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1、1,计算机图形学基础,一、教学安排，共32学时(18周) 二、考试办法：闭卷笔试 三、课程结束成绩评定 笔试：70% 作业+平时成绩: 30%（包括考勤、课堂回答问题）,2,四、参考教材 孙家广，胡事民， 计算机图形学基础，清华大学出版社， 2005年或更新的版本。 我们课堂学习的内容包括第一章全部内容、第二章绝大部分内容、第三章3.1和3.2大部分内容、第四章4.1和4.2部分内容。对于教材中未讲授的内容，有兴趣的同学可以自学，遇到问题或困难可以答疑，但是，教材中未讲授的内容考试不作要求。,3,五、作业及答疑 教学和答疑教师：周登文，控制与计算机学院 答疑地点：主楼E座 - 707 (7层)
2、 固定答疑时间：每周二下午2：004：00pm，其它答 疑时间可预约 答疑邮箱： 作业邮箱： 作业文件命名：每次作业文件打一个包，文件名为“班级-学号姓名-作业序号”。例如：计算0401-3122040117魏闪闪-1.zip。,5,6,七、两个问题 为什么要学习计算机图形学? 计算机图形学学什么?,7,第一章绪论,什么是计算机图形学？ 计算机图形学是利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科。 计算机图形学是计算机科学中，最为活跃、得到广泛应用的分支之一,8,1.1计算机图形学的研究内容,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、处理和显示的相关原理与算法，构成了计算机图形
3、学的主要研究内容。,9,图形与图象 图象纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息。 图形含有几何属性，更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。 图形主要分为两类 基于线条信息表示 明暗图(Shading),10,1.2 计算机图形学的发展历史,50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（Whirlwind I）计算机的附件诞生了 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 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
4、，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。,11,60年代 1962年，MIT林肯实验室的I. E. 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 1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier 提出Bzier曲线、曲面的理论 1964年MIT的教授Steven A. Coons提出了超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。,12,70年代 光栅图形学迅速发展 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 图形软件标准化 1974年，ACM SIGGRAPH的与“
5、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”（Core Graphics System） ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS,13,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,14,80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
6、，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,15,ACM SIGGRAPH会议小知识 全称 “the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques” 60年代中期，由Brown 大学的教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司的Sam Matsa发起 1974年，在Colorado(美国科罗拉多州-位于美国西部)大学召开了第一届SIGGRAPH 年会，并
7、取得了巨大的成功 每年只录取大约50篇论文,16,1.3 计算机图形学的应用及研究前沿,计算机辅助设计与制造（CAD/CAM） 飞机、汽车、船舶的外形的设计 发电厂、化工厂等的布局 土木工程、建筑物的设计 电子线路、电子器件的设计 设计结果直接送至后续工艺进行加工处理，如波音777飞机的设计和加工过程,17,工程图及其三维重建结果1,18,工程图及其三维重建结果2,19,可视化 海量的数据使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，用图形来表示数据的迫切性与日俱增 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（Visualization in Scienti
8、fic Computing）” 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,20,在医学领域，可视化有着广阔的发展前途 是机械手术和远程手术的基础 将医用CT扫描的数据转化为三维图象，帮助医生判别病人体内的患处 由CT数据产生在人体内漫游的图象,真实感图形实时绘制与自然景物仿真,21,由图形系统生成的野外场景,22,日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云,23,Xfrog3.0生成的挪威云杉,24,计算机动画 计算机动画近十多年来取得了很大的发展，已渗透到人们生活的各个角落 商业广告、影视特技/片头、动画片 教育、军事、飞行模拟等,25,基于特征的图象变
9、形（猫变虎）,26,由三维FFD操作得到的鱼的变形图,27,用户接口(界面) 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 图形学已经全面融入计算机的方方面面，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,28,计算机艺术 用计算机软件从事艺术创作,Georges Winkenb1ach绘制的壶和碗(Siggraph96),29,Salisbury绘制的茶壶(Siggraph97),30,Salisbury绘制的熊(Siggraph97),31,Oliver Deussen绘制的素描树(Siggraph2000),32,1.4
10、图形设备,图形显示设备 图形输出包括图形的显示和图形的绘制，图形显示指的是在屏幕上输出图形 图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝，打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备,33,滚筒式绘图仪,平板式绘图仪,34,平板式绘图仪,35,彩色CRT显示器 CRT（CRT CathodeRay Tube，阴极射线管）组成 电子枪 聚焦系统 加速系统 磁偏转系统,36,CRT显示器的简易结构图,37,工作原理 高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、加速系统和磁偏转系统就会到达荧光屏的特定位置。由于荧光物质在高速电子的轰击下会发生电子跃迁，即电子吸收到能量从低能态变为高能态。由于高能态很不稳定，在很短
11、的时间内荧光物质的电子会从高能态重新回到低能态，这时将发出荧光，屏幕上的那一点就会亮了 要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束,38,电平控制器是用来控制电子束的强弱的。当加上正电压时，电子束就会大量通过，将会在屏幕上形成较亮的点；当控制电平加上负电压时，依据所加电压的大小，电子束被部分或全部阻截，通过的电子很少，屏幕上的点也就比较暗 聚焦系统是一个电透镜，能使众多的电子聚集于一点 加速系统使电子达到轰击激发荧光屏应有的速度。最后由磁偏转系统来达到指定位置,39,电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角 CRT显示器屏幕越大整个显象管就越长
12、刷新频率 刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程 刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示 隔行扫描与逐行扫描,大约达到每秒60帧即60Hz时，人眼才能感觉到屏幕不闪烁，要使人眼觉得舒服，一般必须有85Hz以上的刷新频率,40,电子束逐行扫描过程示意图,41,彩色CRT显示器显示彩色的原理 彩色CRT显示器的荧光屏上涂有三种荧光物质，它们分别能发红、绿、兰三种颜色的光。而电子枪也发出三束电子来激发这三种物质，通过控制三个电子束的强弱就能控制屏幕上点的颜色。 彩色CRT显示器有荫罩式和荫栅式两种。 荫罩式显示器的屏幕上的荧光点采用三角形的排列方式，屏幕呈球状。显象管象一张罩网，电子枪发射电子束通
13、过罩孔。,42,荫罩式彩色CRT显色原理,43,荫栅式显示器的屏幕上的荧光粉安排成跨越整个屏幕的直条状，屏幕呈柱状。荫罩改为条状荫栅，这种条状荫栅由固定在一个拉力极大的铁框中的、互相平行的垂直铁线阵列组成。这种栅栏从屏幕顶一直通到屏幕底，而不是单独的荧光点。通过电子枪射出电子束，穿过栅条打在荧光条上使其发光。这种结构因消除了纵向间距，比荫罩式显示器的效果要好：亮度、对比度、清晰度更高，色彩也更细致。,44,荫栅式彩色CRT显色原理,45,球面显示器与柱面显示器 荫罩式显象管的表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球面管”；荫栅式显象管的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上却是笔直的，呈圆柱
14、状，故称之为“柱面管” 常用的荫栅式显象管有日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）,46,柱面和球面显示器点距定义示意图,47,CRT显示器的缺点 CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展 屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示器的体积必然要加大，在使用时候就会受到空间的限制 CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，容易受电磁波干扰 长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响,48,LCD显示器的优点 外观小巧精致，厚度只有6.58cm左右。 不会产生CRT那样的因为刷新频率低而出现的闪烁现象 工作电压低，功耗小，节约能源 没有对人体健
15、康有害的电磁辐射,49,索尼公司的两款LCD外形,50,图形处理器（显卡） 图形处理器是图形系统结构的重要元件，是连接计算机和显示终端的纽带 早期的图形处理器只包含简单的存储器，它们实际上只起了一个图形的存储和传递作用，一切操作都必须有CPU来控制 现在的图形处理器不单单存储图形，而且能完成大部分图形函数，专业的图形处理器已经具有很强的3D处理能力，大大减轻了CPU的负担，提高了显示质量和显示速度,51,图形处理器的组成 显示主芯片 显卡的核心，俗称GPU，它的主要任务是对系统输入的视频信息进行构建和渲染 显示缓存 用来存储将要显示的图形信息以及保存图形运算的中间数据 显存的大小和速度直接影响
16、着主芯片性能的发挥 数字模拟转换器（RAMDAC） 它的作用就是把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号,52,显卡工作原理简单示意图,53,图形输入设备 最常用的图形输入设备就是基本的计算机输入设备键盘和鼠标 扫描仪,54,真实物体的三维信息的输入 在实际的产生过程中许多零件和样板要进行大规模的生产就必须在计算机中生成三维实体模型，有时这个模型要通过已有的实物零件得到，这时候就需要一种设备来采集实物表面各个点的位置信息 一般的方法是通过激光扫描来实现，现在国外已经有许多这样的商业仪器 这项技术的一个应用就是扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息,55,美国斯坦福大学计算机系的著名图形学专家Marc Levoy曾经带领他的30人的工作小组（包括美国斯坦福大学及美国华盛顿大学的教师和学生）于19981999学年专门在意大利对文艺复兴时代的雕刻大师米开朗基罗的众多艺术品进行扫描，保存其形状和面片信息。当然工作难度是相当大的，他们为此专门设计了一套硬件和软件系统。数据量也是惊人的，光大卫像（the David）就有20亿个多边形和7000张彩色图象，总共需
