吉林大学-图形学-第1章-计算机图形学简介的课件

计算机图形学郭晓新计算机科学与技术学院2/2/20231第一章计算机图形学简介第一节计算机图形学第二节计算机图形学的起源第三节计算机图形学的应用及发展动向第四节图形系统的硬件第五节计算机图形标准2/2/20232图形的基本概念对象：客观存在的实体。 可以是各种具体的、实在的物体，如家具、机械零件、房屋建筑等，也可以是抽象的、假想的事物，如天气形势、人口分布、经济增长趋势等等。2/2/20233图形的基本概念模型：能够正确地表达出一个对象性质、结构和行为的描述信息。 建模是计算机图形学的首要工作。模型，由点、线、圆、曲线、曲面、体元等各种几何元素以及他们的组合构造。2/2/20234图形的基本概念图形基元：（简称“图元”——Primitives）是基本的图形元素，指点、线、圆/弧等，其信息包含图元的几何信息与属性信息（颜色、线型、线宽等显式属性和层次等隐式属性）。像素：（Pixel）或图像单元（Pels，pictureelements）最基本的图元，其信息包括点坐标与它的属性信息（颜色、灰度、亮度等）。2/2/20235图形的基本概念图形（Graphics）：从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状信息的表示。以矢量形式呈现。计算机中由场景的几何模型和景物的物理属性表示的图形，它更强调场景的几何表示，记录图形的形状参数与属性参数。 例如，工程图纸（Drawing）。2/2/20236图形的基本概念图像（ImageorPicture）：以点阵形式呈现。计算机中以具有颜色信息的点阵来表示的图形，它强调图形由哪些点组成，记录点及它的灰度或色彩。 例如，照片、扫描图片和由计算机产生的真实感和非真实感图形等。2/2/20237图形的基本概念抽象图形的本质可以概括地说： 图形=图元+属性2/2/20238图形的基本概念简单来说，计算机图形学是指用计算机产生对象图形的输出的技术。确切地说，计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。它综合了应用数学、计算机科学等多方面的知识。2/2/20239图形的基本概念计算机生成图形的过程：对象→模型→图形本质上，计算机图形学研究两个问题：如何在计算机中“建模（表示）”和“显示（绘制）”出多彩的客观世界：（1）建模（表示）：建立对象的模型，即对该对象作出所需的正确的信息描述。通俗地讲，是如何将客观世界（几何）“放到”计算机中去——几何建模；（2）显示（绘制）：利用计算机对这个模型进行各种必要的处理，从无到有地产生出能正确反映对象的某种性质的图形输出。通俗地讲，是如何将计算机中抽象的“几何”用一种形象的（静态或动态的图形，含图像）方式表现出来——几何的视觉实现。2/2/202310计算机图形学定义对象点线（直线、曲线）面（平面、曲面）体（多面体、曲面体）图形点：几何（坐标）属性：可见性、颜色（亮度、色调、色饱和度）等模型基本几何点、线、圆/圆弧拓扑信息数据结构建模绘制2/2/202311计算机图形学定义瑞士计算机科学家Wirth在1976年对“程序”给出了如下定义： 算法+数据结构=程序。对计算机图形学给出如下定义： 计算机图形学=几何+绘制2/2/202312构成图形的要素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、纹理等2/2/202313点阵表示枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成)简称为图像（数字图像）参数表示由图形的形状参数(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)来表示图形简称为图形：计算机中表示图形的方法2/2/202314从处理技术上来看，图形主要分为两类，基于线条信息表示的，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，明暗图(Shanding)，也就是通常所说的真实感图形。计算机中表示图形的方法2/2/202315计算机图形学的总体架构2/2/202316计算机图形学的总体架构数学基础（Math.Fuandemental），主要是向量与几何变换，如几何建模时的三维空间变换，绘制时的三维到二维的投影变换和二维空间的窗口和视图变换等。几何（Geometry），三维及二维空间的各种几何模型。可以是解析式表达的简单形体，或是隐函数表达的复杂曲线、曲面，也可以是面片表达的任意几何体等等。2/2/202317计算机图形学的总体架构绘制（Rendering），几何的视觉实现（决定几何的属性）过程。计算机图形学典型的反走样、光照、纹理等理论和算法均可被认为是对几何的绘制处理。交互技术（Interaction），交互技术提供图形通讯手段，成为人机交互的主要工具。2/2/202318与相关学科的关系图像处理(ImageProcessing)模式识别(PatternRecognition)计算几何(ComputationalGeometry)交互式计算机图形学(InteractiveComputerGraphics)2/2/202319与相关学科的关系图像处理是指用计算机来改善图像质量的数字技术。

图像处理是指用计算机对图像进行处理，以使其适应于某种特殊的需求的数字技术。如CT扫描、X射线探伤等。

2/2/202320与相关学科的关系图像处理：研究对象为数字图像对一幅连续图像采样、量化以产生数字图像，对数字图像做各种变换以方便处理，如何滤去图像中无用的噪声，如何压缩图像数据以便存储和传输，如何提取图像的物体边缘，如何增强图像的某些特征等。2/2/202321与相关学科的关系模式识别是指用计算机对输入图形进行识别的技术。

模式识别：是分析和识别输入的数字图像并从中提取二维或三维的数据模型（特征）的技术，如手写汉字识别。2/2/202322与相关学科的关系计算几何学是研究几何模型和数据处理的学科。

计算几何：研究几何形体在计算机内的表示、分析和综合。包括曲线曲面的表示、生成、拼接和造型，三维立体造型，散乱数据插值，计算复杂性等。2/2/202323与相关学科的关系交互式计算机图形学：指用计算机交互式地产生图形的技术。交互式绘图允许操作人员以对话方式控制和操纵图形的生成。图形可以边生成，边显示，边修改，直到产生符合使用要求的图形为止。交互式绘图可以使人的逻辑思维能力、分析能力和计算机准确快速的计算能力结合起来，从而发挥更大的威力，使人们运用起来更加方便。2/2/202324与相关学科的关系2/2/202325数字图像数据模型图像生成（计算机图形学）模型（特征）提取（计算机视觉，模式识别）模型变换（计算几何）图像变换（图像处理）发展特点:交叉、界线模糊、相互渗透与相关学科的关系2/2/202326第二节计算机图形学的起源历史追溯硬件发展图形显示器的发展图形输入设备的发展图形软件及软件标准的发展2/2/20232750年代1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院(MIT)旋风I号(WhirlwindI)计算机的附件诞生了。该显示器用一个类似于示波器的阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形，主要用于图形输出，没有交互功能。历史追溯2/2/202328NAME

WhirlwindMANUFACTURER

MITTYPE

ProfessionalComputerORIGIN

U.S.A.YEAR

April

1951END

OF

PRODUCTION

1953BUILT

IN

LANGUAGE

NoneKEYBOARD

Flexowritertypewriting/wordprocessingunitCPU

VacuumtubesSPEED

20KIPSinitially,increasedto40KIPSwithcorememoryCO-PROCESSOR

NoneRAM

2K16-bitwords(Williams-KilburnstorageCRTinitially,core,1953)VRAM

NoneROM

BootloaderontogglepanelTEXT

MODES

NoneGRAPHIC

MODES

256x256COLORS

MonochromeSOUND

YesSIZE

/

WEIGHT

Twostories/SeveraltonsI/O

PORTS

NoneBUILT

IN

MEDIA

TapeOS

NonePOWER

SUPPLY

1MWPERIPHERALS

NonePRICE

$708,9092/2/20232950年代1958年美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床发展成为平板式绘图仪。历史追溯2/2/20233050年代在整个50年代，只有电子管计算机，用机器语言编程，主要应用于科学计算，为这些计算机配置的图形设备仅具有输出功能。计算机图形学处于准备和酝酿时期，并称之为：“被动式”图形学。

历史追溯2/2/20233150年代到50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御体系，第一次使用了具有指挥和控制功能的CRT显示器，操作者可以用笔在屏幕上指出被确定的目标。与此同时，类似的技术在设计和生产过程中也陆续得到了应用，它预示着交互式计算机图形学的诞生。历史追溯2/2/202332历史追溯60年代1963年，MIT林肯实验室的IvanE.Sutherland发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文，他在论文中首次使用了计算机图形学“ComputerGraphics”这个术语，证明了交互计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位，他也被人们称为“图形学之父”。他在论文中所提出的一些基本概念和技术，如交互技术、分层存储符号的数据结构等至今还在广为应用。

2/2/202333第二节计算机图形学的起源2/2/202334历史追溯60年代1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了被后人称为超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。同在60年代早期，法国雷诺汽车公司的工程师PierreBézier发展了一套被后人称为Bézier曲线、曲面的理论，成功地用于几何外形设计，并开发了用于汽车外形设计的UNISURF系统。Coons方法和Bézier方法是CAGD最早的开创性工作。2/2/202335历史追溯60年代值得一提的是，计算机图形学的最高奖是以Coons的名字命名的，而获得第一届（1983）和第二届(1985)StevenA.Coons奖的，恰好是IvanE.Sutherland和PierreBézier，这也算是计算机图形学的一段佳话。2/2/202336历史追溯60年代60年代，CAD/CAM在计算机、汽车以及航空工业领域被发展起来，出现了例如美国通用汽车公司的辅助汽车设计的实用CAD系统，但总的说，由于图形硬件设备非常昂贵，实用技术也少，图形学还是一个很小的专业化学科。2/2/202337历史追溯70年代70年代是计算机图形学发展过程中一个重要的历史时期。由于光栅显示器的产生，在60年代就已萌芽的光栅图形学算法，迅速发展起来，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，图形学进入了第一个兴盛的时期。由于大规模集成电路技术的快速发展，计算机硬件性能不断提高，体积缩小，价格降低，特别是廉价的图形输入输出和大容量存储介质的出现，使得以小型机为基础的图形系统进入市场并成为主流。2/2/202338历史追溯70年代图形软件标准化1974年，ACMSIGGRAPH的“与机器无关的图形技术”的工作会议ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统”（CoreGraphicsSystem）ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS2/2/202339真实感图形学1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被称为Gourand明暗处理1975年，Phong提出了著名的简单光照模型-Phong模型实体造型技术英国剑桥大学CAD小组的Build系统美国罗彻斯特大学的PADL-1系统历史追溯2/2/20234080年代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历史追溯2/2/20234190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历史追溯2/2/202342ACMSIGGRAPH会议全称“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”60年代中期，由Brown大学的教授AndriesvanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa发起1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH年会，并取得了巨大的成功每年只录取大约50篇论文图形学有关学术会议的发展2/2/202343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，普及受到限制。60年代后期：存储管式显示器不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修改图形功能，不适合交互式。硬件发展2/2/20234470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。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。硬件发展2/2/202345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），第五阶段：用户的手势、表情等等硬件发展2/2/2023462/2/202347第三节计算机图形学的应用及发展动向计算机图形学的主要应用领域1.计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)2.可视化3.图形实时绘制与自然景物仿真4.计算机动画5.用户接口6.计算机艺术2/2/202348计算机辅助设计与制造(CAD/CAM) 计算机图形学被用来进行土建工程、机械结构和产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局以及电子线路、电子器件等。有时，着眼于产生工程和产品相应结构的精确图形，然而更常用的是对所设计的系统、产品和工程的相关图形进行人-机交互设计和修改，经过反复的迭代设计，便可利用结果数据输出零件表、材料单、加工流程和工艺卡，或者数据加工代码的指令。应用领域：飞机、轮船、汽车外形，大规模集成电路，建筑，服装，玩具优点：设计周期短，成本低，质量高2/2/202349可视化科学计算可视化：将数据用图形的形式表示出来，找到数据的变化规律和发展趋势，提取最本质的特征。目标：用图形表现抽象的数据应用领域：医学，遥感，流场等等2/2/202350可视化1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化（VisualizationinScientificComputing）”。第二年，美国计算机成像专业委员会向NSF提交了“科学计算可视化的研究报告”后，VISC就迅速发展起来了。目前科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中。2/2/202351图形实时绘制与自然景物仿真在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、遮挡关系等等。这其中光照和表面属性是最难模拟的。实时的真实感绘制已经成为当前真实感绘制的研究热点，而当前真实感图形实时绘制的两个热点问题则是物体网格模型的面片简化和基于图像的绘制（IBRImageBasedRendering）。2/2/202352计算机动画计算机动画是是通过使用计算机制作动画的艺术。它是计算机图形学和动画的子领域。计算机动画生成一幅幅静态的图像，但是每一幅都是对前一幅做一小部分修改（如何修改便是计算机动画的研究内容），这样，当这些画面连续播放时，整个场景就动起来了。电影，广告设计，电脑游戏也频频运用计算机动画。计算机动画也因这些商业应用的大力推动而有了极大的发展。2/2/202353计算机动画早期的计算机动画，在生成几幅被称做“关键帧”的画面后，由计算机对两幅关键帧进行插值生成若干“中间帧”，连续播放时两个关键帧就被有机地结合起来了。近年来人们普遍将注意力转向基于物理模型的计算机动画生成方法。该方法大量运用弹性力学和流体力学的方程进行计算，力求使动画过程体现出最适合真实世界的运动规律2/2/202354用户接口用户接口是介于使用者与硬件而设计彼此之间互动沟通相关软件，目的在使得使用者能够方便有效率地去操作硬件以达成双向之互动，完成所希望借助硬件完成之工作，用户接口包含了人机交互与图形用户接口，凡参与人类与机械的信息交流的领域都存在着用户接口。2/2/202355用户接口用户接口是人们使用计算机的第一观感。一个友好的图形化的用户界面能够大大提高软件的易用性。在任何一台普通计算机上都可以看到图形学在用户接口方面的应用。操作系统和应用软件中的图形、动画比比皆是，程序直观易用。很多软件几乎可以不看任何说明书，而根据它的图形、或动画界面的指示进行操作。目前几个大的软件公司都在研究下一代用户界面，开发面向主流应用的自然、高效多通道的用户界面。图形学在其中起主导作用。2/2/202356计算机艺术

在真实感图形学发展的同时，模拟艺术效果的非真实感绘制（NPRNon-PhotorealisticRendering）也在逐渐发展。优点：提供多种风格的画笔画刷提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图像进行雾化，变形等操作可以任意修改，取消败笔不足：无法达到传统绘画中风格化的艺术效果很难得到有素描效果、油画效果的艺术品2/2/202357图形学主要研究内容1、图形的生成和表示技术。图形基元的显示消隐算法真实感图形的绘制2、图形的操作与处理方法。图形变换图形运算2/2/202358图形学主要研究内容3、图形输出设备与输出技术的研究。图形显示器及其技术的研究图形显示卡及其技术的研究4、图形输入设备、交互技术及用户接口技术的研究。图形输入设备及其技术的研究图形用户界面的基本元素和交互对话技术的研究2/2/202359图形学主要研究内容5、图形信息的数据结构及存储、检索方法。图形信息的各种机内表示方法，组织形式，存取技术。图形数据库的管理。图形信息的通讯。2/2/202360图形学主要研究内容6、几何模型构造技术。刻画被处理对象几何性质的描述信息就构成它的几何模型。研究几何模型的构造方法及性能分析等。7、动画技术。研究实现高速动画生成的各种软硬件方法、开发工具、动画语言等。2/2/202361基于物理模型的计算机动画生成方法2/2/202362图形学主要研究内容8、图形软硬件的系列化、模块化和标准化的研究当前主要有两种图形APIJava的集成方法，图形与用户界面工具包被集成在一起。优点：可移植性高，完全标准化，作为语言的一部分得到支持。2/2/202363图形学主要研究内容8、图形软硬件的系列化、模块化和标准化的研究当前主要有两种图形APIDirect3D和OpenGL，绘图命令是软件库的一部分，软件库与某种语言分离，而用户界面软件是独立的实体，一般随系统不同而不同。调用时，软件库与某种语言（如C++）绑定。优点：软件库独立性好，开发平台灵活，绘图效率高。缺点：不易编写可移植代码。2/2/202364图形学主要研究内容9、科学计算的可视化指应用计算机图形生成技术，将科学及工程计算的结果以及测量数据等，以图形的形式在计算机屏幕上显示出来，使人们能观察到用常规手段难以观察到的自然现象和规律，实现计算环境和工具进一步现代化。2/2/202365科学计算可视化AirflowinsideaThunderStrom

(BobWilhelmson,Univ.ofIllinois

atUrbana-Champaign)2/2/202366第四节图形系统的硬件 计算机图形系统：计算机显示处理器(DPU)目前已被图形处理器替代(GPU)图形显示器输入设备硬拷贝设备2/2/202367CPU的图形处理软件模拟，在CPU端完成执行串行工作，不适合图形渲染的并行处理大部分晶体管主要用于构建控制电路（如分支预测）和Cache(缓存)，只有少部分的晶体管来完成实际的运算工作，速度上无法达到实时图形绘制要求实时生成的三维图像很粗糙技术进步正在慢于摩尔定律

2/2/202368GPU的图形处理GPU的控制相对简单，对Cache的需求小，大部分晶体管可以组成各类专用电路、多条流水线。处理浮点运算的能力强。技术进步速度超过摩尔定律，每6个月其性能加倍。。2/2/202369GPU的图形处理GPU与CPU浮点处理能力对比2/2/202370GPU的图形处理第一代GPU(1995年)：硬件实现深度缓冲区(z-buffer)和纹理映射(texturemapping)。z-buffer利用象素的深度决定遮挡关系，从而消除隐藏面；利用纹理映射功能则可以十分逼真地表达物体表面细节。在GPU上执行的图形操作被称为硬件加速。3D图形实时渲染(主要指游戏)的速度、画质取得了一个飞跃。2/2/202371GPU的图形处理第二代GPU(1999年)：包括了硬件级的图形几何变换与光照计算(transformandlighting简称T&L或TnL)。而在此之前T&L都是由CPU完成的。解决了系统的瓶颈，减轻了CPU的负荷，速度明显提高。2/2/202372GPU的图形处理第三代GPU：2001年，引入了可编程vertexshader(顶点着色器)单元。紧接着在2002年，可编程pixelshader(像素着色器)单元也加入了GPU。在绘制时，GPU接收CPU以图元顶点形式发送的几何数据。由顶点着色器进行处理，完成几何变换与顶点属性计算等功能。三维空间的图元由一个固定功能的光栅生成器转换为二维屏幕上的像素，每个像素的最终颜色值都通过在像素着色器上的小程序运算而得。2/2/202373图形流水线用户程序几何处理阶段像素处理阶段图元二维屏幕坐标用户程序几何处理阶段像素处理阶段图元二维屏幕坐标顶点着色器像素着色器图形流水线基本运算是把三维顶点位置映射到二维屏幕位置，并对三角形进行明暗处理，使其看起来比较真实且按适当的前后层次显示。2/2/2023742.CRT显示器工作方式(1)随机扫描方式(画线显示器,矢量显示器)(2)光栅扫描方式

随机扫描光栅扫描光栅扫描2/2/202375随机扫描方式随机扫描又称为矢量扫描或轨迹扫描。随机扫描显示器又成为画线显示器。随机扫描方式：通过画出一系列线段来画出图形。CRT的电子束沿箭头指出的路线点亮各线段，就显示出一个多边形的轮廓。优点：画线速度快，产生图形分辨率高，缺点：难以产生具有多种灰度、色调能连续变化的图形。2/2/202376光栅扫描方式光栅扫描又称为电视扫描。光栅扫描方式：CRT的电子束从屏的左上角开始由左向右进行正向扫描，当扫到最右位置时迅速回到最左边位置。电子束同时还进行自上而下的扫描，所以行扫描线略向下倾斜，回扫后电子束到达下一行的左边位置。当电子束如此逐行扫描到达屏面右下角时，即完成整个屏幕的扫描。优点：能产生相当逼真的图形显示，已经成为当前最重要的显示方式。

2/2/202377电子束扫描过程示意图2/2/202378基本概念（性能指标）像素：在光栅扫描图形显示器中，屏幕上可以点亮或熄灭的最小单位。分辨率：显示屏上像素的总数，分辨率=每行的像素数×行数分辨率越大，像素的总数越多，画面的质量也就越好，与此同时必须在单位时间内完成对图形的多帧的显示，以使得图形不闪烁，因而分辨率的大小对刷新速度有着直接的影响。2/2/202379基本概念（性能指标）亮度等级或称灰度等级数目：是指单色显示器像素的亮度可以有多少种不同的变化。彩色显示器的颜色数目分成两个指标，显示器可以显示所有不同的颜色的总数；同一帧画面允许显示的不同颜色数目。2/2/202380帧存储器帧存储器：二维矩阵存储屏幕上每个象素对应的颜色或亮度值。矩阵第i行j列的元素值，决定显示屏第i行j列位置上像素的颜色或亮度。2/2/202381帧存储器帧存大小=分辨率×单元字节=每行像素数×行数×单元字节如果像素有256颜色，则帧存储器的每一单元至少应为8个bit，对于分辨率为1024×768的显示器，帧存储器的大小：帧存大小=1024×768×1(byte)≈1M(byte)若为真彩色帧存大小=1024×768×3(byte)≈3M(byte)2/2/202382颜色系统RGB（红、绿、蓝）、颜色查询表（colorlookuptable）、CMY（青、品红、黄）、HSV（色彩、饱和度、亮度）2/2/202383x地址和y地址计数器图形显示时，光栅扫描发生器中的x地址和y地址计数器不断计数。数值通过光栅扫描电路使CRT电子束产生扫描偏转，作为地址值读出帧存储器中的内容以控制显示屏上对应像素的颜色或亮度。2/2/202384第五节计算机图形标准计算机图形的标准包括图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准，是数据及文件格式标准。供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准，是子程序界面标准。

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