第四章 图形处理技术

1、Page Page 1 1第6章 计算机图形学与图形处理技术n 6.1 计算机图形学概论 n 6.2计算机图形学的发展与应用 n 6.3 二维矢量绘图与编辑n 6.4 三维真实感图形技术n 6.5 实时真实感图形学技术n 6.6 矢量图格式与绘图软件Page Page 2 26.1 计算机图形学概论 n 6.1.1 计算机图形学研究的主要内容图6-2 利用真实感图形技术生成的的实体模型Page Page 3 3n 6.1.2 计算机图形处理的基本内容图形处理包括的主要内容有:n 几何变换，如平移、旋转、缩放、透视和投影等 n 曲线和曲面拟合n 建模或造型 n 隐线隐面消除 n 阴暗处理 n 纹

2、理产生 n 着色 Page Page 4 4n 6.1.3 计算机图形系统的组成与功能作为一个图形系统，至少应具有计算、存储、输入、输出、人机交互等五个方面的基本功能。 n 计算功能 n 存储功能 n 输入功能 n 输出功能 n 人机交互功能 Page Page 5 56.2 计算机图形学的发展与应用n 6.2.1 计算机图形学的发展DAC-1, 世界上首个用于汽车发动机设计的CAD系统，1959年由IBM开发世界上第一台光笔交互式 图形显示器IBM2250图6-4 早期的计算机图形应用系统Page Page 6 6n 6.2.2 计算机图形学的应用领域1.计算机辅助设计与制造（CAD/CAM

3、） 图6-5 用CAD设计的波音（BOEING）777 Page Page 7 72.图形化的用户接口 3.地形地貌和自然资源图 4.科学计算可视化5. 计算机动画和艺术 三维动画电影精灵鼠小弟 计算机创作的静物风格作品 图6-7 计算机动画与艺术创作 Page Page 8 86.3 二维矢量绘图与编辑n 6.3.1 矢量图形对象与绘图工具1.矢量图形对象2.绘图工具 图6-8 矢量绘图软件提供的工具箱 Page Page 9 9交互式工具是矢量绘图软件中的一个非常重要的功能，通过 一系列的交互工具的使用，可以创建出令人惊叹的效果。使 用“调和工具”，可以将两个对象通过调和平滑的组合在一 起

4、，在矢量图形对象之间产生形状、颜色的连续变化 （图6-9a）。交互式变形工具可以同时对多个矢量对象进行变 形（图6-9b）。(a)交互式调和工具效果(b)交互式变形工具效果（注意变形前后两个图形的不同）图6-9 交互式工具的使用Page Page 1010智能绘图工具自动对涂鸦的线条进行识别、判断并组织成 最接近的几何形状，如图6-10所示。图6-10 智能绘图工具能将手绘草图 转换成最接近的几何形状Page Page 1111n 6.3.2路径与锚点n 开放路径：路径有两个明显的端点（锚点），中间有任意数目的定位点。n 闭合路径：路径是连续的，没有终点和起始点。闭合路径对象是可以填充的，而开

5、放路径对象则不能填充。n 复合路径：由两个或多个开放或闭合路径组成。 图6-11 路径及其绘图实例Page Page 1212n 6.3.3 曲线编辑图6-12 由两个Bazzier曲线段连接而成的曲线，拖动方向线可改变曲线的弯曲形状Page Page 1313n 6.3.4填充与渐变 图6-13 渐变与图案填充效果 图6-14 渐变网格应用示意图及作品Page Page 1414n 6.3.5 矢量字体图6-15 用矢量绘图软件设计的美术字体Page Page 1515n 6.3.6 三维造型图6-16 用Adobe Illustrator CS矢量绘图软件设计的三维图形Page Page

6、16166.4 三维真实感图形技术n 6.4.1 真实感图形技术研究的内容n 6.4.2 计算机三维图形建模与表示1.三维物体的投影与透射图6-17 直线段P1P2在投影平面平行投影 Page Page 17172.多边形网格模型图6-19 一个物体的多边形网格表示Page Page 1818图6-20 三维模型的面是由多边形或曲面组成的Page Page 19193.三维物体的数值表示n 图6-21为一立方体模型。立方体的顶点表坐标构成该物体的三维模型信息。 图6-21 立方体模型的顶点表示 Page Page 20204.如何获取多边形网格(a) 三维数字化仪 (b)实物 (c)物体表面的

7、网格表示 图6-22 利用三三维数字化仪为创建三维模型Page Page 2121n 6.4.3 三维几何造型方法图6-23 三维实体模型的表示Page Page 2222 图6-24 复杂曲面的三维建模应用：表面模型（左图）与实体模型（右图）Page Page 2323n 6.4.4 三维物体消隐 (a)线框图 (b)从右上往下看 （C）从左下住上看 图6-25 线框模型具有二义性 线框图 线消隐 面消隐 图6-26 线消隐与面消隐 Page Page 2424消隐算法大致可以分为：物体空间法、图像空间法和排列优先法。图6-27是经消隐算法处理后得到线消隐与面消隐三维图形。 （a）经线消隐处

8、理的三维线框图 (b) 经面消隐处理的三维表面图图6-27经消隐处理后的三维图形Page Page 2525n 6.4.5 光照模型1.局部光照模型与整体光照模型(a)采用局部光照模型 绘制的三维球体 (b)采用整体光照模型 绘制的三维球体 图6-28 局部光照模型和整体光照模型示例Page Page 2626表现场景整体照明效果的一个重要方面是透明现象的模拟。图6-29模拟了场景中透明物体的整体照明效果。图6-29 用整体照明模型模拟的物体透明效果Page Page 27272.光线跟踪光透射n 光线跟踪（Ray-trace）是一种真实感地显示物体的方法，最基本的光线跟踪算法是跟踪镜面反射和

9、折射。从光源发出的光遇到物体的表面，发生反射和折射，光就改变方向，沿着反射方向和折射方向继续前进，直到遇到新的物体，这是光线跟踪算法的基础。Page Page 2828n 图630显示了一个光线跟踪的例子 图6-30 光线跟踪示例Page Page 2929对于透明或半透明的物体，在光线与物体表面相交时，一般会产生反射与折射，经折射后的光线将穿过物体而在物体的另一个面射出，形成透射光。由于透明物体可以透射光，因而我们可以透过这种材料看到后面的物体，由于光的折射通常会改变光的方向，要在真实感图形学中模拟折射，需要较大的计算量。图6-31是计算机生成的透明物体的光线跟踪与光透射场景。图6-31 用

10、光线跟踪与光透射模型生成的三维透明物体场景Page Page 3030n 6.4.6 物体表面的纹理在计算机图形学中，物体表面的细节称为纹理（Texture）。纹理可以通过纹理映射（Texture Mapping）的方式生成。通常用一种特殊的算法来模拟它，将几何纹理逼真地显示出来，以满足视觉感官的需要。图6-32中显示了颜色纹理映射和几何纹理映射的真实感图形作品。图6-32 采用纹理映射生成的物体表面Page Page 3131n 6.4.7阴影的生成图6-33 光照模型中的阴影表示Page Page 3232图6-34 人脸的层次细节简化模型Page Page 3333图6-35 兔子的层次

11、细节简化模型Page Page 3434n 6.5.3 基于图像的绘制技术图6-36 视图插值技术利用了相邻两图像之间的连贯性生成中间帧Page Page 35356.5 实时真实感图形学技术n 6.5.1 实时真实感图形学概述n 6.5.2 层次细节显示简化技术Page Page 36366.6 矢量图格式与绘图软件n 6.6.1 矢量图 （a）位图放大后出现方块化 (b)矢量图放大后图形边缘仍平滑清晰 图6-37 位图(图a)与矢量图(图b)放大后效果比较 Page Page 3737矢量图在计算机中的存储格式大都不固定，要视各个软件的特点由开发者自定。相对于位图来讲，矢量图占用的存储空间较小。但在屏幕每次显示时，它都需要经过重新计算，故显示速度没有图像快。图6-38是常用的矢量图格式文件。 图6-38 常用的矢量图格式Page Pa