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1、计算机图形学与虚拟现实Computer Graphics and Virtual Reality,第一章 图形学综述 第二章 图形系统概述 第三章 输出图元 第四章 图元属性 第五章 图形变换 第六章 三维对象的表示 第七章 可见面判别算法 第八章 光照模型 第九章 图形用户界面和交互输入方法 第十章 颜色模型 第十一章 虚拟现实技术 OpenGL,第一章 计算机图形学综述,一些概念 图形学与相关分支学科间的关系 计算机图形学主要研究内容 应用领域及前沿, 图形 Graphics,广义：各种图，景物、图像、图片、图画、形象 狭义：用数学方法描述的图对象（几何关系、代数方程、分析表达式等建立的图
2、形。） 一些相关概念： 图元（图素） Primitive 矢量（向量）图 Vecter-based graphics 参数图 Parametric 动画 animation, 图像（Image） 一些相关概念： 像素 Pixel 网格图 Grid 位图 Bitmap 点阵图 光栅图 Raster 图片 Picture,图形学,模式识别,计算 几何,图像 处理,图形信息处理相关分支学科间的关系：,图像处理 物体映像处理成新的数字化图像。采用一定的算法对图像进行分析、解释、修改等一系列过程。 编辑的最小单元是像素而不是对象或形状。,模式识别 分析、识别各类信息，找出其中蕴含的内在联系或抽象模型。如
3、文字识别、语音识别、图像识别,基于模型：建模处理图形输出,计算机图形学 (CG , Computer Graphics),分支学科 光栅图形学 Raster Graphics 计算几何学 Computational Geometry 真实感图形学 Photorealistic Rendering 虚拟现实 Virtual Reality ,运用计算机建立、存储、处理对象的模型，并根据模型产生该对象的图形输出的有关理论、方法和技术,CG主要研究内容：,图形硬件、输入输出设备 图形软件、图形数据库 图形标准 图形交互技术 光栅图形生成算法 曲线、曲面造型 实体造型，复杂形体造型 真实感图形计算与显
4、示算法 数据可视化 计算机动画 自然景物仿真 实时建模、渲染技术 基于网络的图形技术,真实感图形学涉及： 投影变换，三维观测 三维对象表示 可见线/面判别（消除隐藏线/面） 颜色模型和颜色应用 光照模型(透明，雾，阴影，明暗) 面绘制(表面细节，纹理） ,第二章 图形系统概述,图形输出/输入设备 图形工作站 图形控制器（图形卡，显卡） 图形软件 图形系统的交互设备和交互任务,图形系统的层次结构：,图形输出显示设备,阴极射线管 CRT 存储管式显示器随机扫描显示器（矢量显示器）刷新式光栅扫描显示器彩色光栅扫描显示器 平板显示器FPD 等离子体显示板 薄膜光电显示器 发光二极管LED 液晶显示器L
5、CD 三维观察设备 虚拟现实系统的输出显示设备 ,输入设备,键盘、鼠标 按钮盒、旋钮 跟踪球、空间球 操作杆 触觉反馈设备 数据手套、数据衣 数字化仪 扫描仪 触摸板 光笔 ,硬拷贝设备,打印机 喷墨 激光 绘图仪 台式 大型滚动传送式 ,图形硬件系统组成模块示意图：,CPU,系统 存储器,视频卡,GPU,显存,系统总线,其他输入/输出设备,图形卡,帧缓存,DAC,接口,图形卡工作原理示意,可看作连接计算机和显示终端的纽带。不仅存储图形，还能完成大部分图形函数，减轻了CPU的负担，提高了显示能力和显示速度。,GPU,图形处理器,图形软件体系结构,支持图形处理的操作系统,如 Macintosh、
6、Windows、Unix、Linux 、各种嵌入式OS,图形编程软件包，如OpenGL、VRML、Java2D、Java3D,专业应用系统，如MATLAB、 AutoCAD、3DSMAX、UG,图形设备驱动程序，如显卡驱动、打印机/绘图仪驱动,图形软件主要类型,通用软件包 用现有某种计算机语言写成的子程序包。使用时按相应计算机语言的规定调用所需要的子程序生成各种图形。如：GKS、OpenGL 基于通用语言的扩展图形软件 扩充某种计算机语言使其具有图形生成和处理功能，例如：Fortran、Pascal Basic (Visual Basic) C、C+ (Visual C+) AutoLisp,
7、图形软件主要类型,专用图形软件包 针对某一种设备或应用，设计/配置专用的图形生成语言或函数集，例如： 场景描述：Open Inventor 建立虚拟世界的三维模型：VRML 生成三维Web显示：Java3D 创建Java applet中的二维场景：Java 2D 生成各种光照模型下的场景：Renderman Interface（Pixar）,专业图形应用系统 针对某类应用或专业领域而专门开发，例如：,制造领域：Unigraphics、Pro/Engineer、AutoCAD、 CATIA、ANSYS、MSCSoftware 数值计算与可视化：MATLAB 控制：Matrix X EDA/虚拟实
8、验/虚拟仪器：Protel、EWB、LabVIEW GIS： Mapinfo、ArcGIS. 效果设计/动画：3D Studio MAX 、Maya、Coreldraw 图像/画图：Photoshop、Painter、Illustrator 网页设计：Dreamweaver /Flash /Firework 流程设计：Visio ,图形软件主要类型,图形软件包的主要功能,计算机图形应用编程接口（CG API）以及程序设计语言与硬件的接口，如： 输出函数，组织并在输出设备上显示图形 输入函数，用于控制和处理交互式输入设备的数据流 图形函数库 如构造图元、描述图元属性、几何变换、观察变换，分割/管
9、理图形部件 控制操作类函数集 处理事务性任务，各种状态设置，如初始化参数设置等等,计算机图形软件的标准化意义,可移植性 通用、与设备无关 推动、促进计算机图形学的推广、应用 资源信息共享,第三章 输出图元,图形软件包中的图元（ primitive）图形软件包中用来描述各种图形元素的函数称为图形输出原语，简称图元 几何图元描述对象几何要素的输出图元，如： 点、直线段 圆、椭圆 二次曲线/曲面，样条曲线/曲面 多边形填色区域 字符串显示 ,图元的绘制、显示过程,图元操作、像素操作,光栅化（扫描转换）,像素信息,帧缓存,顶点,法向量、颜色、纹理,像素,显示器,调用底层函数，如setPixel (x,
10、y)；将当前像素颜色设定值存入帧缓存的整数坐标位置（x,y）处。,图元描述与操作,几何图元由一组顶点（Vertex）描述 这一组顶点可以是一个或是多个。每个顶点信息二维或三维，使用 24 个坐标。顶点信息由位置坐标、颜色值、法向量、纹理坐标等组成。 图元操作： 几何变换、光照、反走样、消隐、像素操作等，然后准备进行光栅化处理。 扫描转换或光栅化（Rasterization ） 将对象的数学描述、颜色信息转换成像素信息（像素段写入帧缓存），送到屏幕显示。,第四章 图元的属性,图元的属性参数（attribute parameter) 影响图元显示特性的参数称为属性参数。 控制图元基本显示特性的一系
11、列属性，如： 线型、线宽、颜色 填充某种颜色或图案 文本显示方式 字符的字体、颜色、大小 平滑光栅阶梯效果反走样 ,第五章 图形变换-观察流水线,坐标系统 几何变换 二维/三维基本/复合变换 二维/三维观察流水线 世界坐标系到观察坐标系的变换 投影变换 视口变换和三维屏幕坐标系,坐标系统,坐标系统：用于描述物体的空间位置及空间位置关系。如在数学上常用到的笛卡尔直角坐标系。 在构造和显示一个场景时往往会涉及几个不同的笛卡儿坐标系： 建模坐标系（modeling coordinate） 或称局部坐标系、主坐标系、造型坐标系 如在建模坐标系中构造各零件 世界坐标系（world coordinate）
12、 或称图形坐标系、用户坐标系、全局坐标系 如在世界坐标系中进行装配 观察坐标系（viewing coordinate） 对场景进行观察所对应的坐标系 对象经变换到该场景的一个二维投影投影变换 规范化坐标系（normalized coordinate） 可使图形软件与特定输出设备的坐标范围无关 坐标范围：-11，或0 1 等等 设备坐标系（device coordinate） 对于显示器也称屏幕坐标系（screen coordinate）,图形建模-观察变换,建立图对象并在屏幕上显示，一般会发生三种类型的变换：视图、模型和投影。,三维几何变换,可用44矩阵操作统一表示二维和三维几何变换,缩放、旋
13、转、 对称、错切等,平移,投影,整体缩放,基本变换：平移、旋转、缩放 复合变换：可由平移、旋转、缩放和其他变换的矩阵乘积（合并）形成。 复合变换时，先作用的变换矩阵在右端，后作用的变换矩阵在左端。,二维建模-观察变换流水线,应用建模坐标 变换构造世界 坐标系场景,二维 观察变换,观察坐标 转换为规范化 设备坐标,规范化设备 坐标映射 到设备坐标,MC,窗口视口,WC,VC,NC,DC,xm,ym,xm,ym,x,y,(定义 裁剪窗口),(定义视口),三维建模-观察变换流水线,建模变换,观察变换,规范化变换 与裁剪,视口变换,MC,WC,PC,NC,DC,投影变换,VC,投影坐标系统PC：在投影
14、面（观察面）上定义，用于指定物体在投影面上的所有点。可进一步在投影面上定义裁剪窗口。,投影变换 (projection transformation),投影变换：将对象描述投影到观察平面上的过程。有两种方式：平行投影、透视投影。,（投影平面）,x,y,z,投影变换类型,保持对象 相对比例,提供真实 感表达,第六章 三维对象的表示,三维形体的表示方法 边界表示 B-reps 多面体，规则二次/超二次曲面 样条曲面 细分曲面 空间分区表示 space-partitioning 结构实体几何法 CSG 八叉树 octree，二叉树 BSP 过程方法 扫描表示 sweep representation
15、 分形几何方法 fractal-geometry method 形状语法（基于产生规则） shape grammar 基于特征的三维造型 粒子系统 partical system 基于物理的方法 physically based modeling,边界表示 B-reps,使用一组多边形平面或曲面面片，来描述三维对象。面片将对象分为内部和外部。 多边形面片与曲面面片 OpenGL中使用多边形，如三角形或四边形图元函指定标准图形对象的多边形面片。 曲面面片离散化为多边形面片，在进入观察流水线处理。,标准图形对象(standard graphics object)：用多边形（线性方程）描述的图形对象
16、。,边界表示举例,三角形面片,四边形面片,曲面,二次曲面（二次方程描述） 球、椭球、环、抛物面、双曲面 超二次曲面,样条曲面 细分曲面,B样条曲线,一些常用样条曲线/曲面,三次Bzier曲线,双三次样条插值,Bzier曲面,一组控制点拟合曲线/曲面时，由建立边界条件的方法不同，可以构造不同的样条曲线/曲面，如： 自然三次插值样条曲线/曲面 Bzier 样条曲线/曲面 B样条曲线/曲面 Beta样条曲线/曲面(B样条的一般化) 有理样条曲线/曲面 ,空间分区表示 space-partitioning representation,将包含一个对象的空间区域划分成一组较小的、非重叠的连续实体（例如立方体）。 结构实体几何法 CSG 八叉树 octree，二叉树 BSP 可以描述图形对象的内部性质,结构实体几何法 (CSG, constructive solid geometry),要点：通过指定对象间的并、交、差操作，
