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1、1,图形图像学基础,2,教材及主要参考书,教材： 计算机图形学, 任爱华编著, 北京航空航天大学出版社，2005 主要参考书： 何援军，计算机图形学，机械工业出版社 计算机图形学Computer Graphics with OpenGL:第三版，Hearn. D & Baker M.P.著，电子工业出版社，2004 数字图像处理(第二版), 英文版, Gonzalez, R.C. & Woods, R.E., 电子工业出版社，2002,3,4,成绩构成,平时成绩（40%） 出勤（10%） 课后作业（10%） 随堂小测验（20%） 期末考试（60%）,5,第一章 绪论,什么是计算机图形学 图形学
2、的研究内容 应用领域 交互式图形系统输入输出设备 与相关学科的关系,6,Computer Graphics (CG),计算机图形学是研究怎样用计算机表示、生成、处理和显示图形的一门学科。,国际标准化组织(ISO)的定义： 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、应用数学和计算机科学基础上的一门边缘学科。,几何或3D的问题,图像或2D的问题,7,CG研究的问题,一般说来，要在计算机上生成一幅表示物体的图形，有三个要素： 如何在计算机中“表示”多彩的客观世界：造型技术 在计算机中建立所要生成图像的物体的模型 即给出表
3、示该物体的几何数据和拓扑关系 如何在计算机中“表现”多彩的客观世界：绘制技术 按照给定的观察点及观察方向将物体模型在计算机屏幕上显示出来 人机交互技术： 为造型和绘制这两个过程提供友好的人机界面,8,根据准确性、真实性、实时性的要求，算法可大致分为以下几类： 基于图形设备的基本图形元素的生成算法 图形的变换和裁剪 自由曲线和曲面计算几何 几何造型技术 真实感图形的生成算法 自然景物的生成分形几何 颜色科学及其应用 计算机动画技术 虚拟现实技术实时交互式三维图形处理,研究内容,9,图形和图像,图形分为图形类和图像类 图形类：以矢量图形式呈现，在计算机中以场景的几何模型与物理属性表示的图形。能体现
4、景物的几何个体，记录体元的形状参数与属性参数。如工程图纸，其信息包含图元的几何信息与属性信息。,10,图形和图像,图形分为图形类和图像类 图像类：以点阵图形式呈现，在计算机中以具有颜色信息的点阵来表示的图形。它更强调整体的形式，描述一个个点的灰度或色彩。如照片、扫描图片等。其信息实际上是点与点的属性信息（颜色、灰度、亮度等）。,11,CG的总体架构,数学基础 向量、矩阵、齐次坐标、几何变换等。 几何 二维和三维空间的各种几何模型和几何造型方法 绘制 几何的视觉实现过程，CG的主要工作 图形类：二维绘制以光栅化算法和裁剪算法为代表，三维绘制以线消隐算法为代表 图像类：面消隐、光照模型、阴影模型、
5、纹理模型、光源模型、颜色模型等。 交互技术 CG中相对独立的一部分。通常是以WIMP为特征的图形用户界面,12,CG的发展简史,硬件 1950年第一台图形显示器诞生 20世纪70年代光栅显示器产生，图形学进图了第一个兴盛时期并开始出现实用的CAD图形系统 20世纪80年代中期，超大规模集成电路的发展使计算机运算能力提高，图形处理速度加快，图形学得到快速发展 基础理论 1962年，Ivan E.Sutherland发表题为“Sketchpad:一个人机交互通信的图形系统”的博士论文，首次使用了计算机图形学(computer graphics)这个术语。 20世纪70年代，真实感图形和实体造型技术
6、产生 1980年Whitten提出了一个光透视模型并给出光线跟踪算法范例 1984年美国Conell和日本广岛大学的学者分别用辐射度方法成功模拟了理想漫反射表面间的多重慢反射效果。真实感图形算法日渐成熟。,13,应用领域,计算机辅助设计与制造(CAD/CAM) 科学计算可视化 影视制作 虚拟现实系统 医疗 计算机艺术 图形用户界面等,14,计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）,CAD/CAM是CG在工业界最广泛、最活跃的应用领域。 飞机、汽车、船舶、机电、轻工、服装的外形设计 集成电路、印刷电路板的设计 建筑设计 基于工程图纸的三维形体重建,15,影视制作,计算机动画技术还被广泛用于电影电视
7、中的特技镜头的制作，产生以假乱真而又惊险的特技效果，如模拟大楼被炸、桥梁坍塌、在图像中增加实际上不存在的物体等。,16,立体感和虚拟现实系统,17,立体感和虚拟现实系统,头盔式显示器 将观察者的头部位置及运动方向告诉计算机，计算机就可以调整观察者所看到的图景，使得呈现图像更趋于真实感绝大多数头盔式显示器使用两个显示器 把用户的视觉、听觉和其他感觉封装起来，产生一种身在虚拟环境中的错觉。,18,虚拟现实系统,虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，并使用传感器设备与之相互作用。提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般及时、没有限制地观察三度空间内的事物。 虚
8、拟现实在机器人遥操作方面的应用 虚拟现实在军事方面的应用 虚拟现实在训练方面的应用 ,19,虚拟手术仿真,将医用CT扫描的数据转化为三维图象，并通过一定的技术生成在人体内漫游的图象，使得医生能够看到并准确地判别病人的体内的患处，然后通过碰撞检测一类的技术实现手术效果的反馈，帮助医生成功完成手术。,20,科学计算的可视化,科学计算的可视化是 将科学计算过程中的数据及结果数据转换为图像 实际上也包括了工程计算可视化和测量数据可视化 其核心是三维数据场的可视化 可应用于气象预报、（CT）医学图象重建、流场、湍流、激波、石油地质勘探、环境保护、核爆炸模拟、计算流体力学、天体物理、分子生物学、有限元分析
9、、等许多领域。,21,事务和商务数据的图形显示,绘制表示经济信息的各类二、三维统计管理图表 信息可视化:信息流量，商业统计数据，股市行情,22,图形用户界面,Window system and large-screen interaction metaphor,23,图形输入设备,鼠标、键盘 数码相机 采用的摄像感应器有两种 CCD CMOS：便宜，但质量相对较差 扫描仪,24,图形输入设备,数据手套(Data glove) 可测量出手的位置和形状，从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操纵。 数据手套通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器，确定手及关节的位置和方向。,25,图
10、形输入设备,图形输入的一个特殊领域 真实物体的三维信息的输入 零件进行大规模生产必须在计算机中生成三维实体模型 这个模型有时要通过已有的实物零件得到 采集实物表面各个点的位置信息 扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息 在计算机中产生这些艺术品的三维模型,26,图形输出设备 阴极射线管(CRT) 组成 包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏 工作原理 电子枪发射电子束 经过聚焦系统、加速电极、偏转系统 轰击到荧光屏的指定位置 电子束能量被其内表面的荧光物质吸收产生亮点,27,电子枪,电灯丝 阴极 由灯丝加热发出电子束 控制栅 加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电的电子束的
11、强弱 通过调节负电压高低来控制电子数量 即控制荧光屏上相应点的亮度,28,聚焦系统,通过电场和磁场控制电子束变细，保证亮点足够小，提高分辩率 加速电极 加正的高压电（几万伏） 使电子束高速运动,控制静电场或磁场，使电子束产生偏转，最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指标，显示器长短与此有关。,偏转系统,29,荧光屏,荧光物质：吸收电子束而发光 余辉时间：电子束离开某点后，持续发光时间 刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值 刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数 像素(Pixel)：构成屏幕（图像）的最小元素 分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别的最
12、大像素个数 单位通常为dpi（dots per inch)。 在假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述 如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等,某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率 =1秒/荧光物质的持续发光时间 （例如）=1000/40=25Hz,30,红、绿、兰三基色 三色荧光点（很小并充分靠近-像素） 三支电子枪,电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光点呈一直线 每个小孔与一个像素（即三个荧光点）对应,彩色阴极射线管,31,图形输出设备,向量式显示器（20世纪60年代-80年代） 画线设备，其电子束可以随意移动。只在屏幕上显示图
13、形部分。电子束逐条跟踪图形的组成线条从而生成线条图。 又称画线式显示器、随机扫描显示器 光栅图形显示器（20世纪70年代） 画点设备，可看作是一个点阵单元发生器。,32,向量式显示器,由显示处理机、显示缓冲存储器和CRT组成 显示缓冲存储器（又称刷新缓冲存储器）：存放计算机生成的显示程序。 显示处理机：与CPU相连执行画线、画字符的命令 向量系统的实质是电子束从一个端点偏转到另一个端点，称为随机扫描,33,光栅扫描的显示系统,特点： 画点设备，可看做是点阵单元发生器 扫描方式：一次一行，从左到右从顶到底 数据表示：像素矩阵 图形定义保存在称为帧缓存（刷新缓存） 的存储器中。“帧”是指整个屏幕范
14、围。 帧缓冲存储器（Frame Buffer) 作用：存储对应屏幕上所有像素点的 颜色值 也称刷新存储器(Refreshing Buffer) 简称帧缓冲器，俗称显存,34,光栅扫描式图形显示器,寄存器,电子枪,CRT光栅,帧缓冲寄存器,DAC,1,1,具有一位帧缓存的黑白光栅显示器结构图,帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同 各单元的数值决定了其对应像素的颜色,35,位面技术,N位寄存器,电子枪,CRT光栅,有N个位面的帧缓存,2NDAC,0,0,1,0,1,0,02N-1灰度值,位面中的单元与显示器上的像素一一对应,36,人类的视觉可以区分大概128个灰度等级,37,寄存器,帧缓存,0
15、,0,1,CRT光栅,彩色光栅扫描现实器,红绿蓝三个位面，组合成8种颜色,38,若有24个位面（每种基色8个位面） 可同时显示(28)3 =224=16777216种颜色（24位真彩色） 例：1024*768真彩模式需要多少MB的显存？,位面技术（3/3）,39,位面技术小结,显存分成若干颜色的位平面（bit plane） 各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一个像素对应 同一像素点在各位面占同一地址 不同位面上同一像素地址中的内容决定像素的颜色,色平面越多，可表达的色彩越丰富,增加一个位面，色彩就增加一倍 而存储器写操作程序无需重新计算新地址 程序兼容性好,40,显存容量,分辨率M*N、颜色个
16、数K与显存容量V的关系 3个位面分辩率是10241024的显示器 需要310241024（3145728）位的存储器,41,显存容量问题,若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的颜色种数成反比 1兆字节的帧缓存 若设分辩率为640480，则帧缓存每个单元可有24位，可能同时显示224种颜色 若设分辩率为1024768，则每个单元分得的位数仅略多于8，只能工作于256色显示模式下,高分辨率和真彩要求有大的显存,42,衡量CRT的指标,屏幕尺寸大小 显像管种类 点距 分辨率 画面刷新频率,43,LCD显示器,CRT显示器的缺点： 屏幕的加大导致显象管的加长，体积加大，使用时候受到空间的限制 利用电子枪发射电子束来产生图像，产生辐射与电磁波干扰，长期使用对健康不利,44,LCD显示器,液晶显示器 LCD（Liquid Crystal Display） 原理 液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质
