1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)Computer Graphics,鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院 李春雨,課程內(nèi)容,包括理論篇和實(shí)踐篇兩部分。 第一篇 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論 第一章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本知識(shí) 第二章 基本圖形的生成與計(jì)算 第三章 圖形變換 第四章 計(jì)算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn) 第五章 三維形體的表示 第六章 真實(shí)感圖形顯示,課程內(nèi)容,第二篇 實(shí)用圖形編程技術(shù) 第八章 基于MFC的圖形編程基礎(chǔ) 第九章 基于MFC的交互繪圖 第十章 OpenGL基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)框架的建立 第十一章 OpenGL的基本圖形 第十二章 OpenGL的組合圖形及光照和貼圖 第十三章 攝像漫游與OpenGL的坐標(biāo)變換,教材特點(diǎn),理論篇內(nèi)容充實(shí)、結(jié)構(gòu)合理、去

2、繁就簡(jiǎn)、論述清楚。 實(shí)踐篇內(nèi)容新穎、深入淺出，通俗易懂，使讀者在理解掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論的同時(shí)，對(duì)面向?qū)ο蟮木幊谭椒癡C+語(yǔ)言也有一個(gè)全面的實(shí)踐與提高，一舉多得 。,學(xué)習(xí)指導(dǎo),注重實(shí)踐 實(shí)踐內(nèi)容包括兩部分： 使用、觀摩一些典型的圖形軟件，如AutoCAD、3DMAX，增加感性認(rèn)識(shí)。 努力完成本書(shū)第二篇的程序編制任務(wù)，對(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)應(yīng)該具有圖形編程的能力，同時(shí)對(duì)理論篇的學(xué)習(xí)也是一個(gè)促進(jìn)。,成績(jī)計(jì)算方法,期末考試占70% 實(shí)驗(yàn)成績(jī)占20% 作業(yè)成績(jī)占10%,第一章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本知識(shí),學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的處理對(duì)象、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史、它的實(shí)際應(yīng)用和最新發(fā)展方向。 重點(diǎn)難點(diǎn)

3、：圖形、圖像的區(qū)別，實(shí)際應(yīng)用 學(xué)習(xí)指南：要充分理解圖形圖像的區(qū)別，觀摩典型的圖形軟件、圖像處理軟件。,1.1 概述,Computer Graphics 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）定義為：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究通過(guò)計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專(zhuān)門(mén)顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科。 它是建立在傳統(tǒng)的圖學(xué)理論、應(yīng)用數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)上的一門(mén)邊緣學(xué)科。,1.1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的概念,1.1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容,(1) 基于圖形設(shè)備的基本圖形元素的生成算法，如用光柵圖形顯示器生成直線、圓弧、二次曲線、封閉邊界內(nèi)的圖案填充等。 (2) 圖形元素的幾何變換，即對(duì)圖形的平移、放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、鏡像等

4、操作。 (3) 自由曲線和曲面的插值、擬合、拼接、分解、過(guò)渡、光順、整體和局部修改等。,有關(guān)圖形的算法：,(4) 三維幾何造型技術(shù)。 (5) 三維形體的實(shí)時(shí)顯示。 (6) 真實(shí)感圖形的生成算法。 (7) 山、水、花、草、煙云等模糊景物的模擬生成和虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的生成及其控制算法等。 (8) 科學(xué)計(jì)算可視化和三維或高維數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化。,1.1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容,1.1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容,有關(guān)圖形設(shè)備的研究：輸入、顯示、拷貝。 彩色、大尺寸、高精度、高速度、低成本 有關(guān)圖形支撐環(huán)境的研究：標(biāo)準(zhǔn)化。 硬件：即插即用，良好的互換性 軟件：接口標(biāo)準(zhǔn)，功能集定義，與設(shè)備無(wú)關(guān)，加速算法標(biāo)準(zhǔn)

5、化 總結(jié)，研究?jī)?nèi)容包括三方面：算法、軟件、硬件。,1.1.3 圖形學(xué)與圖像處理,一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)：用計(jì)算機(jī)生成、處理和顯示的矢量圖。利用計(jì)算機(jī)對(duì)幾何數(shù)據(jù)和幾何模型進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、顯示并修改、完善后形成的圖形。 二、圖像處理：將物體的影像處理成數(shù)字化圖像的技術(shù)。 三、模式識(shí)別：對(duì)所輸入的圖像進(jìn)行分析和識(shí)別，找出其中蘊(yùn)涵的內(nèi)在聯(lián)系或抽象模型。,圖形學(xué)與圖像處理的區(qū)別,1.1.3 圖形學(xué)與圖像處理二,由于多媒體技術(shù) 、光柵式顯示器 計(jì)算機(jī)生成的圖形與掃描輸入的圖像結(jié)合起來(lái)，構(gòu)造計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà) 由一幅透視圖像中提取出對(duì)稱(chēng)物體的三維模型并進(jìn)行修改 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖像處理相結(jié)合，加速了這兩個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。,

6、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)圖像處理、模式識(shí)別的關(guān)系,計(jì)算機(jī)處理圖像信息的三大學(xué)科： Computer Image Processing (IP) Pattern Recognition (PR) Computer Graphics (CG) 共同特征： 輔助或代替人腦進(jìn)行工作和決策,1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展動(dòng)向之一 造型技術(shù)的發(fā)展,構(gòu)造幾何模型的理論、方法和技術(shù) ，是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的核心技術(shù)之一，非均勻有理B樣條，規(guī)則形體造型和不規(guī)則形體造型 特征造型技術(shù) ，它將特征作為產(chǎn)品描述的基本單元，并將產(chǎn)品描述成特征的集合 基于物理的造型技術(shù) 。模型及模型間的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，不僅有靜

7、態(tài)的、而且有動(dòng)態(tài)的 ，模型就可以由物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律自動(dòng)產(chǎn)生,造型技術(shù)的發(fā)展,不規(guī)則形體是不能用歐氏幾何加以定義的，例如、山、水、樹(shù)、草、云、煙、火以及自然界中豐富多彩的物體 造型大多采用過(guò)程式模擬，即用一個(gè)簡(jiǎn)單的模型及少量的易于調(diào)用的參數(shù)來(lái)表示一大類(lèi)物體 也稱(chēng)為數(shù)據(jù)放大技術(shù),真實(shí)圖形生成技術(shù)的發(fā)展,逼真地顯示出該物體在現(xiàn)實(shí)世界中所觀察到的形象，就需要采用適當(dāng)?shù)墓庹漳Ｐ?，盡可能準(zhǔn)確地模擬物體在現(xiàn)實(shí)世界中受到各種光源照射時(shí)的效果 局部光照模型模擬漫反射和鏡面反射，而將許多沒(méi)有考慮到的因素用一個(gè)環(huán)境光來(lái)表示。 光線跟蹤方法和輻射度方法為代表的全局光照模型，使得圖像的逼真程度大為提高,人-機(jī)交互技術(shù)的發(fā)

8、展,高質(zhì)量的用戶(hù)接口的設(shè)計(jì)目標(biāo)應(yīng)該是：易于學(xué)習(xí)、易于使用、出錯(cuò)率低、易于回憶起如何重新使用這一系統(tǒng)并對(duì)用戶(hù)有較強(qiáng)的吸引力 虛擬環(huán)境是指完全由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的環(huán)境，可是卻具有與真實(shí)物體同樣的外表、行為和交互方式 在三維空間實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互一直是計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn),1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用,(1)計(jì)算機(jī)用戶(hù)接口 人機(jī)交互界面,窗口,菜單,圖標(biāo),目前流行的圖形界面,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD,奧迪效果圖和線框圖,機(jī)械造型與設(shè)計(jì),計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD,管理、科學(xué)技術(shù),繪制數(shù)學(xué)、物理以及經(jīng)濟(jì)函數(shù)的二維及三維圖形：直方圖、線條圖、扇形圖、進(jìn)程圖. 特點(diǎn)：簡(jiǎn)潔、直觀 數(shù)據(jù)的模型和趨勢(shì)。,地理信息系統(tǒng)、數(shù)字

9、化地球,以高精度的地理或其他自然現(xiàn)象的圖形 紙或膠片上。包括地圖、地質(zhì)圖、油層圖、海圖、氣象、人口密度圖.,地理信息系統(tǒng)中的圖形,過(guò)程控制,利用交互式圖形生成技術(shù)形成的人機(jī)交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人與控制或管理對(duì)象之間的相互作用。如工廠中的設(shè)備、工序控制，機(jī)場(chǎng)與鐵路的調(diào)度等。,模 擬,云霧、煙、樹(shù)等特殊景物 固定環(huán)境的景色,計(jì)算機(jī)生成的樹(shù)木,真實(shí)感的樹(shù)木,藝術(shù)化的樹(shù)木,計(jì)算機(jī)模擬的自然風(fēng)景,電腦游戲場(chǎng)景,電腦動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景,辦公自動(dòng)化,在辦公室中，用圖形方式顯示并交換文件、報(bào)表、圖例和其它信息，并在輸出設(shè)備上輸出、保存起來(lái)。,藝術(shù)和教育：,教學(xué)活動(dòng),蟬（線框圖）,計(jì)算機(jī)藝術(shù)作品,圖形與圖像結(jié)合，可視化技術(shù)的應(yīng)

10、用為準(zhǔn)確的診斷、治療提供了形象直觀的手段，極大地促進(jìn)了臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展！ 醫(yī)學(xué)成像：超聲、CT、MRI等，圖像的測(cè)量，標(biāo)注，3D顯示等 生理信號(hào)的可視化：腦電地形圖，體表電位像，紅外熱像 生理系統(tǒng)模擬：心臟搏動(dòng)模擬，手術(shù)模擬，結(jié)合物理建模,生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用,腦外科手術(shù)導(dǎo)航,人工關(guān)節(jié)置換的圖形模擬,骨科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)顯示,1.4 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng),1.4.1 典型圖形系統(tǒng)的組成,外設(shè),計(jì)算機(jī) 應(yīng)用程序 圖形軟件 操作系統(tǒng),圖形輸入設(shè)備,圖形輸出設(shè)備,終端 （可能不只一個(gè)）,人,軟 件,1.4.2 圖形系統(tǒng)的分類(lèi),按硬件規(guī)模、軟件豐富程度、價(jià)格高低分 1. 大型機(jī)為基礎(chǔ)的圖形系統(tǒng)：大容量存儲(chǔ)器

11、、極強(qiáng)的計(jì)算能力、大量的顯示終端、高精度大幅面硬拷貝設(shè)備，自行開(kāi)發(fā)的、功能齊全的軟件系統(tǒng)。 2. 工程工作站為基礎(chǔ)的圖形系統(tǒng)：高速的計(jì)算能力，豐富的圖形處理、靈活的窗口和網(wǎng)絡(luò)管理功能。一個(gè)用戶(hù)一臺(tái)計(jì)算機(jī)。第三方商品化軟件。 3. 以微型機(jī)為基礎(chǔ)的圖形系統(tǒng)：價(jià)格低廉，微機(jī)性能大幅提高，內(nèi)存外存CPU速度已超過(guò)以前的工作站，繪圖儀，打印機(jī)等性能大幅提高，滿(mǎn)足圖形系統(tǒng)要求。軟件豐富，有許多商品化軟件。,1.4.3 顯示器,加速系統(tǒng),聚焦系統(tǒng),偏轉(zhuǎn)系統(tǒng),熒光粉涂層,按工作原理分為：1、陰極射線管(CRT),2、 等離子屏幕顯示器,由一個(gè)細(xì)小氖泡矩陣組成，由于氖泡有兩種狀態(tài)：開(kāi)啟(點(diǎn)燃)、關(guān)閉(熄滅)，

12、且狀態(tài)可保持。分為 1）前層：垂直導(dǎo)線 2）中層：細(xì)小氖泡 3）后層：水平導(dǎo)線,水平網(wǎng)格線 （Y向地址）,玻璃極板單元,垂直網(wǎng)格線 （X向地址）,觀察方向,3、 液晶顯示器（LCD）,液晶顯示器LCD(Liquid Crystal Display)是由六層薄板組成的平板式顯示器,按掃描方式分為：1、隨機(jī)掃描的顯示系統(tǒng),特點(diǎn)：電子束可隨意移動(dòng)，只掃描熒屏上要顯示的部分。 邏輯部件：刷新存儲(chǔ)器(Refreshing Buffer),顯示處理器（DPU:Display Processing Uuit）和CRT,2、光柵掃描顯示器,幾個(gè)概念,象素 整個(gè)屏幕被掃描線分成 n 行，每行有 m 個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)

13、為一個(gè)象素。整個(gè)屏幕有 m n 個(gè)象素。 分辨率 通常用屏幕上象素的數(shù)目來(lái)表示。比如上述的 n 行，每行 m 點(diǎn)的屏幕分辨率為 m n 。 分辨率的單位是：dpi (dot per inch),但各種設(shè)備有其通俗用法。 分辨率受顯示器生產(chǎn)工藝、掃描頻率以及顯示存儲(chǔ)器容量的限制。,單個(gè)存儲(chǔ)位面的單色光柵掃描圖形的工作原理： 采用幀存儲(chǔ)器映射到屏幕，逐點(diǎn)對(duì)應(yīng)。,移位 寄存器,DAC,掃描電路,幀存,屏幕,亮/暗,彩色光柵掃描顯示原理,光柵掃描顯示器的點(diǎn)距,三存儲(chǔ)位面彩色光柵掃描顯示器的工作原理,DAC,掃描電路,幀存,屏幕,DAC,DAC,0,1,0,彩色顯示8種顏色,24位面的彩色光柵掃描顯示器

14、的工作原理,三種原色的組合是(28)3=224種顏色。,光柵掃描顯示器的優(yōu)缺點(diǎn),缺點(diǎn)：掃描轉(zhuǎn)換費(fèi)時(shí)。 優(yōu)點(diǎn)：可控制亮度與顏色，顯示真實(shí)感圖形。 價(jià)格低廉。 目前的顯示器均為光柵掃描顯示器,圖形顯示處理器 (加速引擎),任務(wù)：進(jìn)行掃描轉(zhuǎn)換： 將應(yīng)用程序給出的圖形定義數(shù)字化為一組像素強(qiáng)度值，并放到幀緩存器 需要掃描轉(zhuǎn)換的內(nèi)容： 基本圖形 字符 填充,1、通用編程軟件包： 提供各種圖形功能集（函數(shù)庫(kù)）， 并可用高級(jí)語(yǔ)言擴(kuò)展，可解決設(shè)備的控制問(wèn)題。如GL， PHIGS，PHIGS PLUS， GKS，GKS-3D，GIL等，近年來(lái)在PC和網(wǎng)絡(luò)上Open GL 和 VRML得到廣泛應(yīng)用。 GL： Graphic Library; VRML： Virtual Reality Modeling Language GKS: Graphical Kernel System；,1.4.4 圖形軟件系統(tǒng),圖形軟件系統(tǒng),2、專(zhuān)用應(yīng)用軟件包： 各種CAD，各種繪圖軟件，醫(yī)學(xué)商業(yè)軟件，通常具有開(kāi)發(fā)接口。微機(jī)上圖形應(yīng)用軟件代表性的產(chǎn)品有： AutoCAD CorelD