计算机图形学第一章概论

1、施智平施智平n2005年博士毕业于中科院计算技术研究所年博士毕业于中科院计算技术研究所n2005-2010年，中科院计算所，副研究员年，中科院计算所，副研究员n主持国家自然基金主持国家自然基金“基于视感知的图像视频语义获取关键技基于视感知的图像视频语义获取关键技术研究术研究” n参加参加3 3项重点基金，项重点基金，1 1项项973973，1 1项项863863项目项目n973项目项目“非结构化信息非结构化信息(图像图像)的内容理解与语义表征的内容理解与语义表征” n国家自然基金重点国家自然基金重点“基于云计算的海量数据挖掘基于云计算的海量数据挖掘”n国家自然基金重点国家自然基金重点“Web搜

2、索与挖掘的新理论与新方法搜索与挖掘的新理论与新方法” n2010-现在，首都师范大学，形式化验证现在，首都师范大学，形式化验证n主持国家自然基金主持国家自然基金“希尔伯特空间以及矩阵理论在希尔伯特空间以及矩阵理论在HOL4中的中的形式化形式化”n主持主持中澳国际科技合作中澳国际科技合作“系统形式化验证及性能分析关键技系统形式化验证及性能分析关键技术合作研究术合作研究”课程安排课程安排n前导课程：数据结构，代数几何前导课程：数据结构，代数几何n教学安排：总课时教学安排：总课时54学时学时n考试方式：平时成绩考试方式：平时成绩(40%)+闭卷考试闭卷考试 n张怡芳，计算机图形学基础及应用教程张怡芳

3、，计算机图形学基础及应用教程n孔令德，计算机图形学基础教程（孔令德，计算机图形学基础教程（Visual C+版）版）n胡事民，孙家广，计算机图形学基础教程胡事民，孙家广，计算机图形学基础教程n孙家广，计算机图形学孙家广，计算机图形学第一章第一章n什么是计算机图形学什么是计算机图形学n计算机图形学的提出和发展计算机图形学的提出和发展n图形图像有何区别图形图像有何区别n光栅扫描显示器光栅扫描显示器n计算机图形学的最新研究方向计算机图形学的最新研究方向n1.1 计算机图形学的应用领域计算机图形学的应用领域n1.2 计算机图形学的概念计算机图形学的概念n1.3 计算机图形学的研究内容计算机图形学的研究

4、内容n1.4 计算机图形学的确立和发展计算机图形学的确立和发展n1.5 图形显示器的发展及其工作原理图形显示器的发展及其工作原理n1.6 图形软件标准的形成图形软件标准的形成n1.7 计算机图形学的热点技术计算机图形学的热点技术n1.8 小结小结1.11.1计算机图形学的应用领域计算机图形学的应用领域n计算机图形学（计算机图形学（Computer Graphics，CG）n计算机图形学已经在计算机图形学已经在n科学科学n艺术、电影、商业、广告艺术、电影、商业、广告n教学和培训教学和培训 等领域获得广泛的应用等领域获得广泛的应用1.11.1计算机图形学的应用领域计算机图形学的应用领域n计算机辅助

5、设计计算机辅助设计(CAD/CAM)n计算机艺术（计算机艺术（CA）n虚拟现实（虚拟现实（VR）n计算机辅助教学（计算机辅助教学（CAI）n计算机辅助设计（计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）和计算机辅助制造（）和计算机辅助制造（Computer Aided Manufacture，CAM）n计算机图形学最早应用的领域，也是当前计算计算机图形学最早应用的领域，也是当前计算机图形学最成熟的应用领域，典型的代表产品机图形学最成熟的应用领域，典型的代表产品为为AutoCAD系统软件系统软件n建筑、机械、飞机、汽车、轮船、电子器件等建筑、机械、飞机、汽车、轮船、电子器件

6、等产品的开发几乎都使用产品的开发几乎都使用AutoCAD进行设计进行设计n 具体设计时，先使用线框模型将三维物体具体设计时，先使用线框模型将三维物体内部特征展示出来，然后采用真实光照模型和内部特征展示出来，然后采用真实光照模型和曲面绘制技术产生最终效果图。曲面绘制技术产生最终效果图。旋耕刀辊设计图旋耕刀辊设计图n计算机图形学应用于美术设计中，称为计算机计算机图形学应用于美术设计中，称为计算机艺术（艺术（Computer Art，CA）n动画设计是其典型代表动画设计是其典型代表n广泛应用于影视特技、商业广告、游戏、计算广泛应用于影视特技、商业广告、游戏、计算机辅助教学等领域机辅助教学等领域n一个

7、常用的设计软件是一个常用的设计软件是3DS MAX3DS MAXn侏罗纪公园侏罗纪公园、玩具总动员玩具总动员等影片均是等影片均是典型的典型的3DS MAX3DS MAX技术产品技术产品n3DS MAX3DS MAX是世界上应用最广泛的三维建模、动是世界上应用最广泛的三维建模、动画、渲染软件画、渲染软件, , 满足制作高质量动画、游戏、满足制作高质量动画、游戏、设计效果等领域的需要设计效果等领域的需要n3DS MAX集中体现了计算机图形学研究成果，集中体现了计算机图形学研究成果，综合使用了图形变换、消隐、光照、纹理以及综合使用了图形变换、消隐、光照、纹理以及实体造型等技术。实体造型等技术。 u1

8、996年，世界上第一部完全用计算机动画制年，世界上第一部完全用计算机动画制作的电影作的电影玩具总动员玩具总动员上映，该片不仅获得上映，该片不仅获得了破记录的票房收入，而且给电影制作开辟了了破记录的票房收入，而且给电影制作开辟了一条新路。一条新路。u目前全球动画产业的产值为目前全球动画产业的产值为2000亿到亿到5000亿美元，已经成为亿美元，已经成为21世纪新的朝阳产业。世纪新的朝阳产业。n 许多商业广告中还用到变形（许多商业广告中还用到变形（Morph）的图）的图形处理方法，可以将一个人的脸变成另一个人形处理方法，可以将一个人的脸变成另一个人的脸。的脸。邦德变女郎邦德变女郎1.1.3 1.1

9、.3 虚拟现实（虚拟现实（VRVR） n虚拟现实（虚拟现实（Virtual Reality）n用计算机生成一种虚拟环境，用户用计算机生成一种虚拟环境，用户“沉浸沉浸”到到该环境中，并可通过一些特殊设备与该环境直该环境中，并可通过一些特殊设备与该环境直接进行交互接进行交互n在虚拟现实中，看到的是全彩色的景象，听到在虚拟现实中，看到的是全彩色的景象，听到的是虚拟环境中的声响，感受到的是虚拟环境的是虚拟环境中的声响，感受到的是虚拟环境设备反馈的作用力，从而产生身临其境的感觉设备反馈的作用力，从而产生身临其境的感觉家居花园三维视景仿真系统家居花园三维视景仿真系统家居花园外景家居花园外景居室漫游居室漫游

10、nVideo Gamen仿真仿真n分形艺术分形艺术n分形几何学和计算机图形学相结合的一门边缘分形几何学和计算机图形学相结合的一门边缘学科学科n分形通过递归实现复杂的图形结构，主要用于分形通过递归实现复杂的图形结构，主要用于描述欧几里得几何学无法描述的自然世界描述欧几里得几何学无法描述的自然世界n诸如：起伏蜿蜒的山脉、层层分叉的树枝、以诸如：起伏蜿蜒的山脉、层层分叉的树枝、以及金属和非金属材料的断面、生物的大分子结及金属和非金属材料的断面、生物的大分子结构等等构等等谢尔宾斯基海绵Newton分形1.1.4 1.1.4 计算机辅助教学（计算机辅助教学（CAICAI）n计算机辅助教学计算机辅助教学(

11、 Computer Aided Instruction)是利用计算机图形学技术展示抽是利用计算机图形学技术展示抽象原理或不可见过程的一种新的教学方法象原理或不可见过程的一种新的教学方法n在在多媒体教室多媒体教室，教师使用集图、文、声、像为，教师使用集图、文、声、像为一体的多媒体课件，形象、生动地进行教学，一体的多媒体课件，形象、生动地进行教学，有助于学生理解和接受深奥枯燥的理论。同时有助于学生理解和接受深奥枯燥的理论。同时在网络化学习（在网络化学习（E-Learning）时代，网络多）时代，网络多媒体课件使得受教育者不必进入传统的课堂也媒体课件使得受教育者不必进入传统的课堂也能接受到优质的培训

12、，分享全世界范围内的优能接受到优质的培训，分享全世界范围内的优质教育资源。质教育资源。 1.1.5 1.1.5 可视化可视化1.2 1.2 什么是计算机图形学什么是计算机图形学n计算机图形学是研究如何在计算机中表示图形、计算机图形学是研究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的相关原理与算法n使用图形生成原理和算法将数学模型转化为图使用图形生成原理和算法将数学模型转化为图像显示的科学像显示的科学1.2.1 1.2.1 计算机图形学中计算机图形学中图形的分类图形的分类n几何图形：几何图形：基于线条表示的基于线条表示

13、的n如线框图、工程制图、等高线地图等如线框图、工程制图、等高线地图等n真实感图形：基于光照、材质和纹理映射表示真实感图形：基于光照、材质和纹理映射表示n虚拟现实虚拟现实1.2.21.2.2计算机图形学中计算机图形学中图形的表示方法图形的表示方法n参数法参数法n参数法是在设计阶段采用几何方法建立数学模参数法是在设计阶段采用几何方法建立数学模型时，用形状参数和属性参数描述图形的一种型时，用形状参数和属性参数描述图形的一种方法方法n形状参数可以是线段的起始点和终止点等几何形状参数可以是线段的起始点和终止点等几何参数参数n属性参数则包括线段的颜色、线型、宽度等非属性参数则包括线段的颜色、线型、宽度等非

14、几何参数几何参数n点阵法点阵法n点阵法是在实现阶段用具有颜色信息的像素点点阵法是在实现阶段用具有颜色信息的像素点阵来表示图形的一种方法，描述的图常称为阵来表示图形的一种方法，描述的图常称为图图像像 n计算机图形学就是研究将图形的表示法从参数计算机图形学就是研究将图形的表示法从参数法转换到点阵法的一门学科法转换到点阵法的一门学科用用直线直线y=kx+b表表示的图示的图形形直线直线 y=kx+b的图像的图像1.2.31.2.3图形与图像图形与图像n图形、图像并非专业术语，本无严格区别图形、图像并非专业术语，本无严格区别n图形学图形学主要研究基于主要研究基于几何几何方法的图形的生成、方法的图形的生成

15、、处理和绘制，图形是抽象的数学模型处理和绘制，图形是抽象的数学模型n图形的可视化是图形的可视化是图像图像n图像图像是客观物体的视觉反映，光学属性是客观物体的视觉反映，光学属性n数字图像处理数字图像处理，是对，是对点阵图像点阵图像进行增强、去噪、进行增强、去噪、复原、分割、重建、编码、存储、压缩和恢复复原、分割、重建、编码、存储、压缩和恢复等不同处理方法的学科等不同处理方法的学科n如如Photoshop就是著名的图像处理软件就是著名的图像处理软件 彩色图像二值图像灰度图像1.3 1.3 计算机图形学的研究方向计算机图形学的研究方向n光栅图形生成算法光栅图形生成算法n真实感图形的生成算法真实感图形

16、的生成算法n科学计算可视化科学计算可视化n计算机动漫计算机动漫n自然景物仿真自然景物仿真n虚拟现实虚拟现实1.41.4计算机图形学的确立和发展计算机图形学的确立和发展n1946年年2月月14日，日，ENIAC在美国问世在美国问世n1950年，美国年，美国MIT的旋风一号计算机配备了的旋风一号计算机配备了世界上第一台显示器世界上第一台显示器阴极射线管阴极射线管n1963年年MIT的的Ivan E.Sutherland完成了完成了Sketchpad：一个人机通讯的图形系统：一个人机通讯的图形系统博士博士学位论文。确立了计算机图形学的学科地位，学位论文。确立了计算机图形学的学科地位，图形学之父图形学

17、之父n1964，Coons提出自由曲面表示方法提出自由曲面表示方法n法国雷诺汽车公司的法国雷诺汽车公司的Bezier提出了提出了Bezier曲线曲线曲面曲面图形学之父图形学之父图形学之父图形学之父n阴极射线管阴极射线管CRTn光栅扫描显示器光栅扫描显示器n三维显示三维显示CRTCRTn CRT（Cathode Ray Tube），是光栅扫描显示器的显示部件，其功能与电视机的显像管类似，主要是由电子枪、聚焦系统、偏转系统、荧光粉层和玻璃外壳五大部分组成。电子枪聚焦系统偏转系统荧光屏电子束荫罩1.5.1 1.5.1 阴极射线管阴极射线管CRTCRTn电子枪是由灯丝、阴极、控制栅组成。黑白电子枪是由

18、灯丝、阴极、控制栅组成。黑白CRT中只有一支电子枪。彩色中只有一支电子枪。彩色CRT中有红绿蓝中有红绿蓝三支电子枪。有的显示器的电子枪是单枪三束三支电子枪。有的显示器的电子枪是单枪三束nCRT通电后灯丝发热，阴极被激发射出电子，通电后灯丝发热，阴极被激发射出电子，电子受到控制栅的调节形成电子束。电子束经电子受到控制栅的调节形成电子束。电子束经聚焦系统聚焦后以高速轰击到荧光屏上，荧光聚焦系统聚焦后以高速轰击到荧光屏上，荧光粉层被激发后发出辉光形成一个光点。粉层被激发后发出辉光形成一个光点。CRTCRTnCRTCRT偏转系统可以控制电子束在指定的位置上偏转系统可以控制电子束在指定的位置上轰击荧光屏

19、，整个荧光屏依次扫描完毕后，图轰击荧光屏，整个荧光屏依次扫描完毕后，图像显示完成。像显示完成。n由于荧光粉具有余辉特性由于荧光粉具有余辉特性电子束停止轰击电子束停止轰击荧光屏后，荧光粉的亮度并不是立即消失，而荧光屏后，荧光粉的亮度并不是立即消失，而是按指数规律衰减，图像逐渐变暗，为了得到是按指数规律衰减，图像逐渐变暗，为了得到亮度稳定的图像，电子枪需要不断地根据帧缓亮度稳定的图像，电子枪需要不断地根据帧缓冲的内容轰击荧光屏，反复重绘同一幅图像，冲的内容轰击荧光屏，反复重绘同一幅图像，即不断刷新屏幕。即不断刷新屏幕。荫罩板荫罩板荫罩式彩色荫罩式彩色CRTCRT的荧光点图案的荧光点图案1.5.2

20、1.5.2 光栅扫描显示器光栅扫描显示器n光栅扫描显示器是光栅扫描显示器是画点设备画点设备，可看作是一个点，可看作是一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单元的亮度，阵单元发生器，并可控制每个点阵单元的亮度，这些点阵单元被称为这些点阵单元被称为像素像素（Pixel）n电子束总是不断地从左到右，从上到下反复扫电子束总是不断地从左到右，从上到下反复扫描（画点）整个屏幕描（画点）整个屏幕n由于电子束的强度可以不断变化，所以容易生由于电子束的强度可以不断变化，所以容易生成颜色连续变化的真实感图像成颜色连续变化的真实感图像像素像素点像素点扫描线扫描线屏幕分辨率屏幕分辨率n水平或垂直方向的单位长度上能分辨出

21、的最大水平或垂直方向的单位长度上能分辨出的最大光点数光点数n 800600， 1024768n屏幕纵横比（屏幕纵横比（Aspect Ratio）: 显示设备中显显示设备中显示图像的横向尺寸与纵向尺寸的比例，最常见示图像的横向尺寸与纵向尺寸的比例，最常见的为的为4:3，目前的高清晰度电视和一些新型显，目前的高清晰度电视和一些新型显示设备采用了示设备采用了16:9。 n800/600=1024/7684/3不走样直线不走样直线n在绘制水平，垂直直在绘制水平，垂直直线及对角线时，像素线及对角线时，像素点集在直线路径上的点集在直线路径上的位置是准确的，称为位置是准确的，称为不走样直线。不走样直线。走样

22、直线走样直线n点阵形成的斜线呈阶点阵形成的斜线呈阶梯状，形成锯齿线，梯状，形成锯齿线，这称为直线的走样。这称为直线的走样。走样直线走样直线帧缓冲器帧缓冲器n光栅扫描显示器使用帧缓冲器存储屏幕每个像光栅扫描显示器使用帧缓冲器存储屏幕每个像素点的颜色信息素点的颜色信息一个像素的参数为位置坐标（一个像素的参数为位置坐标（x,yx,y）和）和颜色值颜色值ColorColor位面位面n帧缓冲器用位面和屏幕像素一一对应帧缓冲器用位面和屏幕像素一一对应n如果屏幕上每个像素的颜色只用一位（如果屏幕上每个像素的颜色只用一位（Bit）表示，其值非表示，其值非0即即1，屏幕只能显示黑白二色图，屏幕只能显示黑白二色图

23、像，称为黑白显示器，此时帧缓冲器只有一个像，称为黑白显示器，此时帧缓冲器只有一个位面位面n如果屏幕分辨率为如果屏幕分辨率为1024768，则黑白显示，则黑白显示器的帧缓冲容量是器的帧缓冲容量是n10247681786,432（bit）1 1个位面个位面位面位面1位面帧缓冲器位面帧缓冲器屏幕屏幕8 8个位面个位面n如果每个像素的颜色可以用一个字节（如果每个像素的颜色可以用一个字节（Byte）表示，帧缓冲器需要用表示，帧缓冲器需要用8个位面，可表示个位面，可表示256种灰度，称为灰度显示器种灰度，称为灰度显示器n如屏幕分辨率为如屏幕分辨率为1024768，则灰度显示器，则灰度显示器的帧缓冲的容量是

24、的帧缓冲的容量是n102476886,291,456（bit） 8 8个位面个位面n八位面帧缓冲器八位面帧缓冲器位面位面2424个位面个位面n如果每个像素用如果每个像素用R、G、B三原色混合表示，其三原色混合表示，其中每种原色分别用一个字节表示，各对应一把中每种原色分别用一个字节表示，各对应一把电子枪，每种颜色可有电子枪，每种颜色可有256种亮度，三种颜色种亮度，三种颜色的组合是的组合是224颜色，共有颜色，共有24个位面。个位面。n n如屏幕分辨率为如屏幕分辨率为1024768，则彩色显示器，则彩色显示器的帧缓冲的容量是的帧缓冲的容量是n10247688318,874,368（bit）242

25、4个位面帧缓冲器个位面帧缓冲器 索引色索引色n为了进一步提高颜色的种类，控制帧缓冲的增为了进一步提高颜色的种类，控制帧缓冲的增加，可把帧缓冲中的位面号作为颜色索引表的加，可把帧缓冲中的位面号作为颜色索引表的索引号，为每组原色配置一个颜色索引表，颜索引号，为每组原色配置一个颜色索引表，颜色索引表有色索引表有256256项，每一项具有项，每一项具有w w位字宽，当位字宽，当w w大于大于8 8时，如时，如w w1010，可以有，可以有2 21010种亮度等级，但种亮度等级，但每次只能有每次只能有256256种不同的亮度等级可用，这种种不同的亮度等级可用，这种颜色称为索引色颜色称为索引色n在程序中，

26、使用在程序中，使用COLORREF RGB(BYTE bRedCOLORREF RGB(BYTE bRed，BYTE bGreenBYTE bGreen，BYTE bBlue) BYTE bBlue) 宏定义颜色宏定义颜色1.5.3 - 1.5.3 - 显示器的种类显示器的种类nCRT显示器（显示器（Cathode Ray Tube，CRT）n液晶显示器（液晶显示器（Liquid Crystal DisplayLiquid Crystal Display，LCDLCD）n等离子显示器（等离子显示器（Plasma Display PanelPlasma Display Panel，PDPPDP）

27、CRT CRT LCDLCD PDP PDP1.5.4 1.5.4 三维显示方法三维显示方法n二维显示器上观看三维图像的方法二维显示器上观看三维图像的方法n坐标变换方法坐标变换方法n三维立体显示方法三维立体显示方法n立体眼镜方法n立体摄影方法n三维立体画方法n三维显示器三维显示器坐标变换方法坐标变换方法n光栅扫描显示器显示三维图像的主流技术光栅扫描显示器显示三维图像的主流技术n通过坐标变换可以将三维点（通过坐标变换可以将三维点（x，y，z）变换）变换为屏幕设备坐标点（为屏幕设备坐标点（x，y）n这种通过三维坐标系向二维坐标系的投影变换这种通过三维坐标系向二维坐标系的投影变换生成的三维图像称为准

28、三维图像。生成的三维图像称为准三维图像。立体眼镜方法立体眼镜方法红绿立体红绿立体立体摄影方法立体摄影方法需要佩戴互补色眼镜观看1.6 1.6 图形软件标准的形成图形软件标准的形成n1974年，美国计算机协会图形学专业委员会年，美国计算机协会图形学专业委员会召开了一个召开了一个“与机器无关的图形技术与机器无关的图形技术”工作会工作会议，提出了图形软件标准化问题议，提出了图形软件标准化问题nISO批准的第一个图形软件标准：图形核心系批准的第一个图形软件标准：图形核心系统（统（Graphics Kernal System，GKS），它），它是二维图形软件标准是二维图形软件标准n1988年，年，ISO

29、批准的图形软件标准：批准的图形软件标准：GKS3D。它是三维图形软件标准。它是三维图形软件标准。n1986年，年， ISO公布了图形软件标准：程序员公布了图形软件标准：程序员级的分层结构交互图形系统（级的分层结构交互图形系统（Programmers Hierarchical Interactive System，PHIGS）1.6 1.6 图形软件标准的形成图形软件标准的形成n进入进入20世纪世纪90年代以后存在着一些事实上的年代以后存在着一些事实上的标准标准n如如SGI公司开发的公司开发的OpenGL （Open Graphics Library）开放式三维图形标准）开放式三维图形标准n微软

30、公司为微软公司为PC游戏开发的应用程序接口标准游戏开发的应用程序接口标准 DirectX等等1.7 1.7 计算机图形学的热点技术计算机图形学的热点技术n建模技术建模技术model绘制技术绘制技术rendern真实感图形实时性真实感图形实时性n问题：虚拟现实中图像的绘制速度问题：虚拟现实中图像的绘制速度n思路：损失一定的图像质量来达到实时思路：损失一定的图像质量来达到实时n绘制方法：绘制方法：n基于几何的绘制方法基于几何的绘制方法n基于图像的绘制方法基于图像的绘制方法n混合建模方法混合建模方法基于几何的绘制技术基于几何的绘制技术（Model Based RenderingModel Based

31、 Rendering）n利用计算机图形学技术，对真实场景进行抽象，从而利用计算机图形学技术，对真实场景进行抽象，从而建立三维场景模型，然后利用计算机实现场景模型的建立三维场景模型，然后利用计算机实现场景模型的绘制、着色、消隐、光照以及投影等处理过程，最终绘制、着色、消隐、光照以及投影等处理过程，最终生成给定的视点和视方向的图像生成给定的视点和视方向的图像n这种方法较为成熟，具有完善的理论体系这种方法较为成熟，具有完善的理论体系n但是建模过程相当复杂，实时性能和真实感难以兼得，但是建模过程相当复杂，实时性能和真实感难以兼得，有时还要求硬件的支持有时还要求硬件的支持n虚拟现实建模语言（虚拟现实建模语言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）是一个典型的应用，使用语言）是一个典型的应用，使用语言来描述场景元素，构建三维空间，模拟现实事件，是来描述场景元素，构建三维空间，模拟现实事件，是一个开放可扩展的工业标准景象描述语言，用来描述一个开放可扩展的工业标准景象描述语言，用来描述Internet中中3D景象或世界景象或世界LOD(level of detail)技术技术n建立不同层次的网格细节模型建立不同层次的网格细节模型n网格模型的几何过渡网格模型的几何过渡n层次细节显示和简化技术层次细节显示和简化技