计算机图形学新

1、计算机图形学与图形处理技术n6.1 计算机图形学概论计算机图形学概论 n6.2计算机图形学的发展与应用计算机图形学的发展与应用 n6.3 二维矢量绘图与编辑二维矢量绘图与编辑n6.4 三维真实感图形技术三维真实感图形技术n6.5 实时真实感图形学技术实时真实感图形学技术n6.6 矢量图格式与绘图软件矢量图格式与绘图软件6.1 计算机图形学概论 图图6-2 6-2 利用真实感图形技术生成的的实体模型利用真实感图形技术生成的的实体模型n6.1.1 计算机图形学研究的主要内容n6.1.2 计算机图形处理的基本内容计算机图形处理的基本内容图形处理包括的主要内容有图形处理包括的主要内容有:n几何变换，如

2、平移、旋转、缩放、透视和投几何变换，如平移、旋转、缩放、透视和投影等影等 n曲线和曲面拟合曲线和曲面拟合n建模或造型建模或造型 n隐线隐面消除隐线隐面消除 n阴暗处理阴暗处理 n纹理产生纹理产生 n着色着色 n6.1.3 计算机图形系统的组成与功能计算机图形系统的组成与功能n作为一个图形系统，至少应具有计算、存储、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。输入、输出、人机交互等五个方面的基本功能。 n计算功能计算功能 n存储功能存储功能 n输入功能输入功能 n输出功能输出功能 n人机交互功能人机交互功能 6.2 计算机图形学的发展与应用计算机图形学的发展

3、与应用n6.2.1 计算机图形学的发展DAC-1, DAC-1, 世界上首个用于汽车发动机世界上首个用于汽车发动机设计的设计的CADCAD系统，系统，19591959年由年由IBMIBM开发开发世界上第一台光笔交互式世界上第一台光笔交互式 图形显示器图形显示器IBM2250IBM2250图图6-4 6-4 早期的计算机图形应用系统早期的计算机图形应用系统n6.2.2 计算机图形学的应用领域计算机图形学的应用领域n1.计算机辅助设计与制造（CAD/CAM） 图图6-5 6-5 用用CADCAD设计的波音（设计的波音（BOEINGBOEING）777 777 n2.图形化的用户接口图形化的用户接口

4、 n3.地形地貌和自然资源图地形地貌和自然资源图 n4.科学计算可视化科学计算可视化n5. 计算机动画和艺术计算机动画和艺术 三维动画电影三维动画电影精灵鼠小弟精灵鼠小弟 计算机创作的静物风格作品计算机创作的静物风格作品 图图6-7 6-7 计算机动画与艺术创作计算机动画与艺术创作 6.3 二维矢量绘图与编辑二维矢量绘图与编辑n6.3.1 矢量图形对象与绘图工具矢量图形对象与绘图工具n1.矢量图形对象矢量图形对象n2.绘图工具绘图工具 图图6-8 6-8 矢量绘图软件提供的工具箱矢量绘图软件提供的工具箱 n交互式工具是矢量绘图软件中的一个非常重要的功交互式工具是矢量绘图软件中的一个非常重要的功

5、能，通过能，通过 一系列的交互工具的使用，可以创建出一系列的交互工具的使用，可以创建出令人惊叹的效果。令人惊叹的效果。使使 用用“调和工具调和工具”，可以将两，可以将两个对象通过调和平滑的组合在一个对象通过调和平滑的组合在一 起，在矢量图形起，在矢量图形对象之间产生形状、颜色的连续变化对象之间产生形状、颜色的连续变化 （图（图6-9a6-9a）。）。交互式变形工具可以同时对多个矢量对象进行变交互式变形工具可以同时对多个矢量对象进行变 形（图形（图6-9b6-9b）。）。(a)(a)交互式调和工具效果交互式调和工具效果(b)(b)交互式变形工具效果（注意变交互式变形工具效果（注意变形前后两个图形

6、的不同）形前后两个图形的不同）图图6-9 6-9 交互式工具的使用交互式工具的使用n智能绘图工具自动对涂鸦的线条进行识别、判智能绘图工具自动对涂鸦的线条进行识别、判断并组织成断并组织成 最接近的几何形状，如图最接近的几何形状，如图6-106-10所示。所示。图图6-10 6-10 智能绘图工具能将手绘草图智能绘图工具能将手绘草图 转换成最接近的几何形状转换成最接近的几何形状n6.3.2路径与锚点路径与锚点n开放路径：路径有两个明显的端点（锚点），中间开放路径：路径有两个明显的端点（锚点），中间有任意数目的定位点。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。闭闭合路径：路径是

7、连续的，没有终点和起始点。闭合路径对象是可以填充的，而开放路径对象则不能合路径对象是可以填充的，而开放路径对象则不能填充。填充。n复合路径：由两个或多个开放或闭合路径组成。复合路径：由两个或多个开放或闭合路径组成。 图图6-11 6-11 路径及其绘图实例路径及其绘图实例n6.3.3 曲线编辑曲线编辑图图6-12 6-12 由两个由两个BazzierBazzier曲线段连接而成的曲线，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拖动方向线可改变曲线的弯曲形状n6.3.4填充与渐变填充与渐变 图图6-13 6-13 渐变与图案填充效果渐变与图案填充效果 图图6-14 6-14 渐变网格应

8、用示意图及作品渐变网格应用示意图及作品n6.3.5 矢量字体矢量字体图图6-15 6-15 用矢量绘图软件设计的美术字体用矢量绘图软件设计的美术字体n6.3.6 三维造型三维造型图图6-16 6-16 用用Adobe Illustrator CSAdobe Illustrator CS矢量绘图软件设计的三维图形矢量绘图软件设计的三维图形6.4 三维真实感图形技术三维真实感图形技术n6.4.1 真实感图形技术研究的内容真实感图形技术研究的内容n6.4.2 计算机三维图形建模与表示计算机三维图形建模与表示n1.三维物体的投影与透射三维物体的投影与透射图图6-17 6-17 直线段直线段P1P2P1

9、P2在投影平面平行投影在投影平面平行投影 n2.多边形网格模型多边形网格模型图图6-19 6-19 一个物体的多边形网格表示一个物体的多边形网格表示图图6-20 6-20 三维模型的面是由多边形或曲面组成的三维模型的面是由多边形或曲面组成的n3.三维物体的数值表示三维物体的数值表示n图图6-21为一立方体模型。立方体的顶点表坐标构成为一立方体模型。立方体的顶点表坐标构成该物体的三维模型信息。该物体的三维模型信息。 图图6-21 6-21 立方体模型的顶点表示立方体模型的顶点表示 n4.如何获取多边形网格如何获取多边形网格(a) (a) 三维数字化仪三维数字化仪 (b)(b)实物实物 (c)(c

10、)物体表面的网格表示物体表面的网格表示 图图6-22 6-22 利用三维数字化仪为创建三维模型利用三维数字化仪为创建三维模型n6.4.3 三维几何造型方法三维几何造型方法图图6-23 6-23 三维实体模型的表示三维实体模型的表示 图图6-24 6-24 复杂曲面的三维建模应用：复杂曲面的三维建模应用：表面模型（左图）与实体模型（右图）表面模型（左图）与实体模型（右图）n6.4.4 三维物体消隐三维物体消隐 (a) (a)线框图线框图 (b)(b)从右上往下看从右上往下看 （C C）从左下住上看）从左下住上看 图图6-25 6-25 线框模型具有二义性线框模型具有二义性 线框图线框图 线消隐线

11、消隐 面消隐面消隐 图图6-26 6-26 线消隐与面消隐线消隐与面消隐 n消隐算法研究组成物体表面的多边形之间的遮挡关系消隐算法研究组成物体表面的多边形之间的遮挡关系n消隐算法大致可以分为：物体空间法、图像空间法和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。图排列优先法。图6-27是经消隐算法处理后得到线消隐是经消隐算法处理后得到线消隐与面消隐三维图形。与面消隐三维图形。 线消隐线消隐线框模型线框模型 面消隐面消隐表面模型表面模型 （a a）经线消隐处理的三维线框图）经线消隐处理的三维线框图 (b) (b) 经面消隐处理的三维表面图经面消隐处理的三维表面图图图6-276-27经

12、消隐处理后的三维图形经消隐处理后的三维图形n6.4.5 光照模型光照模型n1.局部光照模型与整体光照模型局部光照模型与整体光照模型(a)(a)采用局部光照模型采用局部光照模型 绘制的三维球体绘制的三维球体 (b)(b)采用整体光照模型采用整体光照模型 绘制的三维球体绘制的三维球体 图图6-286-28 局部光照模型和整体光照模型示例局部光照模型和整体光照模型示例局部光照模型与整体光照模型局部光照模型与整体光照模型n局部光照模型 假定物体基本不透明，只考虑光源的直接照射，忽略光在环境景物之间的传递n整体光照模型 考虑环境的漫射、镜面反射、规则投射，可模拟复杂光照现象 n表现场景整体照明效果的一个

13、重要方面是透明现象的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。图模拟。图6-29模拟了场景中透明物体的整体照明效果。模拟了场景中透明物体的整体照明效果。图图6-29 6-29 用整体照明模型模拟的物体透明效果用整体照明模型模拟的物体透明效果n2.光线跟踪光透射光线跟踪光透射n光线跟踪（光线跟踪（Ray-trace）是一种真实感地显示物体）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的方法，最基本的光线跟踪算法是跟踪镜面反射和折射。从光源发出的光遇到物体的表面，发生反射折射。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和折射，

14、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，这是光线跟踪算法继续前进，直到遇到新的物体，这是光线跟踪算法的基础。的基础。n图图630显示了一个光线跟踪的例子显示了一个光线跟踪的例子 图图6-30 6-30 光线跟踪示例光线跟踪示例n对于透明或半透明的物体，在光线与物体表面相交时，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，以透射光，

15、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。图中模拟折射，需要较大的计算量。图6-316-31是计算机生成是计算机生成的透明物体的光线跟踪与光透射场景。的透明物体的光线跟踪与光透射场景。图图6-31 6-31 用光线跟踪与光透射模型生成的三维透明物体场用光线跟踪与光透射模型生成的三维透明物体场景景6.4.6 物体表面的纹理材质属性颜色色彩、明暗变化几何属性细小的凹凸 在计算机图形学中，物体表面的细节称在计算机图形学中，物体表面的细节称为纹理（为纹理（TextureTextu

16、re）。纹理可以通过纹理）。纹理可以通过纹理映射（映射（Texture MappingTexture Mapping）的方式生成。）的方式生成。通常用一种特殊的算法来模拟它，将几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，以满足视觉感何纹理逼真地显示出来，以满足视觉感官的需要。官的需要。n6.4.6 物体表面的纹理物体表面的纹理n图图6-326-32中显示了颜色纹理映射和几何纹理映射的真实感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。图形作品。图图6-32 6-32 采用纹理映射生成的物体表面采用纹理映射生成的物体表面n 6.4.7 阴影的生成阴影的生成利用隐藏消除算法，将

17、物体上的多边形分为：阴影多边形、非阴影多边形、逆光多边行。计算不同区域光强，显示阴影阴影的生成阴影的生成图图6-33 6-33 光照模型中的阴影表示光照模型中的阴影表示6.5 实时真实感图形学技术实时真实感图形学技术n6.5.1 实时真实感图形学概述实时真实感图形学概述n6.5.2 层次细节显示简化技术层次细节显示简化技术图图6-34 6-34 人脸的层次细节简化模型人脸的层次细节简化模型图图6-35 6-35 兔子的层次细节简化模型兔子的层次细节简化模型n6.5.3 基于图像的绘制技术基于图像的绘制技术图图6-36 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视图插值技术利用

18、了相邻两图像之间的连贯性生成中间帧6.6 矢量图格式与绘图软件矢量图格式与绘图软件n6.6.1 矢量图矢量图 （a a）位图放大后出现方块化）位图放大后出现方块化 (b)(b)矢量图放大后图形边缘仍平滑清晰矢量图放大后图形边缘仍平滑清晰 图图6-37 6-37 位图位图( (图图a)a)与矢量图与矢量图( (图图b)b)放大后效果比较放大后效果比较 n矢量图在计算机中的存储格式大都不固定，要视各个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。图要经过重新计算，故显示速度没