计算机图形学第一章基本知识.ppt

1、计算机图形学Computer Graphics,郑州大学信息工程学院 李春雨,课程内容,包括理论篇和实践篇两部分。 第一篇 计算机图形学理论 第一章 计算机图形学基本知识 第二章 基本图形的生成与计算 第三章 图形变换 第四章 计算机图形标准 第五章 三维形体的表示 第六章 真实感图形显示,课程内容,第二篇 实用图形编程技术 第八章 基于MFC的图形编程基础 第九章 基于MFC的交互绘图 第十章 OpenGL基础知识和实验框架的建立 第十一章 OpenGL的基本图形 第十二章 OpenGL的组合图形及光照和贴图 第十三章 摄像漫游与OpenGL的坐标变换,教材特点,理论篇内容充实、结构合理、去

2、繁就简、论述清楚。 实践篇内容新颖、深入浅出，通俗易懂，使读者在理解掌握计算机图形学理论的同时，对面向对象的编程方法及VC+语言也有一个全面的实践与提高，一举多得 。,学习指导,注重实践 实践内容包括两部分： 使用、观摩一些典型的图形软件，如AutoCAD、3DMAX，增加感性认识。 努力完成本书第二篇的程序编制任务，对计算机专业的学生来说应该具有图形编程的能力，同时对理论篇的学习也是一个促进。,成绩计算方法,期末考试占70% 实验成绩占20% 作业成绩占10%,第一章 计算机图形学的基本知识,学习目标：了解计算机图形学的处理对象、计算机图形学的发展简史、它的实际应用和最新发展方向。 重点难点

3、：图形、图像的区别，实际应用 学习指南：要充分理解图形图像的区别，观摩典型的图形软件、图像处理软件。,1.1 概述,Computer Graphics 国际标准化组织（ISO）定义为：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。 它是建立在传统的图学理论、应用数学及计算机科学基础上的一门边缘学科。,1.1.1计算机图形学的概念,1.1.2 计算机图形学的研究内容,(1) 基于图形设备的基本图形元素的生成算法，如用光栅图形显示器生成直线、圆弧、二次曲线、封闭边界内的图案填充等。 (2) 图形元素的几何变换，即对图形的平移、放大、缩小、旋转、镜像等

4、操作。 (3) 自由曲线和曲面的插值、拟合、拼接、分解、过渡、光顺、整体和局部修改等。,有关图形的算法：,(4) 三维几何造型技术。 (5) 三维形体的实时显示。 (6) 真实感图形的生成算法。 (7) 山、水、花、草、烟云等模糊景物的模拟生成和虚拟现实环境的生成及其控制算法等。 (8) 科学计算可视化和三维或高维数据场的可视化。,1.1.2 计算机图形学的研究内容,1.1.2 计算机图形学的研究内容,有关图形设备的研究：输入、显示、拷贝。 彩色、大尺寸、高精度、高速度、低成本 有关图形支撑环境的研究：标准化。 硬件：即插即用，良好的互换性 软件：接口标准，功能集定义，与设备无关，加速算法标准

5、化 总结，研究内容包括三方面：算法、软件、硬件。,1.1.3 图形学与图像处理,一、计算机图形学：用计算机生成、处理和显示的矢量图。利用计算机对几何数据和几何模型进行处理、存储、显示并修改、完善后形成的图形。 二、图像处理：将物体的影像处理成数字化图像的技术。 三、模式识别：对所输入的图像进行分析和识别，找出其中蕴涵的内在联系或抽象模型。,图形学与图像处理的区别,1.1.3 图形学与图像处理二,由于多媒体技术 、光栅式显示器 计算机生成的图形与扫描输入的图像结合起来，构造计算机动画 由一幅透视图像中提取出对称物体的三维模型并进行修改 计算机图形学与图像处理相结合，加速了这两个相关领域的发展。,

6、计算机图形学与计算机图像处理、模式识别的关系,计算机处理图像信息的三大学科： Computer Image Processing (IP) Pattern Recognition (PR) Computer Graphics (CG) 共同特征： 辅助或代替人脑进行工作和决策,1.2 计算机图形学的发展历史,计算机图形学的发展动向之一 造型技术的发展,构造几何模型的理论、方法和技术 ，是计算机辅助设计的核心技术之一，非均匀有理B样条，规则形体造型和不规则形体造型 特征造型技术 ，它将特征作为产品描述的基本单元，并将产品描述成特征的集合 基于物理的造型技术 。模型及模型间的关系相当复杂，不仅有静

7、态的、而且有动态的 ，模型就可以由物体的运动规律自动产生,造型技术的发展,不规则形体是不能用欧氏几何加以定义的，例如、山、水、树、草、云、烟、火以及自然界中丰富多彩的物体 造型大多采用过程式模拟，即用一个简单的模型及少量的易于调用的参数来表示一大类物体 也称为数据放大技术,真实图形生成技术的发展,逼真地显示出该物体在现实世界中所观察到的形象，就需要采用适当的光照模型，尽可能准确地模拟物体在现实世界中受到各种光源照射时的效果 局部光照模型模拟漫反射和镜面反射，而将许多没有考虑到的因素用一个环境光来表示。 光线跟踪方法和辐射度方法为代表的全局光照模型，使得图像的逼真程度大为提高,人-机交互技术的发

8、展,高质量的用户接口的设计目标应该是：易于学习、易于使用、出错率低、易于回忆起如何重新使用这一系统并对用户有较强的吸引力 虚拟环境是指完全由计算机产生的环境，可是却具有与真实物体同样的外表、行为和交互方式 在三维空间实现人机交互一直是计算机图形技术的一个研究热点,1.3 计算机图形学的应用,(1)计算机用户接口 人机交互界面,窗口,菜单,图标,目前流行的图形界面,计算机辅助设计 CAD,奥迪效果图和线框图,机械造型与设计,计算机辅助设计 CAD,管理、科学技术,绘制数学、物理以及经济函数的二维及三维图形：直方图、线条图、扇形图、进程图. 特点：简洁、直观 数据的模型和趋势。,地理信息系统、数字

9、化地球,以高精度的地理或其他自然现象的图形 纸或胶片上。包括地图、地质图、油层图、海图、气象、人口密度图.,地理信息系统中的图形,过程控制,利用交互式图形生成技术形成的人机交互系统，实现人与控制或管理对象之间的相互作用。如工厂中的设备、工序控制，机场与铁路的调度等。,模 拟,云雾、烟、树等特殊景物 固定环境的景色,计算机生成的树木,真实感的树木,艺术化的树木,计算机模拟的自然风景,电脑游戏场景,电脑动画场景,办公自动化,在办公室中，用图形方式显示并交换文件、报表、图例和其它信息，并在输出设备上输出、保存起来。,艺术和教育：,教学活动,蝉（线框图）,计算机艺术作品,图形与图像结合，可视化技术的应

10、用为准确的诊断、治疗提供了形象直观的手段，极大地促进了临床医学的发展！ 医学成像：超声、CT、MRI等，图像的测量，标注，3D显示等 生理信号的可视化：脑电地形图，体表电位像，红外热像 生理系统模拟：心脏搏动模拟，手术模拟，结合物理建模,生物医学工程中的应用,脑外科手术导航,人工关节置换的图形模拟,骨科手术导航系统的实时显示,1.4 计算机图形系统,1.4.1 典型图形系统的组成,外设,计算机 应用程序 图形软件 操作系统,图形输入设备,图形输出设备,终端 （可能不只一个）,人,软 件,1.4.2 图形系统的分类,按硬件规模、软件丰富程度、价格高低分 1. 大型机为基础的图形系统：大容量存储器

11、、极强的计算能力、大量的显示终端、高精度大幅面硬拷贝设备，自行开发的、功能齐全的软件系统。 2. 工程工作站为基础的图形系统：高速的计算能力，丰富的图形处理、灵活的窗口和网络管理功能。一个用户一台计算机。第三方商品化软件。 3. 以微型机为基础的图形系统：价格低廉，微机性能大幅提高，内存外存CPU速度已超过以前的工作站，绘图仪，打印机等性能大幅提高，满足图形系统要求。软件丰富，有许多商品化软件。,1.4.3 显示器,加速系统,聚焦系统,偏转系统,荧光粉涂层,按工作原理分为：1、阴极射线管(CRT),2、 等离子屏幕显示器,由一个细小氖泡矩阵组成，由于氖泡有两种状态：开启(点燃)、关闭(熄灭)，

12、且状态可保持。分为 1）前层：垂直导线 2）中层：细小氖泡 3）后层：水平导线,水平网格线 （Y向地址）,玻璃极板单元,垂直网格线 （X向地址）,观察方向,3、 液晶显示器（LCD）,液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)是由六层薄板组成的平板式显示器,按扫描方式分为：1、随机扫描的显示系统,特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。 逻辑部件：刷新存储器(Refreshing Buffer),显示处理器（DPU:Display Processing Uuit）和CRT,2、光栅扫描显示器,几个概念,象素 整个屏幕被扫描线分成 n 行，每行有 m 个点，每个点

13、为一个象素。整个屏幕有 m n 个象素。 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 。 分辨率的单位是：dpi (dot per inch),但各种设备有其通俗用法。 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。,单个存储位面的单色光柵扫描图形的工作原理： 采用帧存储器映射到屏幕，逐点对应。,移位 寄存器,DAC,扫描电路,帧存,屏幕,亮/暗,彩色光栅扫描显示原理,光栅扫描显示器的点距,三存储位面彩色光柵扫描显示器的工作原理,DAC,扫描电路,帧存,屏幕,DAC,DAC,0,1,0,彩色显示8种颜色,24位面的彩色光柵扫描显示器

14、的工作原理,三种原色的组合是(28)3=224种颜色。,光栅扫描显示器的优缺点,缺点：扫描转换费时。 优点：可控制亮度与颜色，显示真实感图形。 价格低廉。 目前的显示器均为光栅扫描显示器,图形显示处理器 (加速引擎),任务：进行扫描转换： 将应用程序给出的图形定义数字化为一组像素强度值，并放到帧缓存器 需要扫描转换的内容： 基本图形 字符 填充,1、通用编程软件包： 提供各种图形功能集（函数库）， 并可用高级语言扩展，可解决设备的控制问题。如GL， PHIGS，PHIGS PLUS， GKS，GKS-3D，GIL等，近年来在PC和网络上Open GL 和 VRML得到广泛应用。 GL： Graphic Library; VRML： Virtual Reality Modeling Language GKS: Graphical Kernel System；,1.4.4 图形软件系统,图形软件系统,2、专用应用软件包： 各种CAD，各种绘图软件，医学商业软件，通常具有开发接口。微机上图形应用软件代表性的产品有： AutoCAD CorelD