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1、计算机图形学,主讲教师：张忠秋 Office：1#104 E_mail：,考核方法：平时及上机成绩占30%，期末考试成绩占70% 平时成绩：上课到课率、课堂纪律、回答问题等 上机成绩：编程操作能力、观察和分析及运用知识能力、程序编制正确性以及课堂纪律、实验态度、保持实验室卫生等 期末考试成绩：闭卷笔试,教材： 计算机图形学基础教程（第2版） 孙家广 胡事民 编著 清华大学出版社 参考书目： 计算机图形学基础教程（VC+版） 孔令德 编著 清华大学出版社 计算机图形学基础（第2版） 陆枫 何云峰 编著 电子工业出版社,上课要求： 不迟到，不早退 遵守课堂纪律 带书，带笔记本 用心听课，适当记笔记
2、 认真完成课后作业,第1章 绪论,预习思考题： 1.计算机图形学的主要研究内容 2.列举三个以上图形学的应用领域 3.一个图形系统通常由哪些图形设备组成 4.图形和图像的区别 5.CRT显示器的原理 6.LCD有哪些技术指标 7.常用的图形输入设备有哪些,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。,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，构成了计算机图形学的主要研究内容。 图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形
3、生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。,图形与图象 图象是指计算机内以位图(bitmap)形式存在的灰度信息。 图形含有几何属性（点、线、面、体等），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：工程图、等高线地图、曲面的线框图 明暗图(Shading)：真实感图形,图形学与计算机辅助设计（CAD） 计算机图形学的一个主要目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。为此一般先建立目标图形所描述场景的几何表示，再采用某种光照模型，计算在假想得光源、纹理
4、、材质属性下几何模型的光照效果。 图形学与视觉 基于图像的绘制 基于视频的绘制,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。 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。,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。 提出图形学的概念
5、，成就“图形学之父”的英名 获“图灵”奖 IEEE 计算机杰出成就奖 Coons奖 I. E. Sutherland，38年生，美国人，CMU学士、Catech硕士、MIT博士，59年博士毕业，参军，26岁担任国防部高级研究计划署（DARPA）信息处理技术局局长(仅中尉衔)，该局曾组织Internet前身ARPANet等重大项目。1964年起，先后在哈佛、Utah、Catech工作。 为博士论文答辩，制作一部电影，答辩时，边放映，边见解，大获成功，该电影广为流传。,60年代 1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier 提出Bzier曲线、曲面的理论，而成为CAGD的先驱。 Bez
6、ier与de Casteljau Beizer的“天上掉下来”到Forrest的“蓦然回首” 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。 58年提出“CAD”概念 图形学最高奖以他名字命名。,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,70年代 真实感图形学 1970年，Bouknigh
7、t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,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，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 Greenberg - Nishita 图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展,ACM SIGG
8、RAPH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大学召开了第一届SIGGRAPH 年会，并取得了巨大的成功 http:/www.siggraph.org,图形学的杂志和会议 会议：Siggraph， Eurograph， Pacific Graphics Computer Graphics Internationa
9、l， Graphics Interface 杂志: ACM Transaction on Graphics IEEE Computer Graphics and Application IEEE Visualization and Computer Graphics Graphical Models Computer Graphics Forum The Visual Computer,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） CAD/CAM是计算机图形学在工业界中最广泛、最活跃的应用 运用图形学可以进行土建工程、机械结构和产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶
10、的外形，设计电子线路、电子器件结构等 CAD领域的一个最热门的课题之一是异地异构系统的协同设计，不同用户在不同地点共同设计一个产品模型。,CAD的另一重要研究领域是基于工程图纸的三维形体重建。目前国际上主要的三维形体重建算法是针对多面体和对主轴方向有严格限制的二次曲面体的。,三维重建的例子,可视化与可视计算 海量的数据的图形表示 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 Scientific omputing）” 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 在医学领域：机械手术和远程手术，医用C
11、T扫描数据的三维重建，基于CT数据的人体内漫游,真实感图形实时绘制与自然景物仿真 计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制 真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，即物体的形状，光学性质，表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置，遮挡关系等等。,经典的真实感图形 光照模型 简单光照模型 局部光照模型 整体光照模型 绘制方法 光线跟踪 辐射度 加速算法及其他 包围体树、自适应八叉树等 阴影算法、纹理合成 研究热点 真实感图形实时绘制 物体网格模型的面片简化，LOD, Occlusion culling 基于图象的绘制、基于Vedio绘制,野外自然景物的模拟：山、水、云、树、草、火等,清华
12、大学开发的自然景物设计平台生成的野外场景,Xfrog3.0生成的挪威云杉,非真实感绘制（Non-Photorealistic Rendering） Georges Winkenb1ach绘制的壶和碗(Siggraph96),计算机动画 计算机动画是生成一幅幅静态的图像，但是每一幅都对前一幅做微小得修改，当这些画面连续播放时，整个场景就产生视觉连续（人的视觉暂留现象） 生成动画的方法 基于特征的图像变形 二维形状混合 轴变形方法 三维自由形体变形（FFD）及其直接操作,基于特征的图象变形（猫变虎）,由三维FFD操作得到的鱼的变形图,用户接口 用户接口是人们使用计算机的第一观感，一个友好的图形化用
13、户界面能够大大提高软件的易用性。 微软公司Windows操作系统的普及，标志着图形学全面融入计算机的方方面面。 如今在任何一台普通的计算机上都可以看到图形学在用户接口方面的应用。,1.4 图形设备,一个图形系统通常由图形处理器、图形输入设备和图形输出设备构成。 1.4.1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,彩色CRT显示器 CRT（CRT CathodeRay Tube，阴极射线管） 组成 p9 电子枪 聚焦系统 加速系统 磁偏转系统,CRT显示器的简易结构图,工作原
14、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,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
15、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,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 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 p9 图1.8,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、蓝三种颜色的光。而电子枪也发出三束电子束来激发这三种物质，中间通过一个控制栅格来决定三束电子到达的位置 三束电子经过荫罩的选择，分别到达三个荧光点的位置。通过控制三个电子束的强弱就能控制屏幕上点的颜色
16、,荫罩式彩色CRT显色原理图,LCD显示器 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,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 没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响 LCD组成： 由六层薄板组成：第一层是垂直电极板；第二层是邻接晶体表面的垂直细网格线组成的电解层；第三层是液晶层（约0.177mm);第四层是与晶体另一面邻接的水平网格线层；第五层是水平电极层；第六层是反射层。,LCD显示器基本原理 液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它具有液体的流态性质和固体的光学性质。当液晶受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而发生形变，此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩 液晶屏幕后面有一个背光，这个光源先穿过第一层偏光板，再来到液晶体上，而当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变，从液晶体射出来的光线，还得必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板,
