计算机图形学ppt课件 第一章计算机图形学基础知识

1、计算机图形学戚世贵教学要求n了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术； n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； n对与图形相关的应用及当前的研究热点有一个初步认识； n具有一定实践体会和相关的编程能力。 教材或参考书n教材n潘云鹤：计算机图形学-原理、方法及应用n主要参考书：n孙家广：计算机图形学（第三版），清华大学出版社，1999。n倪明田等，“计算机图形学”，北京大学出版社，1999。ndonald hearn, m. pauline baker ,“computer graphics (c version)”, prentice hall , 1997. njame

2、s d. foley, andries van dam etc., “introduction to computer graphics”, addison-wesley, 1996 第一章 计算机图形学基本知识1.1 研究内容1.2 发展历史1.3 计算机图形学的应用及研究前沿1.1计算机图形学研究内容何谓图形？图形：计算机图形学的研究对象能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描述的图形等等构成图形的要素？几何要素：刻画对象的轮廓、形状等非几何要素：刻画对象的颜色、材质等计算机中如何表示图形？点阵表示l枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成)l简称为图

3、像（数字图像）参数表示l由图形的形状参数(方程或分析表达式的系数，线段的端点坐标等)+属性参数(颜色、线型等)来表示图形l简称为图形：l图形主要分为两类： 基于线条信息表示 明暗图(shading)n什么是计算机图形学？什么是计算机图形学？定义：用计算机表示、生成、处理和显示图形对象的一门学科。定义：用计算机表示、生成、处理和显示图形对象的一门学科。n图像处理图像处理：将客观世界中原来存在的物体的影像处理成新的数字化图：将客观世界中原来存在的物体的影像处理成新的数字化图像的相关技术。像的相关技术。n模式识别模式识别：对输入的图像进行分析和识别，找出其中蕴涵的内在联系：对输入的图像进行分析和识别

4、，找出其中蕴涵的内在联系或抽象模型。或抽象模型。计算机图形学的研究内容n如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法，构成了计算机图形学的主要研究内容。1.2图像学的发展历史n50年代n60年代n70年代n80年代n90年代：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 三维造型技术硬件发展n图形显示器的发展 图形显示器是计算机图形学中关键的设备n 60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器） 需要刷新。设备昂贵，限制普及n 60年代后期：存储管式显示器 不需刷新，价格较低，缺点是不

5、具有动态修改 图形功能，不适合交互式。l70年代初，刷新式光栅扫描显示器出现，大大地推动了交互式图形技术的发展。l以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描 图形显示设备的发展：图形显示设备的发展：画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器）存储管式显示器刷新式光栅扫描显示器图形输入设备的发展第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第二阶段：键盘第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等第五阶段：用户的思维1.3图像学的应用n用户接口介于人与计算机之间，人与机器的通信，人机界面（hc

6、i）：软件硬件发展：由指示灯和机械开关组成的操纵界面由终端和键盘组成的字符界面（80年代）由多种输入设备和光栅图形显示设备构成的图形用户界面（gui），（90年代）pc，工作站，wimp(w-windows、i-icons、m-menu、p-pointing devices)界面，所见即所得vr技术（发展方向）cad/cam是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域l 飞机、汽车、船舶的外形的设计l 发电厂、化工厂等的布局l 土木工程、建筑物的设计l 电子线路、电子器件的设计l 设计结果直接送至后续工艺进行加工处理，如波音777飞机的设计和加工过程奥迪效果图和线框图奥迪效果图和线框图n地形

7、地貌和自然资源图n科学计算可视化(scientific visualization)n计算机动画和艺术电视广告，节目片头，科教演示（cai） quake iii，“古墓丽影”，“侏罗纪公园”、“皇帝的新衣”、完美风暴 maya, 3d-max, softimagen游戏当前研究热点n当前研究热点当前研究热点 野外自然景物的模拟由清华大学自然景物平台生成的野外场景日本yoshinori dobashi等人绘制的真实感云xfrog3.0生成的挪威云杉与计算机网络技术的紧密结合远程医疗与诊断远程导航与维修远程教育计算机图形硬件简介n图形输入设备n图形输出设备图形输入设备n矢量型图形输入设备n光栅型图

8、形输入设备功能：（1）确定点坐标，即定位（2）确定一系列点的坐标，即笔画（3）确定数值（4）进行选择（5）进行图形识别（6）识别字符串n键盘n鼠标n坐标数字仪n光笔n触摸屏n图形扫描仪图形输出设备阴极射线管彩色阴极射线管射线穿透法影孔板法随机扫描显示系统光栅扫描系统图形输出设备阴极射线管(crt- cathode ray tube)组成：包括电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转组成：包括电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转系统、荧光屏系统、荧光屏工作原理工作原理:高速的电子束由电子枪发出，经过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聚焦系统、加速系统和磁偏转系统就会到达荧光屏的特定

9、位置。由于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，的电子会从高能态重新回到低能态，这时将发出荧光，屏幕上的那一点这时将发出荧光，屏幕上的那一点就会亮了就会亮了要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束射电子束刷新频率刷新频率l刷新一次是指电子束从上到下扫描一次刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的

10、过程的过程l刷新频率高到一定值后，图象才能稳定刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示显示电子枪电子枪u电灯丝，阴极和控制栅组成。电灯丝，阴极和控制栅组成。u阴极：由灯丝加热发出电子束，阴极：由灯丝加热发出电子束，u控制栅：加上负电压后，能够控制通过其中小孔的控制栅：加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电的电子束的强弱。通过调节负电压高低来控制带负电的电子束的强弱。通过调节负电压高低来控制电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。聚焦系统保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点。加速电极加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。 偏转系统n控制电子束，静电场或

11、磁场，产生偏转。n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n最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指标，显示器长短与此有关ncrt显示器屏幕越大整个显象管就越长荧光屏荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光l持续发光时间：电子束离开某点后，该点的亮度值衰持续发光时间：电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值减到初始值1/10所需的时间所需的时间l刷新刷新(refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值亮度值l刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数某种crt产生稳定图像

12、所需要的最小刷新频率=1秒/荧光物质的持续发光时间（例如）=1000/40=25hzl像素像素(pixel:picture cell)：构成屏幕（图：构成屏幕（图像）的最小元素像）的最小元素l分辨率分辨率(resolution)：crt在水平或竖直在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数，单位方向单位长度上能识别的最大像素个数，单位通常为通常为dpi（dots per inch)。在假定屏幕。在假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述，如的像素个数描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等

13、等等彩色阴极射线管产生彩色的常用方法：射线穿透法影孔板法彩色阴极射线管-射线穿透法原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，电子束轰击穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色电子束电子束荧光涂层荧光涂层产生颜色产生颜色低速电子束低速电子束较低速电子束较低速电子束较高速电子束较高速电子束高速电子束高速电子束彩色阴极射线管-影孔板法外层玻璃荧光涂层影孔板影孔板l球面显示器与柱面显示器普通的显象管采用的都是点状影孔板显象管，显象管的表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球面管”。而柱面显象管采用荫栅式结构，它的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上却是笔直的，呈圆柱状，故称之为“柱面管”l常用的点

14、状影孔板显象管有日本索尼公司的特丽珑管（trinitron）和三菱公司的钻石珑管（diamondtron）显示器n随机扫描显示器n存储管式显示器n光栅扫描式显示器n液晶显示器n等离子显示器随机扫描显示器存储管式图形显示器由于随机扫描图形显示器使用一个独立的存储器来存储图形信息，然后不断取出这些信息来刷新屏幕。由于存取速度的限制，使得显示稳定图形时的画线长度受到限制，且造价高。从70年代后期发展了利用管子本身来存储信息的技术，这就是存储管技术。存储管的内部结构类似crt，也有电子枪、聚焦系统、偏转系统。但是存储管式显示器的电子束不是直接轰击到荧光屏上，而是先用写入枪将信息“写”到存储栅。同时有一

15、个读电子枪（泛流枪），它发出连续低能电子流把存储栅上的信息重写到屏幕上。在存储栅上的后侧有收集栅，主要作用是使读出的电子流均匀，并以垂直方向接近屏幕。擦除图形的正常方法是给存储栅一个正脉冲，持续1ms400ms，这时存储栅表面充电到与收集栅同样的电压，读出电子流被带正电荷的存储栅表面吸引，使存储栅放电到等同于读出电子枪的阴极电压，图形就被删除了。缺点：难于局部清除存储的电荷，从而擦除部分图形，这样就阻碍了动态图形的产生，缺乏有选择擦除图形的能力；因为不是连续刷新图形，就不能用光笔；屏幕的发差较弱。光栅式扫描图形显示器基本概念水平扫描频率为行频。垂直扫描频率为帧频。隔行扫描方式是先扫偶数行扫描线

16、，再扫奇数行扫描线。整个屏幕被扫描线分成 n 行，每行有 m 个点，每个点为一个象素。整个屏幕有 m n 个象素。是指crt在水平或垂直方向的单位长度上能分辨出的最大光点（象素）数，分为水平分辨率和垂直分辨率。通常用屏幕上象素的数目来表示。比如上述的 n 行，每行 m 点的屏幕分辨率为 m n 。分辨率越高，相邻象素点之间的距离越小，显示的字符或图像也就越清晰。分辨率受显示器生产工艺、扫描频率以及显示存储器容量的限制。基本概念相邻象素点之间的距离，与分辨率指标相关。指显示字符、图形特别是动态图像的速度，与显示器的分辨率及扫描频率有关。可用最大带宽（水平象素数 垂直象素数 最大帧频）来表示。基本

17、概念n色彩与亮度等级亮度等级又称灰度，主要指单色显示器的亮度变化。色彩包括可选择显示器颜色的数目以及一帧画面可同时显示的颜色数，与荧光屏的质量有关，并受显示存储器vram容量的影响。n图像刷新由于crt内侧的荧光粉在接受电子束的轰击时，只能维持短暂的发光，根据人眼视觉暂留的特性，需要不断进行刷新才能有稳定的视觉效果，因此刷新是指以每秒30帧以上的频率反复扫描不断地显示每一帧图像。图像的刷新频率等于帧扫描的频率（帧频），用每秒刷新的帧数表示。目前刷新频率标准为每秒50120帧。基本概念frame buffer 俗称俗称显存显存 存储用于刷新的图像信息的存储器。帧缓冲存储器的大小通常用x方向（行）

18、和y方向（列）可寻址的地址数的乘积来表示，称为帧缓冲存储器的分辨率。作用：存储屏幕上像素的颜色值作用：存储屏幕上像素的颜色值l帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同，单元与像素一一对应，各单元的数值决定了其对应像素的颜色。l显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关（图示帧缓冲器的每个单元只有一位）。 黑白光栅显示器1dac电子枪缓冲存储器crt光栅对于黑白单灰度显示器，每个像素需要1bit的存储器。1024*1024像素组成的黑白灰度单灰度显示器，需要最小的存储空间就是220=1048576bit，并在一个位面上。缓冲存储器是数字设备，光栅显示器是模拟设备，所以中间要经过数模转换。显示器上

19、每个像素的位面中相应像素位置的内容决定的，即各个位的二进制值被存入指定的寄存器中，然后寄存器中二进制数被转换成灰度等级，范围为02n-1。在光栅图形显示器中需要足够的位面和帧缓存结合起来才能反映图形的颜色和灰度等级。如下图是一个具有n位面灰度等级的帧缓存。显示器上每个象素的亮度是由n位面中对应的每个象素位置的内容控制的。该存储器的中的二进制的数被翻译成灰度等级，范围是0到2n-1之间。显示器的像素地址通常以左下角点为屏幕的原点（0，0），对于nn个像素构成的显示器，其行列编址的范围是从0n-1。为限制缓冲存储器的增加，可用颜色查找表来提高灰度级别。对于n个位面的缓冲存储器，颜色查找表必须有2n

20、项，每项有w位字宽，当wn时，可以有2w灰度等级，但每次只能有2n个不同的灰度等级可用。彩色光栅显示器红、绿、蓝三原色有三个位面缓冲存储器和三个电子枪，其中每个位面的缓冲存储器对应一个电子枪，三个颜色组合产生不同颜色：黑 black红 red绿 green蓝 blue黄 yellow青 cyan紫 magenta白 white红01001011绿00101101蓝000101113个位面的帧缓冲存储器的颜色表每个颜色的电子枪可以通过增加帧缓存位面来提高颜色种类的灰度等级。如图，每种原色电子枪有8个位位面的帧缓存和8位的数模转换器，每种原色可有256中灰度，三种原色的组合将是(28)3=224若

21、每个单元有24位（每种基色占8位）即显示系统可同时产生224种颜色（24位真彩色）。knmv2logn显存问题高分辨率和真彩要求有大的显存；曾经是个问题！解决方法：采用查色表(lookup table）或称彩色表(color table)查色表工作原理1024*768真彩模式需要真彩模式需要3m字节显存字节显存 是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，它的长度由帧缓存单元的位数决定，例如：每单元有8位，则查色表的长度为28256 目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下，具有大范围内挑选颜色的能力：颜色信息在帧缓存中两种存放方式：一是颜色值直接存储在帧缓存中。二是把颜色码放在一个独立的表中，帧

22、缓存存放的是颜色表中各项的索引值，颜色范围扩充了。单色系统：查色表固化彩显：可修改、创建查色表。带宽带宽t与分辨率、帧频与分辨率、帧频f的关系的关系带宽问题高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽-依然是个问题！解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用， 主流显示器都采用逐行扫描方式）隔行扫描的：把一帧分两场，即奇数场与 偶数场场频：=2*帧频fnmt隔行扫描工作原理n一帧完整的画面分成两场。n一场160秒，（场频60hz），（帧频30hz）画面更新频率仍为60hz，降低了闪烁效应，每一场160秒内，帧缓存中数据量比逐行扫描少一半。降低了视频控制器存取帧缓存的速度及传输带宽的要求。简单的光栅扫描图形显示

23、系统的结构其中，帧缓存为系统内存任一块区域，视频控制器能够直接存取该区域以刷新屏幕。较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构其中，帧缓存可以是专用的存储器，也可以是系统内存中的一块固定区域。视频控制器n作用：建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应，负责刷新n逻辑结构工作原理刷新周期开始，光栅扫描发生器置x地址寄存器为0，置y地址寄存器为n-1，首先取出对应像素（0，n-1）的帧缓存单元的数值, 放入像素值寄存器，用来控制像素的颜色，然后x的地址寄存器的地址加一，如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素。双缓冲机制（double buffer)普通显卡=视频控制器+显存显示处理器n作用：代替cpu完成部分

24、图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等n具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构图形加速卡=视频控制器+显存+显示处理器光栅显示系统的特点光栅显示系统的特点优点：优点：成本低成本低易于绘制填充图形易于绘制填充图形色彩丰富色彩丰富刷新频率一定，与图形的复杂程度无关刷新频率一定，与图形的复杂程度无关易于修改图形易于修改图形缺点：缺点：需要扫描转换需要扫描转换会产生混淆会产生混淆液体显示器 crt固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展液体显示器 lcd显示器的优点液体显示器由层薄板组成：垂直电极板垂直细网格线电解层液晶层水平细网格线电解层水平电极层反射层n液晶显示器lcd(

25、liquid crystal display)是由六层薄板组成的平板式显示器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（super tn超扭曲向列lcd）和dstn（double layer super tn双层超扭曲向列lcd）等最流行的主动式液晶屏幕是tft（thin film transistor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