第四章 圖形處理技術(shù)

1、Page Page 1 1第6章 計算機圖形學與圖形處理技術(shù)n 6.1 計算機圖形學概論 n 6.2計算機圖形學的發(fā)展與應用 n 6.3 二維矢量繪圖與編輯n 6.4 三維真實感圖形技術(shù)n 6.5 實時真實感圖形學技術(shù)n 6.6 矢量圖格式與繪圖軟件Page Page 2 26.1 計算機圖形學概論 n 6.1.1 計算機圖形學研究的主要內(nèi)容圖6-2 利用真實感圖形技術(shù)生成的的實體模型Page Page 3 3n 6.1.2 計算機圖形處理的基本內(nèi)容圖形處理包括的主要內(nèi)容有:n 幾何變換，如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、透視和投影等 n 曲線和曲面擬合n 建模或造型 n 隱線隱面消除 n 陰暗處理 n 紋

2、理產(chǎn)生 n 著色 Page Page 4 4n 6.1.3 計算機圖形系統(tǒng)的組成與功能作為一個圖形系統(tǒng)，至少應具有計算、存儲、輸入、輸出、人機交互等五個方面的基本功能。 n 計算功能 n 存儲功能 n 輸入功能 n 輸出功能 n 人機交互功能 Page Page 5 56.2 計算機圖形學的發(fā)展與應用n 6.2.1 計算機圖形學的發(fā)展DAC-1, 世界上首個用于汽車發(fā)動機設計的CAD系統(tǒng)，1959年由IBM開發(fā)世界上第一臺光筆交互式 圖形顯示器IBM2250圖6-4 早期的計算機圖形應用系統(tǒng)Page Page 6 6n 6.2.2 計算機圖形學的應用領(lǐng)域1.計算機輔助設計與制造（CAD/CAM

3、） 圖6-5 用CAD設計的波音（BOEING）777 Page Page 7 72.圖形化的用戶接口 3.地形地貌和自然資源圖 4.科學計算可視化5. 計算機動畫和藝術(shù) 三維動畫電影精靈鼠小弟 計算機創(chuàng)作的靜物風格作品 圖6-7 計算機動畫與藝術(shù)創(chuàng)作 Page Page 8 86.3 二維矢量繪圖與編輯n 6.3.1 矢量圖形對象與繪圖工具1.矢量圖形對象2.繪圖工具 圖6-8 矢量繪圖軟件提供的工具箱 Page Page 9 9交互式工具是矢量繪圖軟件中的一個非常重要的功能，通過 一系列的交互工具的使用，可以創(chuàng)建出令人驚嘆的效果。使 用“調(diào)和工具”，可以將兩個對象通過調(diào)和平滑的組合在一 起

4、，在矢量圖形對象之間產(chǎn)生形狀、顏色的連續(xù)變化 （圖6-9a）。交互式變形工具可以同時對多個矢量對象進行變 形（圖6-9b）。(a)交互式調(diào)和工具效果(b)交互式變形工具效果（注意變形前后兩個圖形的不同）圖6-9 交互式工具的使用Page Page 1010智能繪圖工具自動對涂鴉的線條進行識別、判斷并組織成 最接近的幾何形狀，如圖6-10所示。圖6-10 智能繪圖工具能將手繪草圖 轉(zhuǎn)換成最接近的幾何形狀Page Page 1111n 6.3.2路徑與錨點n 開放路徑：路徑有兩個明顯的端點（錨點），中間有任意數(shù)目的定位點。n 閉合路徑：路徑是連續(xù)的，沒有終點和起始點。閉合路徑對象是可以填充的，而開

5、放路徑對象則不能填充。n 復合路徑：由兩個或多個開放或閉合路徑組成。 圖6-11 路徑及其繪圖實例Page Page 1212n 6.3.3 曲線編輯圖6-12 由兩個Bazzier曲線段連接而成的曲線，拖動方向線可改變曲線的彎曲形狀Page Page 1313n 6.3.4填充與漸變 圖6-13 漸變與圖案填充效果 圖6-14 漸變網(wǎng)格應用示意圖及作品Page Page 1414n 6.3.5 矢量字體圖6-15 用矢量繪圖軟件設計的美術(shù)字體Page Page 1515n 6.3.6 三維造型圖6-16 用Adobe Illustrator CS矢量繪圖軟件設計的三維圖形Page Page

6、16166.4 三維真實感圖形技術(shù)n 6.4.1 真實感圖形技術(shù)研究的內(nèi)容n 6.4.2 計算機三維圖形建模與表示1.三維物體的投影與透射圖6-17 直線段P1P2在投影平面平行投影 Page Page 17172.多邊形網(wǎng)格模型圖6-19 一個物體的多邊形網(wǎng)格表示Page Page 1818圖6-20 三維模型的面是由多邊形或曲面組成的Page Page 19193.三維物體的數(shù)值表示n 圖6-21為一立方體模型。立方體的頂點表坐標構(gòu)成該物體的三維模型信息。 圖6-21 立方體模型的頂點表示 Page Page 20204.如何獲取多邊形網(wǎng)格(a) 三維數(shù)字化儀 (b)實物 (c)物體表面的

7、網(wǎng)格表示 圖6-22 利用三三維數(shù)字化儀為創(chuàng)建三維模型Page Page 2121n 6.4.3 三維幾何造型方法圖6-23 三維實體模型的表示Page Page 2222 圖6-24 復雜曲面的三維建模應用：表面模型（左圖）與實體模型（右圖）Page Page 2323n 6.4.4 三維物體消隱 (a)線框圖 (b)從右上往下看 （C）從左下住上看 圖6-25 線框模型具有二義性 線框圖 線消隱 面消隱 圖6-26 線消隱與面消隱 Page Page 2424消隱算法大致可以分為：物體空間法、圖像空間法和排列優(yōu)先法。圖6-27是經(jīng)消隱算法處理后得到線消隱與面消隱三維圖形。 （a）經(jīng)線消隱處

8、理的三維線框圖 (b) 經(jīng)面消隱處理的三維表面圖圖6-27經(jīng)消隱處理后的三維圖形Page Page 2525n 6.4.5 光照模型1.局部光照模型與整體光照模型(a)采用局部光照模型 繪制的三維球體 (b)采用整體光照模型 繪制的三維球體 圖6-28 局部光照模型和整體光照模型示例Page Page 2626表現(xiàn)場景整體照明效果的一個重要方面是透明現(xiàn)象的模擬。圖6-29模擬了場景中透明物體的整體照明效果。圖6-29 用整體照明模型模擬的物體透明效果Page Page 27272.光線跟蹤光透射n 光線跟蹤（Ray-trace）是一種真實感地顯示物體的方法，最基本的光線跟蹤算法是跟蹤鏡面反射和

9、折射。從光源發(fā)出的光遇到物體的表面，發(fā)生反射和折射，光就改變方向，沿著反射方向和折射方向繼續(xù)前進，直到遇到新的物體，這是光線跟蹤算法的基礎(chǔ)。Page Page 2828n 圖630顯示了一個光線跟蹤的例子 圖6-30 光線跟蹤示例Page Page 2929對于透明或半透明的物體，在光線與物體表面相交時，一般會產(chǎn)生反射與折射，經(jīng)折射后的光線將穿過物體而在物體的另一個面射出，形成透射光。由于透明物體可以透射光，因而我們可以透過這種材料看到后面的物體，由于光的折射通常會改變光的方向，要在真實感圖形學中模擬折射，需要較大的計算量。圖6-31是計算機生成的透明物體的光線跟蹤與光透射場景。圖6-31 用

10、光線跟蹤與光透射模型生成的三維透明物體場景Page Page 3030n 6.4.6 物體表面的紋理在計算機圖形學中，物體表面的細節(jié)稱為紋理（Texture）。紋理可以通過紋理映射（Texture Mapping）的方式生成。通常用一種特殊的算法來模擬它，將幾何紋理逼真地顯示出來，以滿足視覺感官的需要。圖6-32中顯示了顏色紋理映射和幾何紋理映射的真實感圖形作品。圖6-32 采用紋理映射生成的物體表面Page Page 3131n 6.4.7陰影的生成圖6-33 光照模型中的陰影表示Page Page 3232圖6-34 人臉的層次細節(jié)簡化模型Page Page 3333圖6-35 兔子的層次

11、細節(jié)簡化模型Page Page 3434n 6.5.3 基于圖像的繪制技術(shù)圖6-36 視圖插值技術(shù)利用了相鄰兩圖像之間的連貫性生成中間幀Page Page 35356.5 實時真實感圖形學技術(shù)n 6.5.1 實時真實感圖形學概述n 6.5.2 層次細節(jié)顯示簡化技術(shù)Page Page 36366.6 矢量圖格式與繪圖軟件n 6.6.1 矢量圖 （a）位圖放大后出現(xiàn)方塊化 (b)矢量圖放大后圖形邊緣仍平滑清晰 圖6-37 位圖(圖a)與矢量圖(圖b)放大后效果比較 Page Page 3737矢量圖在計算機中的存儲格式大都不固定，要視各個軟件的特點由開發(fā)者自定。相對于位圖來講，矢量圖占用的存儲空間較小。但在屏幕每次顯示時，它都需要經(jīng)過重新計算，故顯示速度沒有圖像快。圖6-38是常用的矢量圖格式文件。 圖6-38 常用的矢量圖格式Page Pa