像像）参数表示示由图形的的形状参数数(方程或分分析表达达式的系系数，线线段的端端点坐标标等)+属性性参数((颜色、线线型等))来表示示图形简称为图图形2020-02-117计算机图图形学的的研究内内容图形的输输入如何开发发利用图形输入入设备及及软件将将图形输输入到计计算机中中去，以便便作各种种处理。。图形的处处理包括对图图形进行行变换((几何变变换，投投影变换换)和运运算（集集合运算算）,着着色，形形变等……图形的输输出如何将图图形特定定的表示示形式转转换成图图形输出出系统便便于接受受的表示示形式，，并将图图形在显显示屏或或打印机机等输出出设备上上输出。。2020-02-118计算机图图形学的的研究内内容.与相关关学科的的关系数字图像像数据模型型图像生成成（计算算机图形形学）模型（特特征）提提取（计算机机视觉，，模式识识别）模型变换换（计算几几何）图像变换换（图像处处理）.发展特特点:交交叉叉、界线线模糊、、相互渗渗透DIGITALIMAGING：：2020-02-119用计算机机生成、、处理和和显示图图形的学学科；由由几何数数据和几几何模型型，利用用计算机机进行显显示并存存储，并并可以进进行修改改、完善善以及有有关操作作的过程程.计算机图图形学2020-02-1110计算几何何研究几何何模型和和数据处处理的学学科，讨讨论几何何形体的的计算机机表示、、分析和和综合，，研究如如何方便便灵活、、有效地地建立几几何形体体的数学学模型以以及在计计算机中中更好地地存贮和和管理这这些模型型数据；；2020-02-11112020-02-1111数字图象象处理是是将图像像信号转转换为数数字格式式并利用用计算机机进行处处理的过过程:图像获取取、图像像变换、、图像增增强、图图像复原原、图像像编码、、图像分分析、图图像识别别、图像像理解。。与计算机机图形学学的概念念容易混混淆的是是图像处处理。计计算机图图形学的的基本含含义是使使用计算算机通过过算法和和程序在在显示设设备上构构造出图图形来。。与此相相反，图图像处理理是将客客观世界界中原来来存在的的物体的的影像处处理成新新的数字字化图像像的相关关技术，，并研究究如何从从图像中中提取二二维或三三维物体体的模型型。它所所研究的的是计算算机图形形学的逆逆过程。。2020-02-1112计算机视视觉和模模式识别别:对所输入入的图象象进行分分析和识识别，找找出其中中蕴涵的的内在联联系或抽抽象模型型；如邮邮政分检检设备、、地形地地貌识别别等；图形学的的逆过程程，分析析和识别别输入的的图像,,并从中中提取二二维或三三维的数数据模型型（特征征）。手手写体识识别、机机器视觉觉2020-02-1113计算机图图形学的的研究内内容涉及及到用计计算机对对图形数数据进行行处理的的硬件和和软件两两方面的的技术，，主要是是围绕着着生成、、表示物物体的图图形图像像的准确确性、真真实性和和实时性性的基础础算法，，大致可可分为以以下几类类：2020-02-1114（1）基于图图形设备备的基本本图形元元素的生生成算法法，如用用光栅图图形显示示器生成成直线、、圆弧、、二次曲曲线、封封闭边界界内的图图案填充充等。（4）三维几几何造型型技术，，对基本本体素的的定义、、输入及及它们之之间的布布尔运算算方法。。（5）三维形形体的实实时显示示，包括括投影变变换、坐坐标变换换等。（2）图形元元素的几几何变换换，即对对图形的的平移、、放大和和缩小、、旋转、、镜像等等操作。。（3）样条曲曲线和样样条曲面面的插值值、拟合合、拼接接、光顺顺、整体体和局部部修改等等。2020-02-1115（8）科学计计算可视视化和三三维数据据场的可可视化，，将科学学计算中中大量难难以理解解的数据据通过计计算机图图形显示示出来，，从而加加深人们们对科学学过程的的理解。。例如有有限元分分析的结结果等；；应力场场、磁场场的分布布等；各各种复杂杂的运动动学和动动力学问问题的图图形仿真真等。（7）山、水水、花、、草、烟烟、云等等自然景景物的模模拟生成成算法等等。（6）真实感感图形的的生成算算法，包包括三维维图形的的消隐、、光照、、色彩、、阴影、、纹理及及彩色浓浓淡图的的生成算算法。2020-02-1116图形软件件发展及及软件标标准形成成

三种类型型的计算算机图形形软件系系统：(1)用用某种语语言写成成的子程程序包GKS((GraphicsKernelSystem))PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem))便于移植植和推广广、但执执行速度度相对较较慢，效效率低(2）扩扩充计算算机语言言，使其其具有图图形生成成和处理理的功能能如：TurboPascal、、TurboC，AutoLisp,VC等。简练、紧紧凑、执执行速度度快，但但不可移移植（3）专专用图形形系统：：效率高高，但系系统开发发量大，，可移植植性差。。(4)MATLAB,,MathWorks公司,一一种交互互式面向向对象的的程序设计语语言,工工程计算算领域中中重要应应用软件件.2020-02-1117通用的、、与设备备无关的的图形包包，图形形标准CGS((CoreGraphicsSystem,核心图形形系统,,1977年年ACM提出)GKS((GraphicsKernelSystem,,)((第一个官官方标准准，ISO,,1977)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem,程序员层次交互互式图形形系统))一些非官官方图形形软件，，广泛应应用于工工业界，，成为事事实上的的标准DirectX(MS)Xlib(X--Window系统)OpenGL((SGI)Adobe公司Postscript开放式、、高效率率的发展展趋势2020-02-1118图形标准准的层次次关系2020-02-1119VirtualReality（（虚拟现实实、灵境境）VirtualReality或称虚拟拟环境（（VirtualEnvironment)是用计算算机技术术来生成成一个逼真的三三维视觉觉、听觉觉、触觉觉或嗅觉等等感觉世世界，让让用户可可以从自己己的视点点出发，，利用自自然的技能能和某些些设备对对这一生生成的虚拟拟世界客客体进行行浏览和和交互考察察。输入输出出设备2020-02-1120规则形体体：欧氏氏几何方方法造型技术术2020-02-11212020-02-1121不规则形形体：分形几何何方法粒子系统统纹理映射射实体造型型基于物理理的造型型基于图像像的造型型2020-02-1122真实感图图形绘制制技术光照明模模型绘制算法法快速算法法基于图像像的绘制制2020-02-1123图形绘制制管线(Pipeline))图形绘制制管线的的主要功功能是在在给定虚虚拟相机机,三维物体体,光源,照明模式式,以及纹理理等条件件,如何生成成或绘制制一幅二二维图象象。它是是实时绘绘制的核核心。应用程序序几何光栅绘制管线线的基本本结构应用程序序将需要要绘制的的几何体体（如点点、线、、矩形等等）输入入到几何何阶段光栅阶段段把几何何阶段的的对象表表示成帧帧缓存的的象素.2020-02-1124模型与视视点变换换光照投影裁剪屏幕映射几何阶段段的基本本结构2020-02-1125计算机图图形学的的相关开开发技术术OpenGL（OpenGraphicsLib）三维图形形处理库库、工业业标准，，三维设设计软件件ACISSpatialTechnology公司，三三维几何何引擎，，三维造造型和显显示DirectX微软，图图形应用用程序接接口（API），三维维游戏Java3DSUN公司定义义的3D显示接口口，网上上三维显显示VRML标记语言言，网上上虚拟现现实2020-02-1126OPenGL科学可视视化、计计算机动动画和虚虚拟现实实是近年年来计算算机图形形学领域域的三大大热门话话题，而而这三大大热门话话题的技技术核心心都是三三维真实实感图形形显示。。当前三三维图形形显示在在军事、、航空、、航天、、地质、、游戏、、艺术造造型等领领域都有有着广泛泛的应用用。OpenGL是目前比比较完善善的三维维图形标标准，它它是由SGI公司推出出，现在在被Microsoft、、DEC、HP、SUN等在计算算机领域域中占主主导地位位的大大公司司所采用用，作为为三维图图形的标标准。随着PC性能的不不断提高高，3D图形图像像开发已已经不再再是图形形I作站的专专利，尤尤其是微微软在主主流操作作系统Wndows中全面支支持OpenGL以来，使使在PC机上使用用OpenGL开发高性性能的图图形图像像产品成成为一件件比较简简单的事事情，这这大大地地促进了了OpenGL的发展。。

2020-02-1127OpenGL（OpenGraphicLibrary）开放式式图形库库，是一一个3D图形和模模型库。。它由SiliconGraphics公司开发发，前身身是由SGI公司为其其图形工工作站开开发的IRISGL。OpenGL是业界最最为流行行也是支支持最广广泛的一一个底层层3D技术，几几乎所有有的显卡卡厂商都都在底层层实现了了对OpenGL的支持和和优化。。OpenGL同时也定定义了一一系列接接口用于于编程实实现三维维应用程程序，有有运行效效率高、、稳定性性强、跨跨平台等等特点，，可运行行在几乎乎所有平平台，包包括Unix、Windows、Linux、OS/2，也可被被大多数数编程语语言调用用，如C、C++Builder、VB、VC、Delphi等。OpenGL并不是编编程语言言，它更更像一个个C运行时函函数库，，提供了了一些预预包装的的功能，，是供那那些专门门设计用用来（并并进行了了优化））显示和和操作3D图形的计计算机硬硬件所使使用的。。OpenGL具有多种种用途，，从CAD工程到建建筑应用用程序、、到电影影中都能能用来实实现计算算机生成成的建模模程序。。OpenGL被设计成成独立于于硬件，，独立于于窗口系系统的，，在运行行各种操操作系统统的各种种计算机机上都可可用，并并能在网网络环境境下以客客户/服务器模模式工作作，是专专业图形形处理、、科学计计算等高高端应用用领域的的标准图图形库。。2020-02-1128OPenGL函数的分分类OPenGL是一个与与图形硬硬件无关关的应用用程序开开发接口口(API))，它包含了了近200个函函数,使使用这些些函数可可以开发发出与现现实世界界相类似似的三维维景象。。它的函函数可分分为4类类：核心心函数、、实用函函数、辅辅助函数数和专用用函数。。2020-02-1129核心函数数在OpenGL中有115个核核心函数数，这些些函数是是最基本本的，都都以gl开头，它它们可以以在任何何OpenGL平台中使使用。用用于绘制制各种图图形、进进行场景景变换、、产生光光照效果果、进行行纹理映映射等工工作。实用函数数核心函数数比核心心函数高高一层次次，它们们将核心心函数进进行组织织和封装装，提供供比较简简单的函函数接口口和用法法，共有有43个个，以glu为前缀，，可在任任何OpenGL平台中使使用。辅助函数数是一些特特例函数数，共有有31个个，以aux为前缀，，不能在在任何OpenGL平台中使使用，一一般用于于在Windows应用程序序中进行行窗口管管理和输输入输出出处理以以及绘制