圖形圖像學(xué)基礎(chǔ)1.ppt

1、圖形圖像學(xué)基礎(chǔ),教材及主要參考書(shū),教材： 計(jì)算機(jī)圖形學(xué), 任愛(ài)華編著, 北京航空航天大學(xué)出版社，2005 主要參考書(shū)： 何援軍，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)Computer Graphics with OpenGL:第三版，Hearn. D & Baker M.P.著，電子工業(yè)出版社，2004 數(shù)字圖像處理(第二版), 英文版, Gonzalez, R.C. & Woods, R.E., 電子工業(yè)出版社，2002,成績(jī)構(gòu)成,平時(shí)成績(jī)（40%） 出勤（10%） 課后作業(yè)（10%） 隨堂小測(cè)驗(yàn)（20%） 期末考試（60%）,第一章 緒論,什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容 應(yīng)用領(lǐng)域

2、 交互式圖形系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備 與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系,Computer Graphics (CG),計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究怎樣用計(jì)算機(jī)表示、生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科。,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義： 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究通過(guò)計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專門顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科。 它是建立在傳統(tǒng)的圖學(xué)理論、應(yīng)用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)上的一門邊緣學(xué)科。,幾何或3D的問(wèn)題,圖像或2D的問(wèn)題,CG研究的問(wèn)題,一般說(shuō)來(lái)，要在計(jì)算機(jī)上生成一幅表示物體的圖形，有三個(gè)要素： 如何在計(jì)算機(jī)中“表示”多彩的客觀世界：造型技術(shù) 在計(jì)算機(jī)中建立所要生成圖像的物體的模型 即給出表示該物體的幾何數(shù)據(jù)和拓?fù)潢P(guān)系

3、 如何在計(jì)算機(jī)中“表現(xiàn)”多彩的客觀世界：繪制技術(shù) 按照給定的觀察點(diǎn)及觀察方向?qū)⑽矬w模型在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來(lái) 人機(jī)交互技術(shù)： 為造型和繪制這兩個(gè)過(guò)程提供友好的人機(jī)界面,根據(jù)準(zhǔn)確性、真實(shí)性、實(shí)時(shí)性的要求，算法可大致分為以下幾類： 基于圖形設(shè)備的基本圖形元素的生成算法 圖形的變換和裁剪 自由曲線和曲面計(jì)算幾何 幾何造型技術(shù) 真實(shí)感圖形的生成算法 自然景物的生成分形幾何 顏色科學(xué)及其應(yīng)用 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)時(shí)交互式三維圖形處理,研究?jī)?nèi)容,圖形和圖像,圖形分為圖形類和圖像類 圖形類：以矢量圖形式呈現(xiàn)，在計(jì)算機(jī)中以場(chǎng)景的幾何模型與物理屬性表示的圖形。能體現(xiàn)景物的幾何個(gè)體，記錄體元的形狀參數(shù)與

4、屬性參數(shù)。如工程圖紙，其信息包含圖元的幾何信息與屬性信息。,圖形和圖像,圖形分為圖形類和圖像類 圖像類：以點(diǎn)陣圖形式呈現(xiàn)，在計(jì)算機(jī)中以具有顏色信息的點(diǎn)陣來(lái)表示的圖形。它更強(qiáng)調(diào)整體的形式，描述一個(gè)個(gè)點(diǎn)的灰度或色彩。如照片、掃描圖片等。其信息實(shí)際上是點(diǎn)與點(diǎn)的屬性信息（顏色、灰度、亮度等）。,CG的總體架構(gòu),數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 向量、矩陣、齊次坐標(biāo)、幾何變換等。 幾何 二維和三維空間的各種幾何模型和幾何造型方法 繪制 幾何的視覺(jué)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，CG的主要工作 圖形類：二維繪制以光柵化算法和裁剪算法為代表，三維繪制以線消隱算法為代表 圖像類：面消隱、光照模型、陰影模型、紋理模型、光源模型、顏色模型等。 交互技術(shù) CG

5、中相對(duì)獨(dú)立的一部分。通常是以WIMP為特征的圖形用戶界面,CG的發(fā)展簡(jiǎn)史,硬件 1950年第一臺(tái)圖形顯示器誕生 20世紀(jì)70年代光柵顯示器產(chǎn)生，圖形學(xué)進(jìn)圖了第一個(gè)興盛時(shí)期并開(kāi)始出現(xiàn)實(shí)用的CAD圖形系統(tǒng) 20世紀(jì)80年代中期，超大規(guī)模集成電路的發(fā)展使計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力提高，圖形處理速度加快，圖形學(xué)得到快速發(fā)展 基礎(chǔ)理論 1962年，Ivan E.Sutherland發(fā)表題為“Sketchpad:一個(gè)人機(jī)交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文，首次使用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(computer graphics)這個(gè)術(shù)語(yǔ)。 20世紀(jì)70年代，真實(shí)感圖形和實(shí)體造型技術(shù)產(chǎn)生 1980年Whitten提出了一個(gè)光透視模型并給

6、出光線跟蹤算法范例 1984年美國(guó)Conell和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分別用輻射度方法成功模擬了理想漫反射表面間的多重慢反射效果。真實(shí)感圖形算法日漸成熟。,應(yīng)用領(lǐng)域,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM) 科學(xué)計(jì)算可視化 影視制作 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 醫(yī)療 計(jì)算機(jī)藝術(shù) 圖形用戶界面等,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）,CAD/CAM是CG在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。 飛機(jī)、汽車、船舶、機(jī)電、輕工、服裝的外形設(shè)計(jì) 集成電路、印刷電路板的設(shè)計(jì) 建筑設(shè)計(jì) 基于工程圖紙的三維形體重建,影視制作,計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù)還被廣泛用于電影電視中的特技鏡頭的制作，產(chǎn)生以假亂真而又驚險(xiǎn)的特技效果，如模擬大樓被炸、橋梁

7、坍塌、在圖像中增加實(shí)際上不存在的物體等。,立體感和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),立體感和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),頭盔式顯示器 將觀察者的頭部位置及運(yùn)動(dòng)方向告訴計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)就可以調(diào)整觀察者所看到的圖景，使得呈現(xiàn)圖像更趨于真實(shí)感絕大多數(shù)頭盔式顯示器使用兩個(gè)顯示器 把用戶的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其他感覺(jué)封裝起來(lái)，產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的錯(cuò)覺(jué)。,虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),虛擬現(xiàn)實(shí)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，并使用傳感器設(shè)備與之相互作用。提供使用者關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般及時(shí)、沒(méi)有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。 虛擬現(xiàn)實(shí)在機(jī)器人遙操作方面的應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實(shí)在軍事方面的應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實(shí)在訓(xùn)練方面的應(yīng)用 ,虛擬

8、手術(shù)仿真,將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖象，并通過(guò)一定的技術(shù)生成在人體內(nèi)漫游的圖象，使得醫(yī)生能夠看到并準(zhǔn)確地判別病人的體內(nèi)的患處，然后通過(guò)碰撞檢測(cè)一類的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手術(shù)效果的反饋，幫助醫(yī)生成功完成手術(shù)。,科學(xué)計(jì)算的可視化,科學(xué)計(jì)算的可視化是 將科學(xué)計(jì)算過(guò)程中的數(shù)據(jù)及結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像 實(shí)際上也包括了工程計(jì)算可視化和測(cè)量數(shù)據(jù)可視化 其核心是三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化 可應(yīng)用于氣象預(yù)報(bào)、（CT）醫(yī)學(xué)圖象重建、流場(chǎng)、湍流、激波、石油地質(zhì)勘探、環(huán)境保護(hù)、核爆炸模擬、計(jì)算流體力學(xué)、天體物理、分子生物學(xué)、有限元分析、等許多領(lǐng)域。,事務(wù)和商務(wù)數(shù)據(jù)的圖形顯示,繪制表示經(jīng)濟(jì)信息的各類二、三維統(tǒng)計(jì)管理圖表 信息可視化:信息

9、流量，商業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，股市行情,圖形用戶界面,Window system and large-screen interaction metaphor,圖形輸入設(shè)備,鼠標(biāo)、鍵盤 數(shù)碼相機(jī) 采用的攝像感應(yīng)器有兩種 CCD CMOS：便宜，但質(zhì)量相對(duì)較差 掃描儀,圖形輸入設(shè)備,數(shù)據(jù)手套(Data glove) 可測(cè)量出手的位置和形狀，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境中的虛擬手及其對(duì)虛擬物體的操縱。 數(shù)據(jù)手套通過(guò)手指上的彎曲、扭曲傳感器和手掌上的彎度、弧度傳感器，確定手及關(guān)節(jié)的位置和方向。,圖形輸入設(shè)備,圖形輸入的一個(gè)特殊領(lǐng)域 真實(shí)物體的三維信息的輸入 零件進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)必須在計(jì)算機(jī)中生成三維實(shí)體模型 這個(gè)模型有時(shí)要通過(guò)已

10、有的實(shí)物零件得到 采集實(shí)物表面各個(gè)點(diǎn)的位置信息 掃描保存古代名貴的雕塑和其它藝術(shù)品的三維信息 在計(jì)算機(jī)中產(chǎn)生這些藝術(shù)品的三維模型,圖形輸出設(shè)備 陰極射線管(CRT) 組成 包括電子槍、聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏 工作原理 電子槍發(fā)射電子束 經(jīng)過(guò)聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 轟擊到熒光屏的指定位置 電子束能量被其內(nèi)表面的熒光物質(zhì)吸收產(chǎn)生亮點(diǎn),電子槍,電燈絲 陰極 由燈絲加熱發(fā)出電子束 控制柵 加上負(fù)電壓后，能夠控制通過(guò)其中小孔的帶負(fù)電的電子束的強(qiáng)弱 通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)電壓高低來(lái)控制電子數(shù)量 即控制熒光屏上相應(yīng)點(diǎn)的亮度,聚焦系統(tǒng),通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)控制電子束變細(xì)，保證亮點(diǎn)足夠小，提高分辯率 加速電極

11、 加正的高壓電（幾萬(wàn)伏） 使電子束高速運(yùn)動(dòng),控制靜電場(chǎng)或磁場(chǎng)，使電子束產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，最大偏轉(zhuǎn)角是衡量系統(tǒng)性能的最重要的指標(biāo)，顯示器長(zhǎng)短與此有關(guān)。,偏轉(zhuǎn)系統(tǒng),熒光屏,熒光物質(zhì)：吸收電子束而發(fā)光 余輝時(shí)間：電子束離開(kāi)某點(diǎn)后，持續(xù)發(fā)光時(shí)間 刷新(Refresh)：為了讓熒光物質(zhì)保持一個(gè)穩(wěn)定的亮度值 刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù) 像素(Pixel)：構(gòu)成屏幕（圖像）的最小元素 分辨率(Resolution)：CRT在水平或豎直方向單位長(zhǎng)度上能識(shí)別的最大像素個(gè)數(shù) 單位通常為dpi（dots per inch)。 在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個(gè)屏幕所能容納的像素個(gè)數(shù)描述 如640*480，800*6

12、00，1024*768，1280*1024等等,某種CRT產(chǎn)生穩(wěn)定圖像所需要的最小刷新頻率 =1秒/熒光物質(zhì)的持續(xù)發(fā)光時(shí)間 （例如）=1000/40=25Hz,紅、綠、蘭三基色 三色熒光點(diǎn)（很小并充分靠近-像素） 三支電子槍,電子槍、影孔板中的一個(gè)小孔和熒光點(diǎn)呈一直線 每個(gè)小孔與一個(gè)像素（即三個(gè)熒光點(diǎn)）對(duì)應(yīng),彩色陰極射線管,圖形輸出設(shè)備,向量式顯示器（20世紀(jì)60年代-80年代） 畫(huà)線設(shè)備，其電子束可以隨意移動(dòng)。只在屏幕上顯示圖形部分。電子束逐條跟蹤圖形的組成線條從而生成線條圖。 又稱畫(huà)線式顯示器、隨機(jī)掃描顯示器 光柵圖形顯示器（20世紀(jì)70年代） 畫(huà)點(diǎn)設(shè)備，可看作是一個(gè)點(diǎn)陣單元發(fā)生器。,向量

13、式顯示器,由顯示處理機(jī)、顯示緩沖存儲(chǔ)器和CRT組成 顯示緩沖存儲(chǔ)器（又稱刷新緩沖存儲(chǔ)器）：存放計(jì)算機(jī)生成的顯示程序。 顯示處理機(jī)：與CPU相連執(zhí)行畫(huà)線、畫(huà)字符的命令 向量系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是電子束從一個(gè)端點(diǎn)偏轉(zhuǎn)到另一個(gè)端點(diǎn)，稱為隨機(jī)掃描,光柵掃描的顯示系統(tǒng),特點(diǎn)： 畫(huà)點(diǎn)設(shè)備，可看做是點(diǎn)陣單元發(fā)生器 掃描方式：一次一行，從左到右從頂?shù)降?數(shù)據(jù)表示：像素矩陣 圖形定義保存在稱為幀緩存（刷新緩存） 的存儲(chǔ)器中?！皫笔侵刚麄€(gè)屏幕范圍。 幀緩沖存儲(chǔ)器（Frame Buffer) 作用：存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)屏幕上所有像素點(diǎn)的 顏色值 也稱刷新存儲(chǔ)器(Refreshing Buffer) 簡(jiǎn)稱幀緩沖器，俗稱顯存,光柵掃描式圖

14、形顯示器,寄存器,電子槍,CRT光柵,幀緩沖寄存器,DAC,1,1,具有一位幀緩存的黑白光柵顯示器結(jié)構(gòu)圖,幀緩存中單元數(shù)目與顯示器上像素的數(shù)目相同 各單元的數(shù)值決定了其對(duì)應(yīng)像素的顏色,位面技術(shù),N位寄存器,電子槍,CRT光柵,有N個(gè)位面的幀緩存,2NDAC,0,0,1,0,1,0,02N-1灰度值,位面中的單元與顯示器上的像素一一對(duì)應(yīng),人類的視覺(jué)可以區(qū)分大概128個(gè)灰度等級(jí),寄存器,幀緩存,0,0,1,CRT光柵,彩色光柵掃描現(xiàn)實(shí)器,紅綠藍(lán)三個(gè)位面，組合成8種顏色,若有24個(gè)位面（每種基色8個(gè)位面） 可同時(shí)顯示(28)3 =224=16777216種顏色（24位真彩色） 例：1024*768真

15、彩模式需要多少M(fèi)B的顯存？,位面技術(shù)（3/3）,位面技術(shù)小結(jié),顯存分成若干顏色的位平面（bit plane） 各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一個(gè)像素對(duì)應(yīng) 同一像素點(diǎn)在各位面占同一地址 不同位面上同一像素地址中的內(nèi)容決定像素的顏色,色平面越多，可表達(dá)的色彩越豐富,增加一個(gè)位面，色彩就增加一倍 而存儲(chǔ)器寫(xiě)操作程序無(wú)需重新計(jì)算新地址 程序兼容性好,顯存容量,分辨率M*N、顏色個(gè)數(shù)K與顯存容量V的關(guān)系 3個(gè)位面分辯率是10241024的顯示器 需要310241024（3145728）位的存儲(chǔ)器,顯存容量問(wèn)題,若存儲(chǔ)器位長(zhǎng)固定，則屏幕分辯率與同時(shí)可用的顏色種數(shù)成反比 1兆字節(jié)的幀緩存 若設(shè)分辯率為6

16、40480，則幀緩存每個(gè)單元可有24位，可能同時(shí)顯示224種顏色 若設(shè)分辯率為1024768，則每個(gè)單元分得的位數(shù)僅略多于8，只能工作于256色顯示模式下,高分辨率和真彩要求有大的顯存,衡量CRT的指標(biāo),屏幕尺寸大小 顯像管種類 點(diǎn)距 分辨率 畫(huà)面刷新頻率,LCD顯示器,CRT顯示器的缺點(diǎn)： 屏幕的加大導(dǎo)致顯象管的加長(zhǎng)，體積加大，使用時(shí)候受到空間的限制 利用電子槍發(fā)射電子束來(lái)產(chǎn)生圖像，產(chǎn)生輻射與電磁波干擾，長(zhǎng)期使用對(duì)健康不利,LCD顯示器,液晶顯示器 LCD（Liquid Crystal Display） 原理 液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質(zhì) 它具有液體的流態(tài)性質(zhì)和固體的光學(xué)性質(zhì) 當(dāng)液晶受到電壓的影響時(shí)，就會(huì)改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變 此時(shí)通過(guò)它的光的折射角度就會(huì)發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩,LCD顯示器,液晶屏幕后面有一個(gè)背光 這個(gè)光源先穿過(guò)第一層偏光板，再來(lái)到液晶體上 當(dāng)光線透過(guò)液晶體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光線的色澤改變 從液晶體射出來(lái)的光線，再經(jīng)過(guò)一塊彩色濾光片以及第二塊偏光板 由于兩塊偏光板的偏振方向成90度，再加上電壓的變化和一些其他裝置，