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计算机图形学

计算机图形学. 傅向华 深圳大学信息工程学院 Email: fuxh@szu.edu.cn 电话 : 26534380 办公楼 339. 课程性质：综合选修课 学分： 2.5 上课时间地点： 每周四 1,2 节 A209 教室，双周周五 3,4 节 D506 机房 教材： 倪明田、吴良芝，计算机图形学，北京大学出版社， 1999.11 主要参考书： 1. 孙家广、胡事民，计算机图形学基础教程，清华大学出版社， 2005.2

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计算机图形学

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  1. 计算机图形学 傅向华 深圳大学信息工程学院 Email: fuxh@szu.edu.cn 电话: 26534380 办公楼339

  2. 课程性质：综合选修课 学分：2.5 上课时间地点： 每周四1,2节 A209教室，双周周五3,4节 D506机房 教材： 倪明田、吴良芝，计算机图形学，北京大学出版社，1999.11 主要参考书： 1. 孙家广、胡事民，计算机图形学基础教程，清华大学出版社，2005.2 2. David F. Rogers，Procedural Elements for computer Graphics，机械工业出版社，2004.8(计算机图形学的算法基础) 3. Zhigang Xiang, Roy Plastock著,陈泽琳,陈展文,陈屹等译. 计算机图形学习题与解答.机械工业出版社.

  3. 考试（成绩分布）： 平时成绩 30－40％，期末考试成绩60－70％

  4. 第一章 计算机图形学概述 • 计算机图形学的研究内容 • 计算机图形学应用举例 • 计算机图形学发展历史 • 图形显示设备 • 交互式图形系统的逻辑结构 • 当前的研究动态

  5. 计算机图形学的研究内容（1/2） • 图形：计算机图形学的研究对象 • 能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象 • 包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描述的图形等等 • 构成图形的要素 • 几何要素：刻画对象的轮廓、形状等 • 非几何要素：刻画对象的颜色、材质等 • 计算机中表示图形的方法 • 点阵表示 • 枚举出图形中所有的点 • 简称为图像（数字图像） • 参数表示 • 形状参数+属性参数 • 简称为图形

  6. 计算机图形学的研究内容（2/2） • 计算机图形学的研究内容 • 图形的输入 • 图形的处理 • 图形的输出 • 与相关学科的关系 图像生成（计算机图形学） 数字图像 数据模型 图像变换 （图像处理） 模型变换 （计算几何） 模型（特征）提取 （计算机视觉，模式识别）

  7. 计算机图形学应用举例（1/8） 命令行界面CLI • 图形用户界面 • 发展历程 • 操作系统 • Macintosh，OS/2，Windows，Unix/X-Window 人 机 界 面 图形用户界面GUI 多通道用户界面(MMI)

  8. 计算机图形学应用举例（2/8） • 计算机辅助设计 • Computer-Aided Design • 应用领域：飞机、轮船、汽车外形，大规模集成电路，建筑，服装，玩具 • 优点：设计周期短，成本低，质量高

  9. 计算机图形学应用举例（3/8） • 科学计算可视化 • Scientific Visualization • 必要性：直接分析大量的测量数据或统计数据有困难 • 目标：用图形表现抽象的数据 • 应用领域：医学，遥感，流场等等 波在单向环氧石墨中传播的可视化演示

  10. 计算机图形学应用举例（4/8） • 科技、教育、商业领域的交互式绘图 股票趋势分析

  11. 计算机图形学应用举例（5/8） • 计算机艺术 • 书法、艺术图片 • 输入工具：键盘、鼠标、手写笔等等 • 软件工具：PhotoShop、CorelDraw、PaintBrush等等 • 优点：功能多、创作轻松、调色方便等等 • 缺点：目前难以容入人的灵感（未来的研究课题）

  12. 计算机图形学应用举例（6/8） • 地理信息系统 • Geographical Information System • 建立在地理图形之上的关于各种资源的综合信息管理系统 • 例如百度地图搜索 (http://map.baidu.com/) • 计算机动画及广告影视创作 • 传统动画：费时费力，质量差， • 例子：《大闹天宫》，90*60*24=129,600张胶片，几十位动画工作者近4年的时间 (1960 – 1964年)，近7万张画作 • 计算机动画（Computer Animation):效率高，质量高 • 例子：《侏罗纪公园》 • 计算机动画创作工具：3D MAX, MAYA等等

  13. 计算机图形学应用举例（7/8） • 电脑游戏 • 实时性 • 逼实性 • 蕴含了先进的图形处理技术 DirectX演示 • 多媒体系统 • 在计算机控制下，对多种媒体信息进行生成、操作、表现、存储、通信、或集成的信息系统，其中媒体至少应包括一种“连续媒体”及一种“离散媒体”。 • 计算机处理的常见媒体：文本、图形、图像、语音、音频、视频、动画，与图形处理相关的是关键。 • 特点：媒体的多样性、操作的交互性、系统的集成性

  14. 计算机图形学应用举例（8/8） • 虚拟现实系统 • Virtual Reality 或称虚拟环境（Virtual Environment) • 是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。 • 主要研究用计算机模拟（构造）三维图形空间，并使用户能够自然地与该空间进行交互。对三维图形处理技术的要求特别高。 • 20世纪80年代初，美国的DARPA为坦克编队作战训练开发了一个实用的虚拟战场系统SIMNET。 • 1997年7月，地球上的工程师通过虚拟现实系统操纵距地1.9亿公里的火星上的火星车。 • 输入输出设备，如头盔式显示器、立体耳机、头部跟踪系统以及数据手套等。

  15. 计算机图形学应用举例（9/9） • 网上虚拟现实：虚拟现实建模语言VRML （1994年3月在日内瓦召开的第一届WWW大会上，首次正式提出了VRML这个名字。） VRML例子 (http://www.web3dchina.com/product.html) 校园漫游

  16. 计算机图形学发展历史 • 50年代,阴极射线管显示器出现,用于显示输出,不具交互功能。 • 随后, 林肯实验室 战术防空系统SAGE 交互图形技术诞生 • 1963 Ivan Sutherland研制SKETCH-PAD系统，第一台光笔交互式CRT显示器, 奠基人 • 60年代中后期,计算机辅助设计系统在航空、汽车等领域开展起来 • 80年代后，廉价图形输入输出和大容量存储介质的出现，图形处理芯片的出现，使得交互式图形学广泛应用。

  17. 计算机图形学发展历史（1/7） 60年代中后期出现,只能绘制线条,任意方向连续扫描 • 图形显示设备的发展 画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器） 存储管式显示器 60年代末期, 具有内在的存储部件, 靶像，静态图像 70年代初, 以点阵形式表示图形. 点阵存放在专用缓冲区中,由视频控制器负责扫描,显示图形. 刷新式光栅扫描显示器 平板显示器 (液晶显示器, 等离子显示器)

  18. 计算机图形学发展历史（2/7） • 刷新式 电子束轰击荧光屏产生的亮点只能持续极短的时间，为了产生静态的不闪烁的图像，电子束必须周期性地反复扫描所要绘制的图形，这个过程称为刷新. • 存储管式 内置金属网受到电子束轰击之后形成靶像，它可以持续发出电子，在荧光屏上产生静态图像 • 画线显示器 • 只能显示线条 • 价格昂贵 • 存储管式显示器 • 无需刷新，价格较低 • 没有动态修改图形的能力

  19. 计算机图形学发展历史（3/7） • 刷新式光栅扫描显示器 • 价格低 • 性能高 • 成为当前的主流显示器 等离子显示器 依靠高电压来激活显像单元中的特殊气体，使它产生紫外线来激发磷光物质发光。 用于比较大的屏幕,如等离子电视,大于40寸 液晶显示器 通过电流来改变液晶面板上的薄膜型晶体管内晶体的结构，使它显像。 用于比较小的屏幕,如30寸一下,电脑的显示器,液晶电视

  20. 计算机图形学发展历史（4/7） • 图形输入设备的发展 • 第一阶段：控制开关、穿孔纸等等 • 第二阶段：键盘 • 第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等， • 第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等 • 第五阶段：用户的思维? 发展方向是使人能够更自然、更方便地与计算机进行交互

  21. 计算机图形学发展历史（5/7）

  22. 计算机图形学发展历史（6/7）

  23. 计算机图形学发展历史（7/7） 70年代 早期 1979年后 • 图形软件的发展及软件标准的形成 • 发展历程 • 两类标准 • 官方标准（标准组织制定的标准）： 核心图形系统CGS(Core Graphics System)，1977年美国计算机协会公布 计算机图形接口CGI(Computer Graphics Interface), ISO公布； 计算机图形元标准CGM(Computer Graphics Metafile); 计算机图形核心系统GKS(Graphics Kernel System); 1984年 ISO和ANSI 程序员层次交互式图形系统PHIGS(Programmer’s Herarchical Interactive Graphics System); 1986年ISO和ANSI 初始图形交换规范IGES(Initial Graphics Exchange Specification),1983年，美国国家标准局； • 工业标准（事实上的标准）：SGI等公司的OpenGL，微软公司的DirectX，X财团的Xlib（X-Windows），Adobe公司的PostScript等等 诸侯割据 标准讨论 标准形成

  24. 计算机图形学发展历史（7/7） • 图形软件标准是指系统的各界面之间进行数据传递和通信的接口标准，称为图形界面标准；供各种应用程序调用子程序功能及格式标准，称为子程序界面标准。 • 交互式图形系统需要在四个层次上实现界面标准化 • (1) 应用程序与它所处理的数据之间的数据接口 • (2) 应用程序与图形软件包之间的接口 • (3) 图形软件包与图形硬件之间的接口 • (4) 数据文件接口

  25. 图形显示设备(1/21) (阴极射线管显示器) • 阴极射线管(CRT, cathode-ray tube) • 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，轰击到荧光屏的不同部位，被其内表面的荧光物质吸收，发光产生可见的图形。 • 结构

  26. 图形显示设备(2/21) • 荧光屏 (显示图形) • 荧光物质：吸收电子束而发光 • 持续发光时间：电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值1/10所需的时间 • 刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值,不断重 复绘制图形. • 刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数 • 像素(Pixel:Picture Cell)：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）=1000ms/40ms=25Hz

  27. 图形显示设备(3/21) • 彩色阴极射线管 • 产生彩色的常用方法：射线穿透法、影孔板法 • 射线穿透法 • 原理 • 应用：画线显示器 • 优点：成本低 • 缺点：只等产生有限几种颜色 产生颜色 荧光涂层 低速电子束 电子束 较低速电子束 较高速电子束 高速电子束

  28. 图形显示设备(4/21) • 影孔板法 • 原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素的位置 外层玻璃 影孔板 荧光涂层

  29. 图形显示设备(5/21) • 影孔板的类型 • 点状影孔板 代表：大多数球面与柱面显像管 • 栅格式影孔板 代表：Sony的Trinitron (单枪三束)与Mitsubishi的Diamondtron 显像管 (三枪三束) 两大好处：一是把相互平行的垂直铁线阵形安装在一个铁框里，垂直部分没有任何东西阻挡，增强了电子流通量，也增强了纵向方向的透光度，透出的光线比荫罩式显像管多一倍，因而特丽珑显像管的明亮度和颜色饱和度要比其他的显像管都要好；二是间条式栅罩的阻碍光率十分少，长时间使用后也不会膨胀或变形，避免发生颜色突变或亮度变弱的情况。 • 沟槽式影孔板 代表：LG的Flatron显像管 (未来窗) 可以得到更大的电子流通量，也使荫罩网面的受力即稳定情况比较好。

  30. 图形显示设备(6/21) • 点状影孔板工作原理 • 红、绿、兰三基色 • 三色荧光点 • 三个电子枪

  31. 图形显示设备(7/21) • 显示器能同时显示的颜色个数 如果每个电子枪有256个等级，则显示器能同时显示256*256*256=16M种颜色，称为真彩系统

  32. 图形显示设备(8/21) • 点距

  33. 图形显示设备(9/21) • *纯平显示器* • 走向平面的显像管 • 球面显象管： • 表面：球面的一部分 • 时间：~90年代初 • 柱面显象管： • 表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有弯曲 • 时间：90年代中期 • 代表：Sony公司的Trinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron • 平面直角显象管 • 表面：球面的一部分，类似于平面 • 时间：90年代中后期 • 现在市场上的主流显象管 • 纯平显象管 • 表面：纯平面 • 时间：90年代后期 • 代表：Sony公司的FD Trinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron，Samsung公司的DanyFlat，LG公司的Flatron • 今后的主流显象管

  34. 图形显示设备(11/21) • 随机扫描显示系统 • 特点：电子束在任意方向上自由移动 • 逻辑部件：刷新存储器(Refreshing Buffer)，显示处理器(DPU:Display Processing Unit)，CRT • 系统结构

  35. 图形显示设备(12/21) • 显示文件(Display File) 刷新存储器中所有绘图命令组成的文件 • 工作原理: 应用程序发出绘图命令,被解释成显示处理器可接受的命令格式,存放在刷新存储器之中.组成一个显示文件,驱动电子枪在屏幕上绘图. • 光栅扫描显示系统 • 特点：光栅扫描 (按固定的扫描线从左到右,从上到下进行扫描) • 扫描线 • 帧 (一次扫描所产生的图像) • 水平回扫期 • 垂直回扫期

  36. 图形显示设备(13/21)

  37. 图形显示设备(14/21) • 绘图过程

  38. 图形显示设备(15/21) • 逻辑部件：帧缓冲存储器（Frame Buffer)，视频控制器（Video Controller)，显示处理器（Display Processor），CRT • 帧缓冲存储器 • 作用：存储屏幕上像素的颜色值 • 简称帧缓冲器，俗称显存 • 工作原理 帧缓冲器中的单元数目与显示器上的像素数相同,单元与象素一一对应,各单元的数值决定了其对应的像素的颜色.

  39. 图形显示设备(16/21) • 分辨率M*N、颜色个数K与显存大小V的关系 • 可以同时显示16兆种颜色的显示系统称为真彩显示系统 • 带宽T与分辨率、帧频F的关系 • 两个问题：显存问题和带宽问题 • 显存问题 • 高分辨率和真彩要求有大的显存； • 曾经是个问题！ • 解决方法：采用查色表(Lookup Table）或称彩色表(Color Table) • 查色表工作原理 帧缓冲器保存查色表各项的索引值. 1024*768真彩模式需要3M字节显存

  40. 图形显示设备(17/21) • 带宽问题 • 高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽 • 依然是个问题！ • 解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用，主流地显示器都采用逐行扫描方式） • 隔行扫描的工作原理：把一帧分两场，即奇数场与偶数场 • 场频：==2*帧频 1024*768/85模式需要85M带宽

  41. 图形显示设备(18/21) • 简单的光栅扫描图形显示系统的结构 • 较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构

  42. 图形显示设备(19/21) Y • 视频控制器 • 作用：负责刷新,建立缓冲单元与像素之间的一一对应 • 结构 • 工作原理 • 双缓冲机制（Double Buffer) 可以同时进行读写 屏幕坐标 X 普通显卡=视频控制器+显存

  43. 图形显示设备(20/21) • 显示处理器 • 作用：代替CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等 • 具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构 图形加速卡=视频控制器+显存+显示处理器

  44. 图形显示设备(21/21) • 光栅显示系统的特点 • 优点： • 成本低 • 易于绘制填充图形 • 色彩丰富 • 刷新频率一定，与图形的复杂程度无关 • 易于修改图形 • 缺点： • 需要扫描转换 • 会产生混淆 优点使其占据了市场主流 缺点正在被克服

  45. 交互式系统的逻辑结构（1/5） • 多数交互式图形系统的逻辑结构 例子 应用程序 用户通过其创建、修改、编辑应用模型 应用模型 用户设计图形的数据表示 图形软件包 由一系列输入输出汗水祖传，负责图形的最终显示 Bmp 图像 Windows API 输入输 出设备 PaintBrush

  46. 交互式系统的逻辑结构（2/5） • 图形软件包 介于硬件设备和应用程序之间，起到桥梁作用 • 内容 • 图形系统管理程序 • 显示输出图元的程序 • 图形变换 • 交互处理程序 • 对图形软件包的一般要求 • 风格好，概念明确一致 • 易于使用，便于扩充和移植 • 具有良好的层次结构和模块结构 • 一般分为三层 最低层 设备驱动程序 中间层 完成基本图元生成，设备管理等 最高层 建立图形数据结构，定义，修改和输出图形 • 例子：Windows API, OpenGL, DirectX, X/Lib等等

  47. 交互式系统的逻辑结构（3/5） • 应用模型 • 描述图形对象及他们之间的关系 例如空间中两个立方体的应用模型 包括描述图元的几何数据，属性数据以及相互关系的数据 • 与应用程序相关 • 数据模型：完全由数据刻画的应用模型

  48. 交互式系统的逻辑结构（4/5） • 过程模型：有数据和一些过程共同刻画的应用模型

  49. 交互式系统的逻辑结构（5/5）

  50. 当前的研究动态（1/7） • 造型技术（研究如何在计算机中构造二维、三维物体的模型,并合适表示） • 规则形体：欧氏几何方法 (Bezier曲线、曲面、 非均匀有理B样条 NURBS) • 不规则形体： （不能用欧氏几何描述,如山,水,草,云,烟等） • 分形几何方法 • 粒子系统 • 纹理映射 （表面纹理,几何纹理）

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