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計算機圖學 第 1 章,緒論

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計算機圖學 第 1 章,緒論 - PowerPoint PPT Presentation


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計算機圖學 第 1 章,緒論. 鄧姚文. 教材. 唐榮錫等 / 著 盧東華 / 校訂 ( 2005 ), 計算機 圖學 Introduction to Computer Graphics , 網 奕資訊科技股份有限公司, ISBN 9867236173 (書號 NE41090 ). 目標. 計算機圖學的應用越來越廣,越來越重要 繪製設計圖 AutoCAD, Pro/ENGINEER, Solid Works 動畫 3D MAX, MAYA 遊戲 藝術創作 本課程介紹計算機圖學的基本原理與應用. 第一章,緒論. Computer Graphics

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教材

唐榮錫等/著 盧東華/校訂 (2005),計算機圖學 Introduction to Computer Graphics, 網奕資訊科技股份有限公司, ISBN 9867236173 (書號 NE41090)

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目標
  • 計算機圖學的應用越來越廣,越來越重要
    • 繪製設計圖
      • AutoCAD, Pro/ENGINEER, Solid Works
    • 動畫
      • 3D MAX, MAYA
    • 遊戲
    • 藝術創作
  • 本課程介紹計算機圖學的基本原理與應用
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第一章,緒論
  • Computer Graphics
    • 計算機圖學
    • 電腦圖形學
  • 圖形無所不在
  • 景物的幾何建模
  • 場景著色
  • 人機互動界面
  • 電腦動畫
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圖形無所不在
  • 人類善於處理圖形,不善於計算
    • 幼兒睜開眼就能分辨人臉
    • 卻要長大以後才能夠算數學
  • 電腦善於計算,不善於處理圖形
    • CPU一秒鐘可以從事 Giga 次數學計算
    • 很難準確分辨人臉
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計算機圖學技術發展
  • 探討電腦如何
    • 產生圖形
      • Modeling
    • 處理圖形
      • Processing
    • 顯示圖形
      • Rendering
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圖形顯示器
  • 陰極射線管(Cathode Ray Tube,CRT)
  • 電漿顯示器(Plasma Display Panel)
  • 薄膜電晶體液晶顯示器(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display,TFT-LCD)
  • 像素 Pixel
  • 光的三原色
    • Red 紅
    • Green 綠
    • Blue 藍
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繪圖機、印表機
  • 繪圖機Plotter
  • 印表機Printer
    • 點陣
    • 噴墨
    • 雷射
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圖形輸入

掃描器Scanner

攝影機

數位相機(Digital Camera)

手機…

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影像處理與電腦圖學的關係
  • 電腦圖學
    • 幾何建模(Modeling)
    • 繪製技術(Rendering)
    • 圖形輸入
    • 人機互動界面(Human-Computer Interface,HCI)
    • 動畫(Animation)
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影像處理與電腦圖學的關係
  • 影像處理
    • 輸入影像、儲存(數位化)、處理與分析
    • 理解影像的內涵
    • 擷取影像中的景物建立二維、三維幾何模型
  • 影像處理是電腦圖學的『逆過程』
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計算機圖學的應用
  • 公路建設的勘查、設計、施工、營運
    • 航空攝影
    • GPS 衛星測量
    • 野外測量
    • 地質勘查
    • 建立地形地貌的三維數位模型
    • 路線規劃
    • 細部設計
    • 模擬公路行車駕駛
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計算機圖學的應用
  • 數位地球 Digital Earth
    • 1998/1/31 地理資訊系統年會
    • 以地球座標為依據,全方位蒐集和應用地表各種綜合資訊
    • 國土資源規劃
    • 水資源和環境監測保護
    • 自然災害預防
    • 城市規劃、社區管理
    • 城市災害、緊急事件動態管理
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計算機圖學的應用
  • CAD/CAM
    • CAD: 電腦輔助設計
      • Computer Aided Design
    • CAM: 電腦輔助製造
      • Computer Aided Manufacturing
      • NC: Numerical Control 計算數控
        • CNC: Computer Numerical Control 電腦數值控制、電腦數值控制工具機、自動控制車床
    • 1994 年 波音 777 客機設計製造
    • 1994 年 Chrysler Neon
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計算機圖學的應用
  • 資料視覺化 (Data Visualization)
    • 科學計算視覺化
    • 從大量的計算資料和測量資料中,發掘其中蘊含的自然、物理現象和規律
    • 給數據以形象、給資訊以智慧
    • 計算流體力學 (Computational Fluid Dynamics, CFD)
    • 飛機機翼的震波 (Shockwave)
    • 電腦斷層影像 (電腦斷層掃描、計算機斷層掃描,Computed Tomography, CT)
    • 核磁共振影像 (磁振造影,Magnetic Resonance Imaging,MRI)
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景物的幾何建模
  • 曲線建模
    • 從精確描述飛機、船舶、汽車的流線外型開始
    • 雷諾汽車工程師 貝茲 (Pierre Bezier)
      • 以折線勾畫曲線
      • 兩點 決定一條直線
      • 三點 、決定一條二次曲線,控制曲線起點和終點的切線向量,決定曲線的形狀
        • 伯恩斯坦 (Bernstein) 函數,貝茲曲線
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景物的幾何建模
  • 曲面建模
    • MIT 機械系教授 孔斯 (Steven Coons)
      • 曲面造型
    • 里森 費爾德 (R. F. Riesenfeld) 將貝茲曲線裡的伯恩斯坦函數換成 B-Spline 函數,形成 B-Spline 曲面,發展 NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline) 曲面
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景物的幾何建模
  • 曲面建模
    • Metaball模型
    • 位於 點的基元 在空間任意點 的勢能 (Potential)
    • 基元運算式
    • 由 N 個 Metaball構成的隱函數
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景物的幾何建模
  • 實體特徵建模
    • 實體造型(Solid Modeling)
      • 以類似堆積木的方式,組成機械結構
      • 基本體素:圓柱體、立方體、圓錐體、球面體
    • 特徵建模系統(Feature Modeling System)
      • 特徵元素:
        • 特定的名稱
        • 隱含幾何形狀、特定功能、設計知識、加工知識
      • 將齒輪分解成
        • 齒型、外緣、輪幅、軸孔、鍵槽等
      • 更高層次的CAD系統
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景物的幾何建模
  • 實體特徵建模
    • 參數化、可變異的特徵設計系統(Parametric Variational Feature-Based Design System)
      • 修改尺寸之後,零件自動改變形狀
      • 零件的特徵可以局部替換,變更零件結構
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景物的幾何建模
  • 碎形與粒子系統
    • 碎形(Fractal)
    • 結構精細
    • 不規則
    • 自我相似
    • 碎形的維度大於拓樸維度
    • 具有遞迴特性
  • http://agatelady.blogspot.tw/2011/09/fractal-geometry.html
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場景著色
  • 著色(Rendering)
    • 又翻譯為『渲染』
    • 景物的數位化幾何模型以二進位的形式輸入電腦
    • 從螢幕或繪圖機輸出
    • 讓人眼看見
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三維幾何圖形的顯示
  • 在場景座標系統中建立
    • 指定的視點和視線方向
    • 三維景物在垂直於視線方向的二維呈像平面(螢幕)上的投影
  • 刪除隱藏面
  • 取景轉換
    • 座標轉換
  • 剪掉超出螢幕範圍的場景
    • 減少 Rendering 的工作量
    • 提高速度
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建立景物表面的材質與光源
  • 計算光亮度
    • 表面材質與顏色
    • 光源性質與位置
    • 模擬光線傳播的物理機制
    • 透明、半透明處理
    • 鏡面反射
    • 物體互相遮蔽
    • 陰影
  • 二維紋理映射
    • 建立紋理庫
  • 反鋸齒演算法
    • 避免紋理細節因為離散像素失真
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攝影機取景法
  • 電腦產生的數位圖形,總比不上使用攝影機和數位相機拍攝照片來得迅速、有效率、逼真
  • 以影像為基礎的建模和著色
    • Image-Based Modeling and Rendering
  • Apple Inc. 陳獻章(Eric Chen)
    • 全景圖(Panorama)
    • 兩個觀察點之間的畫面:線性插值
  • 微軟中國研究院,沈向洋(Heung-Yeung Shum)
    • 同心拼圖
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虛擬景物與現實場景的融合
  • 幾何一致
    • 虛擬景物必須擺在正確的位置,與周遭已存在的物體相容
  • 光照一致
    • 光線、亮度、陰影
  • 運動一致
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人機互動介面
  • 虛擬實境(Virtual Reality,簡稱VR)
  • 人機介面(Human Computer Interface)
  • 傳統的人機介面
    • WIMP
      • Window 視窗
      • Icon 圖示
      • Menu 選單
      • Pointing Device 指向裝置
  • 三維輸入工具
    • 數位手套、操縱桿、三維滑鼠
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電腦動畫
  • SGI(Silicon Graphics Inc.)
  • 飛行訓練模擬器
  • 三維動畫演算法
    • 層次細節簡化
    • 變形(Deformation)
      • Morphing 變形
  • 虛擬演員
    • 人機融合