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1、图形图像学基础图形图像学基础教材及主要参考书n教材教材：计算机图形学, 任爱华编著, 北京航空航天大学出版社，2005n主要参考书主要参考书：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图形图像学基础序号授课内容1234567891011绪论计算机图形学的研究内容及其与相关学科的关系，计算机图形学的发展与应用。图形输入输出设备。基本图
2、形生成算法：直线、圆弧的DDA生成算法和Bresenham生成算法、扫描线填充算法的基本原理，有序边表算法，边填充算法，种子填充算法的基本原理，简单的种子填充算法，扫描线种子填充算法、线段的裁剪算法，多边形的裁剪算法。字符及反走样技术。图形变换：图形变换数学基础，齐次坐标技术、窗口视图变换，二、三维图形几何变换、平行投影、透视投影变换。曲线和曲面：参数曲线基础，常用的参数曲线：Bezier曲线、B样条曲线等、常用的参数曲面。 交互技术与用户接口。数字图像处理：数字图像基础，图像的表示，采样，直方图，二值化等。数字图像处理：空间域图像增强算法。*数字图像处理：频域图像增强算法图形图像学基础成绩构
3、成n平时成绩（40%）出勤（10%）课后作业（10%）随堂小测验（20%）n期末考试（60%）图形图像学基础第一章 绪论n什么是计算机图形学n图形学的研究内容n应用领域n交互式图形系统输入输出设备n与相关学科的关系图形图像学基础 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。 国际标准化组织国际标准化组织(ISO)的定义：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的问题图
4、形图像学基础CG研究的问题n一般说来，要在计算机上生成一幅表示物体的图一般说来，要在计算机上生成一幅表示物体的图形，有三个要素：形，有三个要素：如何在计算机中如何在计算机中“表示表示”多彩的客观世界：造型技术多彩的客观世界：造型技术n在计算机中建立所要生成图像的物体的模型在计算机中建立所要生成图像的物体的模型n即给出表示该物体的几何数据和拓扑关系即给出表示该物体的几何数据和拓扑关系如何在计算机中如何在计算机中“表现表现”多彩的客观世界：绘制技术多彩的客观世界：绘制技术n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显示出来人机交互技
5、术：人机交互技术：n为造型和绘制这两个过程提供友好的人机界面为造型和绘制这两个过程提供友好的人机界面图形图像学基础根据准确性、真实性、实时性的要求，算法可大根据准确性、真实性、实时性的要求，算法可大致分为以下几类：致分为以下几类：n基于图形设备的基本图形元素的生成算法n图形的变换和裁剪n自由曲线和曲面计算几何n几何造型技术n真实感图形的生成算法n自然景物的生成分形几何n颜色科学及其应用n计算机动画技术n虚拟现实技术实时交互式三维图形处理研究内容图形图像学基础图形和图像n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。能体现景物的几何个体，记录体元
6、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。图形图像学基础图形和图像n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。其信息实际上是点点与点的属性信息（颜色、灰度、亮度等）。图形图像学基础CG的总体架构n数学基础向量、矩阵、齐次坐标、几何变换等。n几何二维和三维空间的各种几何模型和几何造型方法n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、纹理模型、光源模型、颜
7、色模型等。n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图形图像学基础CG的发展简史n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n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产生1980年Whitten
8、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。图形图像学基础应用领域n计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)n科学计算可视化n影视制作n虚拟现实系统n医疗n计算机艺术n图形用户界面等图形图像学基础计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）nCAD/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图形图像学基础影视制作计算机动画技术还被广泛用于电影电视中的特技镜头的制作，产生
9、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。图形图像学基础立体感和虚拟现实系统立体感和虚拟现实系统图形图像学基础立体感和虚拟现实系统立体感和虚拟现实系统n头盔式显示器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
10、错觉。在虚拟环境中的错觉。图形图像学基础虚拟现实系统n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图形图像学基础虚拟手术仿真n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。图形图像学基础科学计算的可视化n科学计算的可视化是将科学计算
11、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n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、等许多领域。 图形图像学基础事务和商务数据的图形显示n绘制表示经济信息的各类二、三维统计管理图表n信息可视化:信息流量，商业统计数据，股市行情图形图像学基础图形用户界面Window system and large-screen interaction metaphor图形图像学基础图形输入设备图形输入设备n鼠标、键盘鼠标、键盘n数码相机数码相机采用的
12、摄像感应器有两种采用的摄像感应器有两种nCCDnCMOS：便宜，但质量相对较差：便宜，但质量相对较差n扫描仪扫描仪图形图像学基础图形输入设备图形输入设备n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。图形图像学基础图形输入设备图形输入设备n图形输入的一个特殊领域图形输入的一个特殊领域真实物体的三维信息的输入真实物体的三维信息的输入 n零件进行大规模生产必须在计算机中生成三维实体模零件进行大规模生产必须在计算机中生成三维实体模型型这个模型有时要通过已有
13、的实物零件得到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采集实物表面各个点的位置信息n扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维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在计算机中产生这些艺术品的三维模型 图形图像学基础图形输出设备图形输出设备阴极射线管阴极射线管(CRT)组成组成包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏工作原理工作原理电子枪发射电子束电子枪发射电子束经过聚焦系统、加速电极、偏转系统经过聚焦系统、加速电极、偏转系统轰击到荧光屏的指定位置轰击到荧光屏的指定位置电子束
14、能量被其内表面的荧光物质吸收产生亮点电子束能量被其内表面的荧光物质吸收产生亮点图形图像学基础电子枪电子枪电灯丝电灯丝阴极阴极n由灯丝加热发出电子束由灯丝加热发出电子束控制栅控制栅n加加上上负负电电压压后后，能能够够控控制制通通过过其其中中小小孔孔的的带带负负电电的的电子束的强弱电子束的强弱n通过调节负电压高低来控制电子数量通过调节负电压高低来控制电子数量n即控制荧光屏上相应点的亮度即控制荧光屏上相应点的亮度图形图像学基础聚焦系统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 加速电极加速电极 加正的高压电（几万伏）加正的
15、高压电（几万伏） 使电子束高速运动使电子束高速运动 控控制制静静电电场场或或磁磁场场，使使电电子子束束产产生生偏偏转转，最最大大偏偏转转角角是是衡衡量量系系统统性能的最重要的指标，显示器长短与此有关。性能的最重要的指标，显示器长短与此有关。偏转系统偏转系统图形图像学基础荧光屏荧光屏 荧光物质：吸收电子束而发光荧光物质：吸收电子束而发光l余辉时间：电子束离开某点后，余辉时间：电子束离开某点后，持续发光时间持续发光时间l刷新刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值l刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数l像素像素(Pixel
16、)：构成屏幕（图像）的最小元素构成屏幕（图像）的最小元素l分辨率分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数 单位通常为单位通常为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 如如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等等等某种某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率产生稳定图像所需要的最小刷新频率=1秒秒/荧光物质的持续发光时间荧光物质的持续发光时间（
17、例如）（例如）=1000/40=25Hz图形图像学基础红、绿、兰三基色红、绿、兰三基色三色荧光点（很小并充分靠近三色荧光点（很小并充分靠近-像素）像素）三支电子枪三支电子枪电子枪、影孔板中的一个小电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光点呈一直线孔和荧光点呈一直线每个小孔与一个像素（即三每个小孔与一个像素（即三个荧光点）对应个荧光点）对应彩色阴极射线管彩色阴极射线管图形图像学基础图形输出设备图形输出设备n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n光栅图形显示器（20世纪
18、70年代）画点设备，可看作是一个点阵单元发生器。图形图像学基础向量式显示器n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n向量系统的实质是电子束从一个端点偏转到另一个端点，称为随机扫描图形图像学基础光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统n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”是指整个屏幕范围。n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
19、储器(Refreshing Buffer)简称帧缓冲器，俗称显存图形图像学基础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DAC11具有一位帧缓存的黑白光栅显示器黑白光栅显示器结构图l帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同l各单元的数值决定了其对应像素的颜色各单元的数值决定了其对应像素的颜色图形图像学基础位面技术N位寄存器电子枪CRT光栅有N个位面的帧缓存2NDAC0 0101002N-1灰度值l位面中的单元与显示器上的像素一一对应位面中的单元与显示器上的像素一一对应图形图像学基础n人类的视觉可以区分大概128个灰度等级图形图像学基础寄存器蓝
20、色枪帧缓存DAC0001CRT光栅01DACDAC红色枪绿色枪彩色光栅扫描现实器彩色光栅扫描现实器DACDAC红绿蓝Black000Blue001Green010Cyan011Red100Magenta101Yellow110White111l红绿蓝三个位面，组合成红绿蓝三个位面，组合成8种颜色种颜色图形图像学基础n若有若有24个位面（每种基色个位面（每种基色8个位面）个位面）n可同时显示可同时显示(28)3 =224=16777216种颜色（种颜色（24位真彩色）位真彩色）n例：例：1024*768真彩模式需要多少真彩模式需要多少MB的显存？的显存？位面技术（位面技术（3/3）蓝色枪DAC.
21、DACDAC红色枪绿色枪DACDAC图形图像学基础位面技术小结位面技术小结n显存分成若干颜色的位平面（显存分成若干颜色的位平面（bit plane）n各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一个像素对应各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一个像素对应n同一像素点在各位面占同一地址同一像素点在各位面占同一地址n不同位面上同一像素地址中的内容决定像素的颜色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而存储器写操作程序无需重新计算新地址程序兼容性好程序兼容性
22、好图形图像学基础显存容量n分辨率分辨率M*N、颜色个数、颜色个数K与显存容量与显存容量V的关系的关系3个位面分辩率是个位面分辩率是10241024的显示器的显示器n需要需要310241024（3145728）位的存储器）位的存储器图形图像学基础显存容量问题n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n高分辨率和真彩要求有大的显存高分辨率和真彩要求
23、有大的显存图形图像学基础衡量衡量CRT的指标的指标n屏幕尺寸大小屏幕尺寸大小n显像管种类显像管种类n点距点距n分辨率分辨率n画面刷新频率画面刷新频率 图形图像学基础LCD显示器nCRT显示器的缺点：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电磁波干扰，长期使用对健康不利 图形图像学基础LCD显示器 n液晶显示器液晶显示器LCD（Liquid Crystal Display）n原理原理液晶是一
24、种介于液体和固体之间的特殊物质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理性质而发生形变 此时此时通过它的光的折射角度通过它的光的折射角度就会发生变化，就会发生变化，而产生色彩而产生色彩 图形图像学基础LCD显示器n液晶屏幕后面有一个液晶屏幕后面有一个背光背光n这个光源先穿过这个光源先穿过第一层偏光板第一层偏光板，再来到再来到液晶体液晶体上上n当光线透过液晶体时，就会产生当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变光线的色泽改变n从液
25、晶体射出来的光线，再经过从液晶体射出来的光线，再经过一块一块彩色滤光片彩色滤光片以及以及第二块偏光第二块偏光板板n由于两块偏光板的偏振方向成由于两块偏光板的偏振方向成90度，再加上电压的变化和一些度，再加上电压的变化和一些其他装置，就能显示我们想要的其他装置，就能显示我们想要的颜色了颜色了 图形图像学基础LCD显示器n基本技术指标基本技术指标 可视角度可视角度n指左右两边的可视最大角度相加指左右两边的可视最大角度相加 点距点距n两个液晶颗粒（光点）之间的距离两个液晶颗粒（光点）之间的距离 分辨率分辨率 n指其真实分辨率指其真实分辨率n比如比如1024768的含义就是指该液晶显示器含有的含义就是
26、指该液晶显示器含有1024768个液晶颗粒个液晶颗粒 图形图像学基础LCD显示器n显示效果有差距显示效果有差距n但有后来居上之势但有后来居上之势 外观小巧精致，厚度只有外观小巧精致，厚度只有6.58cm左右左右液晶象素总是发光，只有加上不发光的电压时该点液晶象素总是发光，只有加上不发光的电压时该点才变黑，不会产生闪烁现象才变黑，不会产生闪烁现象 工作电压低，功耗小，节约能源工作电压低，功耗小，节约能源 没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响 图形图像学基础与相关学科的关系图形图像学基础数字图像处理数字图像处理计计算算机机图图形形学学图图 形形计算几何计算几何特特 征征 数数 据据几几 何何 模模 型型图图 像像计计算算机机视视觉觉图形图像学基础
