计算机图形学_第二章讲解

《计算机图形学_第二章讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机图形学_第二章讲解（73页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第一章、计算机图形学综述回顾 v计算机图形学概念 v计算机图形学简史 v计算机图形学的应用 v计算机图形系统的功能与结构 v图形显示设备 回顾 v概念：Computer graphics is the art or science of producing graphical image with the aid of computer. v研究对象：图形 v试图从非图像形式的图形数据描述来生成（逼 真的）图像。 回顾 v参数法: 以计算机中所记录图形的形状参 数与属性参数来表示图形的一种方法。 形状参数（几何要素）：方程或分析表达式 的系数，线段的端点坐标等 属性参数（非几何要素）：颜色、材

2、质、线 型等 图形（Graphics） 直线A的端点为(x1, y1), (x2, y2)， 红色，实线，宽度2个象素 回顾 v计算机图形系统的功能与结构 计算 输出 输入 图形输出设备 存储 数据库 图形输入设备 交互显示器 回顾 v光栅扫描显示器的特点 可把光栅图像显示器看做许多离散点组成的 矩阵，每个点都可以发光。除非特殊情况，一 般在矩阵中是不能直接从一个点到另一个点画 一条笔直的直线，但可以用一系列的点来近似 的表示这条直线。 回顾 v显然，只有画水平、垂直或正方形的对角线 时，才能用点或像素画出一条真正的直线， 其他情况下的直线均呈阶梯状，这种现象称 为走样或锯齿（如下图所示）。采

3、用反走样 技术可适当减轻阶梯效果。 C AB D A B 回顾 v双缓存（双缓冲）：一个缓存用来刷新的同 时，另一个写入数据信息，而后这两个缓存 可互换角色。这种方式称为双缓存，它可以 使得显示的动画更流畅。 回顾 v屏幕坐标系。 第二章、图形系统概述 v3D视觉是如何产生的 v电脑屏幕上的3D是如何产生的 v坐标系介绍 v三维观察流水线 vOpenGL图形库简介 vOpenGL渲染管线简介 计算机图形软件系统 v3D概念 3D是指被描述或显示 的对象具有三个维度： 宽度、高度和深度。 人有两只眼，两只眼有 一定距离，这就造成物 体的影象在两眼中有一 些差异，大脑会根据这 种差异感觉到立体的景

4、 象。 计算机图形软件系统 计算机图形软件系统 v三维立体画的原理 计算机图形软件系统 计算机图形软件系统 计算机图形软件系统 计算机图形软件系统 计算机图形软件系统 计算机图形软件系统 v计算机屏幕上的3D 2D+透视=3D 着色 v颜色+明暗。 纹理贴图 v把存储在内存里的位图包裹到3D渲染物体的表 面。纹理贴图给物体提供了丰富的细节，用简 单的方式模拟出了复杂的外观。 混合(Blending) v将不同的颜色混在一起。 计算机图形软件系统 v坐标表示 笛卡尔坐标系 模型坐标系（物体坐标系） 世界坐标系 观察坐标系（摄像坐标系） 规范化坐标系 设备坐标或屏幕坐标 计算机图形软件系统 v笛卡

5、尔坐标系 在数学里，笛卡儿坐标系（Cartesian坐标 系），也称直角坐标系，是一种正交坐标 系。 v左手坐标系与右手坐标系 任何两个2D笛卡尔坐标都可以通过平移和旋 转使两个坐标系重合，但是3D笛卡尔坐标就 不一定了，实际上存在两种完全不同的3D笛 卡尔坐标系，左手系和右手系。 计算机图形软件系统 v 左手坐标系与右手坐标系 计算机图形软件系统 v模型坐标系（物体坐标系 ） 和特定物体相关联的坐标系 每个物体都有它们独立的坐 标系。当物体移动或者改变 方向时，和该物体相关联的 坐标系就随之移动或者改变 方向。 “前”“后”“左”“右” 只有在物体坐标系中才有意 义 物体坐标系也能像指定方向

6、 一样指定位置 3D游戏中常用的坐标系 v世界坐标系（全局坐标系宇宙坐标系） 建立了描述其他坐标系所需要的参考框架。从非技术意义上 讲，它是我们关心的的最大坐标系，所以世界坐标系不必是 整个世界 世界坐标的典型问题： 每个物体的位置和方向 摄像机的位置和方向 世界中每一点的地形是什么 物体从那里来到那里去。 3D游戏中常用的坐标系 v摄像机坐标系 是和观察者密切相关的坐标系。该坐标系定义在摄像机的 屏幕可视区域。 摄像坐标系的典型问题： 3D空间中给定点在摄像机前方吗 ？ 3D空间中的给定点在视锥区域内 还是在视锥区域外？ 物体是完全在视锥内还是部分在 视锥内？ 两个物体，谁在前面？ 计算机图

7、形软件系统 v设备坐标（DC）或屏幕坐标：显示设备的 坐标系称为设备坐标，该坐标系依赖于具体 的显示设备。 v规范化坐标系：指独立于具体物理设备的一 种坐标系，它的坐标范围在x和y上的范围都 是0到1，主要用于在计算机内部处理图形， 对一个具体物理设备，规范化坐标和设备坐 标仅仅相差一个比例因子，规范化坐标可以 看成是一个抽象的图形设备。 三维观察流水线 拍照流程 在摄影棚中布置场景 确定照相机位置 调焦 拍照 冲洗照片 计算机图形软件系统 v观察流水线 模型坐标系 绘制流水线 v 图形子系统的图形绘制功能常常采用流水线结构绘 制。 v 绘制流水线的基本结构从概念上包括三个阶段 应用程序阶段

8、几何阶段 光栅阶段 应用程序阶段几何阶段 光栅阶段 OpenGL简介 vOpenGL（Open Graphics Library）是一个 跨编程语言、跨平台的程序接口它用于生成 二维、三维图像。 v其前身是SGI公司为其图形工作站开发的 IRIS GL。为了能够更加容易的移植到不同 的硬件平台和操作系统，SGI开发了 OpenGL vOpenGL已成为开放的国际图形标准。 OpenGL简介 vSGI（ Silicon Graphics 、硅图图）：侏 罗纪公园 、玩具总动员 、泰坦尼 克号 vSGI图形工作站、IRIS操作系统、IRIS GL 。 OpenGL简介 vOpenGL并非是一种语言

9、，而是一种图形开 发API与微软的Directx类似。 v利用这些API能够方便的描述二维和三维几 何物体，并控制这些物体按某种方式绘制到 显示缓存中。 vAPI集提供了物体描述、平移、旋转、缩 放、关照、纹理、材质、像素、位图、文 字、交互以及提高显示性能等方面的功能， 基本涵盖了开发二维、三维图形程序所需的 各个方面。 OpenGL与DirectX OpenGL的实现方式 v软件实现 Mesa 3D OpenGL的实现方式 v硬件实现 OpenGL相关库 vOpenGL核心库：gl opengl32.lib opengl32.dll gl.h vOpenGL实用程序库：glu glu32.

10、lib glu32.dll glu.h vOpenGL编程辅助库：aux glaux.lib glaux.dll glaux.h vOpenGL实用程序工具包：glut glut32.lib glut32.dll glut.h OpenGL命名规则 v OpenGL函数都遵循一个命名约定，采用如下格式 ： 例如函数glColor3f()，gl表示这个函数来自库gl.h， 根命令是Color表示该函数用于颜色设定，3f表示这个 函数采用三个浮点数为参数。 v 符号常量的表示：GL开头，下划线“_”分开，大写。 例如：GL_RGB，GL_POLYGON OpenGL数据类型 OpenGL安装 1、

11、将OpenGL文件夹拷到某一路径下 2、打开VS2012开发环境， 新建项目，或打开已有项目 OpenGL安装 3、打开属性对话框，选择VC+目录 OpenGL安装 4、打开“包含目录”配置对话框，并加入你的OpenGL安 装路径中“include”文件夹的路径。 注意：如果是win8系统需要加入以下路径： C:Program Files (x86)Microsoft SDKsWindowsv7.1AInclude OpenGL安装 5、打开“库目录”配置对话框，并加入你的OpenGL安装 路径中“Lib”文件夹的路径。 注意：如果是win8系统需要加入以下路径： C:Program File

12、s (x86)Microsoft SDKsWindowsv7.1ALib OpenGL状态机 v OpenGL是一种状态机模式 v 状态机是一个抽象的模型，表示一组状态变量的集合。 v 打开状态 glEnable(GLenum capability) v 关闭状态 glDisable(GLenum capability) OpenGL渲染管线 OpenGL渲染管线 v顶点准备(Vertex) v顶点着色(Vertex Shader) v细分曲面着色(Tessellation Shader) v几何着色(Geometry Shader) v图元装配(Primitive Setup) v裁剪(Cl

13、ipping) v光栅化(Rasterization) v片段着色(Fragment Shader) v最终图像生成 渲染的概念概念 v渲染(Rendering) 渲染是指：计算机根据图形信息（顶点坐标、法向 量、视点、纹理以及照明信息等）生成图像的过 程。 v预渲染（pre-rendering/ offline rendering） 预渲染的计算强度很大，需要大量的服务器运算 完成，通常被用于电影制作，对渲染速度没有限 制。 v实时渲染(real-time rendering/ online rendering) 常用于三维视频游戏，要求最少每秒渲染24帧图 像 顶点 顶点 v顶点(Vert

14、ex) 构成三维模型的基本要素，简单来说，顶点就是 空间中的一个点。顶点上通常会包含位置信息，也 可以附加其它信息，如纹理坐标（如何映射纹理 ）、发向量（如何计算光照）、颜色等。 顶点着色器 着色器(Shader) v什么是着色器? v什么是顶点着色器？ v什么是顶点变换和投影变换？ 着色器(Shader) vShader(着色器)是用来实现图像渲染的替代固 定渲染管线的可编辑程序。程序员将着色器应 用于图形处理器（GPU）的可编程流水线，来 实现三维应用程序 v着色器替代了传统的固定渲染管线，可以实现 3D图形学计算中的相关计算，由于其可编辑性 ，可以实现各种各样的图像效果而不用受显卡 的固

15、定渲染管线限制。这极大的提高了图像的 画质。 顶点着色器(Vertex Shader) v顶点着色器运行于GPU上，会作用于每个顶点 ，其用途主要有两个： 对顶点进行坐标变换，例如将世界坐标系中的点变 换到观察坐标系（模型视图变换）。 将三维空间中的点投影到二维空间，即投影变换。 顶点着色器(Vertex Shader) 变换(Transformation)和投影(Projection) v变换矩阵 对顶点进行旋转平移等操作。 v投影矩阵 投影意味着降低维度，在计算机图形学中，投影 矩阵用于将3D 坐标转换成二维屏幕坐标。 曲面细分着色器 细分曲面着色器(Tessellation Shader

16、) v 光栅化图形渲染技术的核心是绘制大量三角形来组成3D 模型，而Tessellation技术就是利用GPU硬件加速，将 现有3D模型的三角形拆分得更细小、更细致，也就是大 大增加三角形数量，使得渲染对象的表面和边缘更平 滑、更精细。 几何着色(Geometry Shader) 几何着色(Geometry Shader) v 几何着色器以完整的图元作为输入数据。例如，当我们 绘制三角形列表时，输入到几何着色器的数据是构成三 角形的三个点。（注意，这三个点是从顶点着色器传递 过来的。）几何着色器的主要优势是它可以创建或销毁 几何体。例如，输入图元可以被扩展为一个或多个其他 图元，或者几何着色器可以根据某些条件拒绝输出某些 图元。这一点与顶点着色器有明显的不同：顶点着色器 无法创建顶点，只要输入一个顶点，那么就必须输出一 个顶点。几何着色器通常用于将一个点扩展为一个四边 形，或者将一条线扩展为一个四边形。 几何着色(Geometry Shader