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。本课程的主要内容绪论光栅图形学扫描转换、裁减、反走样、消影几何造型曲线曲面造型、实体造型真实感图形学Phong模型、光线跟踪、辐射度算法指导实验主要参考书目孙家广，计算机图形学（第三版），清华大学出版社，1999。唐泽圣，计算机图形学基础，清华大学出版社，1995DonaldHearn,M.PaulineBaker,“ComputerGraphics(CVersion)”,PrenticeHall,1997.JamesD.Foley,AndriesvanDametc.,“IntroductiontoComputerGraphics”,Addison-Wesley,1996唐荣锡，计算机图形学教程（修订版），科学出版社，2000计算机辅助设计与图形学学报中国图形图像学报成绩评定办法作业、考勤、实验：20%笔试：80%第1章引言提出问题•什么是计算机图形学？•计算机图形学研究的对象是什么？•计算机图形处理系统的构造？1.1计算机图形学及其相关概念什么是计算机图形学？（ComputerGraphics）计算机图形学是研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。IEEE定义：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.3D虚拟影像摄影系统协同工作摄影机面部表演捕捉还原系统计算机图形学与传统理论：交叉、界线模糊、相互渗透CAGD（计算几何）逼近论（计算数学）微分几何形态学混沌学小波理论计算机图形学的研究对象——图形通常意义下的图形：能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形。计算机图形学中所研究的图形从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状信息的图和形。图形的表示点阵法是用具有颜色信息的点阵来表示图形的一种方法，它强调图形由哪些点组成，并具有什么灰度或色彩。参数法是以计算机中所记录图形的形状参数与属性参数来表示图形的一种方法。通常把参数法描述的图形叫做图形（Graphics）把点阵法描述的图形叫做图像（Image）end与计算机图形学相关的学科计算机图形学试图从非图象形式的数据描述来生成（逼真的）图象。数字图象处理旨在对图象进行各种加工以改善图象的视觉效果。计算机视觉是研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术。end特征数据、结构数据计算机图形学计算机视觉图象信号数字图象处理图1-1图形图象处理相关学科间的关系酝酿期（50年代）1950年，美国MIT的旋风1号(WhirlwindI)计算机配备了阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形，不具备人-机交互功能1.2计算机图形学的发展1.2.1计算机图形学的确立萌芽期（60年代）1962年，美国MIT林肯实验室的Ivan.E.Sutherland发表了一篇题为Sketchpad：一个人－机通信的图形系统的博士论文，其中首次使用了“ComputerGraphics”•提出图形学的概念，成就“图形学之父”的英名•获“图灵”奖IEEE计算机杰出成就奖Coons奖发展期（70年代）普及期（80年代）出现了带有光栅图形显示器的个人计算机和工作站提高增强期（90年代）总体特征：技术发展、需求驱动1.3计算机图形学的应用CAD/CAM可视化与可视计算海量的数据的图形表示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（VisualizationinScientificomputing）”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：机械手术和远程手术，医用CT扫描数据的三维重建，基于CT数据的人体内漫游计算机动画•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–基于视频(Video)的动画虚拟现实4图形设备图形显示设备图形输出包括图形的显示和图形的绘制，图形显示指的是在屏幕上输出图形图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝，打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备彩色CRT显示器CRT（CRTCathode－RayTube，阴极射线管）组成•电子枪•聚焦系统•加速系统•磁偏转系统CRT显示器的简易结构图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•电平控制器是用来控制电子束的强弱的，当加上正电压时，电子束就会大量通过，将会在屏幕上形成较亮的点，当控制电平加上负电压时，依据所加电压的大小，电子束被部分或全部阻截，通过的电子很少，屏幕上的点也就比较暗•聚焦系统是一个电透镜，能使众多的电子聚集于一点•加速阳极使电子达到轰击激发荧光屏应有的速度。最后由磁偏转系统来达到指定位置•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•CRT显示器屏幕越大整个显象管就越长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•隔行扫描与逐行扫描电子束扫描过程示意图扫描线水平回扫0123456垂直回扫彩色CRT显示器显示彩色的原理•彩色CRT显示器的荧光屏上涂有三种荧光物质，它们分别能发红、绿、兰三种颜色的光。而电子枪也发出三束电子束来激发这三种物质，中间通过一个控制栅格来决定三束电子到达的位置•三束电子经过荫罩的选择，分别到达三个荧光点的位置。通过控制三个电子束的强弱就能控制屏幕上点的颜色荫罩兰红绿兰红绿电子枪屏幕荧光点荫罩式彩色CRT显色原理endLCD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LCD显示器的优点•外观小巧精致，厚度只有1~5cm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索尼公司的两款LCD外形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•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0.28~0.32mm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end第一章小结1、计算机图形学的概念什么是计算机图形学、图形的种类、相关的学科2、计算机图形学的发展、应用3、图形显示设备CRT、LCD第二章光栅图形学光栅图形学的研究内容:直线段的扫描转换算法圆弧的扫描转换算法多边形的扫描转换与区域填充字符裁剪反走样消隐图形的生成：是在指定的输出设备上，根据坐标描述构造二维几何图形。图形的扫描转换：在光栅显示器等数字设备上确定一个最佳逼近于图形的象素集的过程。图2-1用一系列的象素点来逼近直线光栅图形显示器可以看作一个像素的矩阵确定最佳逼近图形的像素集合，并用指定属性写像素的过程称为图形的扫描转换/光栅化二维图形的光栅化必须确定区域对应的像素集，并用指定的属性或图案显示，称为区域填充确定图形的哪部分需要显示，哪部分不需要显示的过程称为裁剪因像素逼近误差导致图形产生畸变的现象称为走样用于减少或消除走样的技术称为反走样删除图形中隐藏的部分称为消隐2.1直线的扫描转换直线的绘制要求：1.直线要直2.直线的端点要准确，即无定向性和断裂情况3.直线的亮度、色泽要均匀4.画线的速度要快5.要求直线具有不同的色泽、亮度、线型等2.1.1数值微分(DDA)法基本思想已知过端点的直线段L：直线斜率为从的左端点开始，向右端点步进。步长=1(个象素)，计算相应的y坐标；取象素点(x,round(y))作为当前点的坐标。0101xxyyk),(),,(111000yxPyxPbkxyx0xxbkxy作为最底层的光栅图形算法，在通常的CAD/图形系统中，会被大量应用，因此，哪怕节约一个加法或减法，也是很了不起的改进。由此出发点，导致增量算法的思想。计算当时;即：当x每递增1，y递增k(即直线斜率)；xkyxkbkxbkxyiiii111xkyyii1例：画直线段xint(y+0.5)y+0.5000100.4+0.5210.8+0.5311.2+0.5421.6+0.5522.0+0.5注：网格点表示象素012345321Line:P0(0,0)--P1(5,2))2,5()0,0(10PPvoidDDALine(intx0,inty0,intx1,inty1,intcolor)intx；floatdx,dy,y,k;dx,=x1-x0,dy=y1-y0;k=dy/dx,y=y0;for(x=x0;xx1,x++)drawpixel(x,int(y+0.5),color);y=y+k;问题：当k1时，会如何？(答案见下页)注意上述分析的算法仅适用于k≤1的情形。在这种情况下，x每增加1,y最多增加1。当k1时，必须把x，y地位互换k1示意图012345321Line:P0(0,0)--P1(5,2)特点：增量算法直观、易实现不利于用硬件实现思考：采用增量思想的DDA算法，每计算一个象素，只需计算一个加法，是否最优？如非最优，如何改进？2.1.2中点画线法目标：进一步将一个加法改为一个整数加法。新思路－DDA算法采用两点式，可否采用其他的直线表示方式？2.1.2中点画线算法直线的方程该直线方程将平面分为三个区域：•对于直线上的点，F(x,y)=0；•对于直线上方的点，F(x,y)0；•对于直线下方的点，F(x,y)0。,0),(0101xxyyxykbkxyyxF其中xyF(x,y)0F(x,y)=0F(x,y)0图2-4直线将平面分为三个区域xyF(x,y)0F(x,y)=0F(x,y)0基本原理：假定0≤k≤1，x是最大位移方向