计算机图形学概述PPT课件

1、课程介绍课程介绍课程名称：实用计算机图形学课程名称：实用计算机图形学开设对象：数字媒体专业开设对象：数字媒体专业课时：课时：6464学时学时课时分配：课堂教学课时分配：课堂教学4848学时学时+ +上机实践上机实践1616学时学时考试方式：闭卷考试考试方式：闭卷考试平时成绩（考勤平时成绩（考勤20%+20%+实验实验10%+10%+作业作业10%10%）40%+40%+期末成绩期末成绩60%60%第1页/共38页课程介绍课程介绍参考书籍：计算机图形学基础教程孙家广 胡事民计算机图形学-用OpenGL实现f.sHill 清华大学出版社openGL编程指南 （美）dave shreiner实时计算

2、机图形学 Tomas Akenine-Moller第2页/共38页计算机图形学概述计算机图形学概述一. 什么是计算机图形学？ 计算机图形学 computer graphics 计算机图形学是研究怎样用计算机生成、处理和显示图形的一门学科。图形学的研究内容图形图形可以是现实世界中已经存在的物体，也可以是完全虚构的物体 第3页/共38页图形的基本要素：几何要素 刻画图形的轮廓、形状等（点，线，面，体）非几何要素 刻画图形的颜色、材质等（颜色，纹理）线框线框颜色颜色纹理纹理图形的基本要素图形的基本要素第4页/共38页二. 计算机图形学的研究内容 1. 二维图形的生成：点，直线，圆，多边形等 2. 三

3、维图形的生成： 自由曲线曲面生成 三维实体造型技术第5页/共38页3.图形的变换与裁剪 变换：平移，旋转，缩放等第6页/共38页 裁剪： 场景不是无限大的，部分超出摄像机范围的图形需要进行裁剪。第7页/共38页4.真实感图形的生成和显示技术计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制 真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状，光学性质，表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置，遮挡关系，碰撞关系等等第8页/共38页 着色技术颜色颜色第9页/共38页 光照模型和材质 第10页/共38页 纹理贴图第11页/共38页 消隐 第12页/共38页5.自然景物的模拟 野外场景远远

4、复杂于室内场景，绘制难度更大，方法更趋多样化 主要绘制山、水、云、树、草、火等等 绘制火的粒子系统（Particle System），基于生理模型的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等第13页/共38页由清华大学自然景物平台生成的野外场景第14页/共38页日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云第15页/共38页Xfrog3.0生成的植物第16页/共38页粒子系统模拟的粒子系统模拟的火焰烟雾火焰烟雾第17页/共38页 6.色彩科学基本理论 7.计算机动画显示技术 基于特征的图象变形（猫变虎）第18页/共38页 由三维由三维FFD操作得到的鱼的变形图操作得到的鱼的变形图FFD

5、FFD “Free Form DeformationFree Form Deformation”，即自，即自由变形编辑器，工作原理是通过控制点改由变形编辑器，工作原理是通过控制点改变物体的造型。变物体的造型。 第19页/共38页 8.三维或高维数据的可视化 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。第20页/共38页全球变暖的效果图汽车周围的气流第21页/共38页 9.图形的并行处理算法 10.交互式实时真实感图形显示第22页/共38页三.计算机图形学与其他学科的关系计算机图形学 数字图像处理 模式识别（计算机视觉）图形与图像的区别： 图形是针对某一个

6、对象，几何属性 图像是一个像素的点阵计算机图形学：试图从非图像形式的图形数据描述来生成（逼真的）图像。 数字图像处理：旨在对图象进行各种加工第23页/共38页 模式识别：类似计算机图形学的逆问题，从既有图像开始，将其变为抽象的描述数据。第24页/共38页特征数据、结构数据计算机图形学模式识别计算机视觉图像数字图像处理图形第25页/共38页四.计算机图形学的发展历史萌芽时期20世纪50年代 1. 1950年，第一台CRT，美国麻省理工学院（MIT）旋风I号（Whirlwind I）计算机的显示设备. 2. 1958年，滚筒式绘图仪和平板式绘图仪产生 3. 50年代末期美国战术防空系统SAGE，C

7、RT显控台采用光笔输入，标志着交互式图形技术的产生。第26页/共38页 迅速发展的年代20世纪60年代1.各大公司看好图形学的发展，投入大量的资金人力开发图形学的应用软件和系统2. 60年代中期出现了随机扫描显示器3. 图形学之父I. E. Sutherland 推广应用的年代20世纪70年代1.光栅扫描显示器出现 光栅图形学 区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生第27页/共38页2.国际化标准的出现 80年代（普及期） 1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现Whitted模型 1984年，美国Cornell大

8、学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法引入到计算机图形学中 图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展，出现了带有图形显示器的个人PC和工作站。第28页/共38页 90年代至今（深入发展） 微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域日益广泛。 标准化、集成化、智能化 多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、虚拟现实 三维造型技术第29页/共38页 五.计算机图形输入输出设备 彩色CRT显示器 CRT（CRT CathodeRay Tube，阴极射线管）组成：电子枪，聚焦系统，加速系统，磁偏转系统电子枪聚焦系统 加速系统磁偏转系统加热灯丝金属阴极 电平控制器水平偏转板垂直偏转板电子束荧光屏

9、第30页/共38页彩色如何实现？第31页/共38页 液晶显示器 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。第32页/共38页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，图象才能稳定显示扫描线水平回扫0123456垂直回扫第33页/共38页 图形显示处理器显卡显示主芯片（GPU）随机存取数模转换存储器显存（帧缓冲存储器）第34页/共38页补充：基本概念像素,分辨率 一幅数字图像是由离散的图像元素（像素）所构成。第35页/共38页2 2英英寸寸4 4英寸英寸分辨率为分辨率为200200像素，这幅图像一共有多少个像素？像素，这幅图像一共有多少个像素？将分辨率改成将分辨率改成400400像素，则图像的大小变成多少？像素，则图像的大小变成多少？分辨率分辨率：单位长度上的：单位长度上的像素个数。像素个数。纵横比纵横比：一幅