计算机图形学OpenGL(第三版)第一章PPT

计算机图形学（OpenGL版）课程简介学时教学要求考查形式教材主讲：陆济湘前一页休息2课程简介第六章使用多边形网格建模（8学时）第七章曲线和曲面设计（8学时）第八章三维观察（4学时）第一章概述（4学时）第二章OpenGL绘图入门（6学时）第三章更多的绘图工具（4学时）第四章图形学中的向量工具（6学时）第五章物体变换（6学时）前一页休息3本章内容什么是计算机图形学计算机图形学的应用计算机生成图像的方法常用的图形显示设备交互设备前一页休息41.1什么是计算机图形学计算机图形是计算机产生的图像IEEE(美国电气与电子工程（IEEE）)定义：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.前一页休息51.2计算机图形学的应用计算机游戏，虚拟现实技术VR，虚拟增强技术AR•图和表–主要用来形成报告、插图–应用于财政、统计、数学、科学和经济数据•计算机辅助设计（CAD-ComputerAidDesign）--机械、建筑、电子线路等图形设计--建筑、机械等二维制图和三维实体造型•计算机辅助设计（CAD-ComputerAidDesign）--标准二/三维制图•多窗口建模环境AutoCAD3DMAX零件装配图采用渲染完成最终的产品模型表面图和剖面图三维装配图•建筑平面设计图建筑设计立体图渲染图•计算机艺术–主要用于美术和商业艺术中–用计算机软件从事艺术创作1二维平面的画笔程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）、视频编辑软件（Premier）2图表绘制软件（如Visio）3三维建模和渲染软件包（如3DMAX，Maya）、以及一些专门生成动画的软件（如Alias，Softimage）•计算机艺术例子•娱乐与计算机动画–主要用于制作动画、音乐录像片、电视片–计算机动画近十多年来取得了很大的发展，已渗透到人们生活的各个角落•商业广告、影视特技/片头、动画片、教育、军事、飞行模拟等–分类二维动画–图象变形–形状混合三维动画–关键帧动画–变形物体的动画–过程动画–关节动画与人体动画•动画中经常利用关键帧技术。关键帧技术是加拿大NRC研究机构的Burthyk和Wein在1971年提出的•所谓“帧”在动画中是指显示的一幅画面。“关键帧”技术的处理过程是：先选取关键帧并确定关键点和关键点的变化路径，然后计算机自动插值，沿此变化路径求出中间画面上关键点的位置，再利用关键点的新位置生成中间画面。•教学与培训•科学计算可视化(ScientificVisualization)–“科学家们不仅需要分析由计算机得出的计算数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化”–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地质、医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中•CT照片对多个连续的CT照片，组成立体图像，从中提取几何数据器官轮廓显示动物骨骼表面X射线扫描•数据集可视化•流体可视前一页休息191.3计算机图形学中制作图像的基本元素内容包括：图元OpenGL绘制简介图元属性计算机绘制的图像是由图元组成，包括：点，线，折线，文本，填充区域，光栅图像。1.3.1折线折线是由一系列的直线段相互连接而成。一条直线段由两个端点定义：(x1,y1)和(x2,y2).画一条直线段程序类似于drawLine(x1,y1,x2,y2);drawDot(x1,y1);画一个点的程序类似于drawDot(x1,y1);折线可用顶点列表定义，(x0,y0),(x1,y1),(x2,2),....,(xn,yn)，画折线程序类似于：drawPolyline(poly)，其中poly为顶点列表。1.3.2文本一些图形设备有两种显示模式，文本模式和图形模式。--文本模式用于字符的简单输入/输出，用来控制操作系统或者编写代码。这种方式显示的文本采用嵌入式的字符发生器。--图形模式提供了更丰富的字符形状，字符能够被随意放置。文本属性：字体，字符和字符串的倾斜度。（下右图点阵模式）1.3.1折线折线是由一系列的直线段相互连接而成。一条直线段由两个端点定义：(x1,y1)和(x2,y2).画一条直线段程序类似于drawLine(x1,y1,x2,y2);drawDot(x1,y1);画一个点的程序类似于drawDot(x1,y1);折线可用顶点列表定义，(x0,y0),(x1,y1),(x2,2),....,(xn,yn)，画折线程序如：drawPolyline(poly)，其中poly为顶点列表。1.3.2文本一些图形设备有两种显示模式，文本模式和图形模式。--文本模式用于字符的简单输入/输出，用来控制操作系统或者编写代码。这种方式显示的文本采用嵌入式的字符发生器。--图形模式提供了更丰富的字符形状，字符能够被随意放置。文本属性：字体，字符和字符串的倾斜度。（下右图点阵模式）1.3.3填充区域填充图元是指填充时的颜色或图案。填充区域的边界经常是一个多边形。填充多边形的语句类似于：fillPolygon(poly,pattern);其中poly保存多边形的数据，变量pattern是填充图案的描述。1.3.4光栅图像光栅图像是由许多非常小的不同灰度的单元组成，每个单元被称为像素，光栅图像以数值数值的形式存储在计算机中。这个数组可以看成是矩形的，由某些行和列组成，每个数值代表存储的像素值。这个数组整体被称为像素图，或称为位图。下图为左上方6*8部分像素图的值。1.3.5光栅图像的灰度和色彩表示灰度光栅图像如果一个光栅图像只有两种像素（如0和1），就称为二值图。1代表黑色，0表白色，也可以反过来。一个二值图被称为每像素1位的图像。当灰度的像素具有两个以上的数值时，每个像素就需要大于一位的存储量。灰度图常常按照它们的像素深度来划分，它需要的数目代表它们的灰度等级。n位的容量可以表示2n个值，所以像素深度为n的图像可以有2n个灰度级。最常见的n值有：每像素2位产生4个灰度级，每像素4位产生16个灰度级，每像素8位产生256个灰度级1.3.1折线折线是由一系列的直线段相互连接而成。一条直线段由两个端点定义：(x1,y1)和(x2,y2).画一条直线段程序类似于drawLine(x1,y1,x2,y2);drawDot(x1,y1);画一个点的程序类似于drawDot(x1,y1);折线可用顶点列表定义，(x0,y0),(x1,y1),(x2,2),....,(xn,yn)，画折线程序如：drawPolyline(poly)，其中poly为顶点列表。1.3.5光栅图像的灰度和色彩表示灰度光栅图像如果一个光栅图像只有两种像素（如0和1），就称为二值图。1代表黑色，0表白色，也可以反过来。一个二值图被称为每像素1位的图像。当灰度的像素具有两个以上的数值时，每个像素就需要大于一位的存储量。灰度图常常按照它们的像素深度来划分，它需要的数目代表它们的灰度等级。n位的容量可以表示2n个值，所以像素深度为n的图像可以有2n个灰度级。最常见的n值有：每像素2位产生4个灰度级，每像素4位产生16个灰度级，每像素8位产生256个灰度级1.3.5光栅图像的灰度和色彩表示像素深度的影响：灰度量化有时一个原来使用每像素8比特的图像会改变为每像素使用更少的比特数。彩色光栅图像彩色图像的每个像素都有一个彩色值，即一组代表颜色的数组。最常用的一种是将色彩描述为红绿蓝三色光的混合。在这种方式下，每个像素是一个三元组。用来表示每个像素色彩的比特数称为它的色彩深度。红绿蓝被称为三原色，（红，绿，蓝）三元组的每个值都有一个特定的比特数，色彩深度是这些值的和。三元组的色彩深度允许每个元素一位。许多图像都有每元素24位的色彩深度，这样每个像素有2的24次方种色彩，这种图像被认为是真彩色图像。如每个像素一个字节即8位，一个1280乘以1024像素的高质量图像需要超过1百万的字节（1MB）。前一页休息301.4图形显示设备1.4.1线画显示1.4.2光栅显示器即视频显示器。光栅显示器总是与帧缓存区联系在一起。帧缓存区是存储器中一块足够容纳要显示图片的区域。帧缓存区可以是显示器自带的物理存储，或者在主机中。使用光栅显示器的计算机流程图见上图。图形软件存储在系统内存，通过CPU的指令执行。程序计算出每个像素的数值并把它装载到帧缓存区中；扫描控制器负责真正的显示处理过程，它自动运行，一个像素一个像素地重复同样的工作。它引发帧缓存区通过转换器将每个像素送到显示平面来显示平面合适的物理位置。转换器接收像素值（如01001011），然后把它转化为相应的色彩值，并在显示器上生成一个彩色点。1.4.2光栅显示器视频显示器1.4.3视频卡/3D加速器这种硬件能够快速响应，满足数据从CPU到显示器的实时传输需要。定义场景的几何数据必须经过大量的处理步骤。OpenGL简单指定了这些步骤的属性和它们出现的次序，这些步骤通常称为图形管线。可编程的硬件可编程性允许开发者指定他们想要的GPU通过编辑管道中加载数据的算法。开发者可以精加工自己的顶点和像素绘制程序（或着色器）增强实用等级。Cg是着色语言。前一页休息321.5图形输入的基本单元和设备1.5.1逻辑上的输入图形基元类型每种设备传送特定类型的数据（如数字，字符串或坐标位置）给程序。不同类型的数据被称为输入的基本单元。重要的逻辑输入基本单元包括：字符串，赋值，定位，选取。1.5.2物理输入设备的类型包括键盘，按钮，鼠标，写字板，操纵杆和跟踪球，数据手套，三维物体的数字化和运动捕获。前一页休息33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领域有一个初步认识；具有一定实践体会和相关的编程能力。培养使用vc和OpenGL绘制图形的能力。Page33教学要求前一页休息34教材和参考书采用的教材：《计算机图形学（OpenGL版）》，清华大学出版社，第三版，FrancisSHill.Jr,StephenMKelly著，胡事民，刘利刚等译参考书：交互式计算机图形学--基于OpenGL的自顶向下方法（第五版），EdwardAngel著，张荣华，姜小磊等译前一页休息35作业当一种显示器有600*800像素的分辨率，每个像素能显示65000种颜色，刷新率是每秒60次时，每秒钟有多少比特传送给显示设备？计算机绘制的图像是由什么组成的？一种有效的分类是什么？前一页休息36考查形式平时作业，考勤和实验报告期末考试前一页休息37