圖形圖像學基礎1

1、1圖形圖像學基礎2教材及主要參考書n教材教材：計算機圖形學, 任愛華編著, 北京航空航天大學出版社，2005n主要參考書主要參考書：何援軍，計算機圖形學，機械工業(yè)出版社計算機圖形學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，20023序號授課內(nèi)容1234567891011緒論計算機圖形學的研究內(nèi)容及其與相關學科的關系，計算機圖形學的發(fā)展與應用。圖形輸入輸出設備?；緢D形生成

2、算法：直線、圓弧的DDA生成算法和Bresenham生成算法、掃描線填充算法的基本原理，有序邊表算法，邊填充算法，種子填充算法的基本原理，簡單的種子填充算法，掃描線種子填充算法、線段的裁剪算法，多邊形的裁剪算法。字符及反走樣技術。圖形變換：圖形變換數(shù)學基礎，齊次坐標技術、窗口視圖變換，二、三維圖形幾何變換、平行投影、透視投影變換。曲線和曲面：參數(shù)曲線基礎，常用的參數(shù)曲線：Bezier曲線、B樣條曲線等、常用的參數(shù)曲面。 交互技術與用戶接口。數(shù)字圖像處理：數(shù)字圖像基礎，圖像的表示，采樣，直方圖，二值化等。數(shù)字圖像處理：空間域圖像增強算法。*數(shù)字圖像處理：頻域圖像增強算法4成績構成n平時成績（40

3、%）出勤（10%）課后作業(yè)（10%）隨堂小測驗（20%）n期末考試（60%）5第一章 緒論n什么是計算機圖形學n圖形學的研究內(nèi)容n應用領域n交互式圖形系統(tǒng)輸入輸出設備n與相關學科的關系6 Computer Graphics (CG) 計算機圖形學是研究怎樣用計算機表示、生成、處理和顯示圖形的一門學科。 國際標準化組織國際標準化組織(ISO)的定義：的定義： 計算機圖形學是研究通過計算機將數(shù)據(jù)轉換為圖形，并在專門顯示設備上顯示的原理、方法和技術的學科。 它是建立在傳統(tǒng)的圖學理論、應用數(shù)學和計算機科學基礎上的一門邊緣學科。幾何或3D的問題圖像或2D的問題7CG研究的問題n一般說來，要在計算機上生成

4、一幅表示物體的圖一般說來，要在計算機上生成一幅表示物體的圖形，有三個要素：形，有三個要素：如何在計算機中如何在計算機中“表示表示”多彩的客觀世界：造型技術多彩的客觀世界：造型技術n在計算機中建立所要生成圖像的物體的模型在計算機中建立所要生成圖像的物體的模型n即給出表示該物體的幾何數(shù)據(jù)和拓撲關系即給出表示該物體的幾何數(shù)據(jù)和拓撲關系如何在計算機中如何在計算機中“表現(xiàn)表現(xiàn)”多彩的客觀世界：繪制技術多彩的客觀世界：繪制技術n按照給定的觀察點及觀察方向將物體模型在計算機屏幕按照給定的觀察點及觀察方向將物體模型在計算機屏幕上顯示出來上顯示出來人機交互技術：人機交互技術：n為造型和繪制這兩個過程提供友好的人

5、機界面為造型和繪制這兩個過程提供友好的人機界面8根據(jù)準確性、真實性、實時性的要求，算法可大根據(jù)準確性、真實性、實時性的要求，算法可大致分為以下幾類：致分為以下幾類：n基于圖形設備的基本圖形元素的生成算法n圖形的變換和裁剪n自由曲線和曲面計算幾何n幾何造型技術n真實感圖形的生成算法n自然景物的生成分形幾何n顏色科學及其應用n計算機動畫技術n虛擬現(xiàn)實技術實時交互式三維圖形處理研究內(nèi)容9圖形和圖像n圖形分為圖形類和圖像類圖形類：以矢量圖形式呈現(xiàn)，在計算機中以場景的幾何模型與物理屬性表示的圖形。能體現(xiàn)景物的幾何個體，記錄體元的形狀參數(shù)與屬性參數(shù)。如工程圖紙，其信息包含圖元的幾何信息與屬性信息。10圖形

6、和圖像n圖形分為圖形類和圖像類圖像類：以點陣圖形式呈現(xiàn)，在計算機中以具有顏色信息的點陣來表示的圖形。它更強調(diào)整體的形式，描述一個個點的灰度或色彩。如照片、掃描圖片等。其信息實際上是點點與點的屬性信息（顏色、灰度、亮度等）。11CG的總體架構n數(shù)學基礎向量、矩陣、齊次坐標、幾何變換等。n幾何二維和三維空間的各種幾何模型和幾何造型方法n繪制幾何的視覺實現(xiàn)過程，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。n交互技術CG中相對獨立的一部分。通常是以WIMP為特征的圖形用戶界面12CG的發(fā)展簡史

7、n硬件1950年第一臺圖形顯示器誕生20世紀70年代光柵顯示器產(chǎn)生，圖形學進圖了第一個興盛時期并開始出現(xiàn)實用的CAD圖形系統(tǒng)20世紀80年代中期，超大規(guī)模集成電路的發(fā)展使計算機運算能力提高，圖形處理速度加快，圖形學得到快速發(fā)展n基礎理論1962年，Ivan E.Sutherland發(fā)表題為“Sketchpad:一個人機交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文，首次使用了計算機圖形學(computer graphics)這個術語。20世紀70年代，真實感圖形和實體造型技術產(chǎn)生1980年Whitten提出了一個光透視模型并給出光線跟蹤算法范例1984年美國Conell和日本廣島大學的學者分別用輻射度方法成功

8、模擬了理想漫反射表面間的多重慢反射效果。真實感圖形算法日漸成熟。13應用領域n計算機輔助設計與制造(CAD/CAM)n科學計算可視化n影視制作n虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)n醫(yī)療n計算機藝術n圖形用戶界面等14計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）nCAD/CAM是CG在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應用領域。飛機、汽車、船舶、機電、輕工、服裝的外形設計集成電路、印刷電路板的設計建筑設計基于工程圖紙的三維形體重建15影視制作計算機動畫技術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的特技效果，如模擬大樓被炸、橋梁坍塌、在圖像中增加實際上不存在的物體等。16立體感和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)立體感和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)17立

9、體感和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)立體感和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)n頭盔式顯示器頭盔式顯示器將觀察者的頭部位置及運動方向告訴計算機，計算機就將觀察者的頭部位置及運動方向告訴計算機，計算機就可以調(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)圖像更趨于真實感絕大多數(shù)頭盔式顯示器使用兩個顯示器實感絕大多數(shù)頭盔式顯示器使用兩個顯示器把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封裝起來，產(chǎn)生一種身把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封裝起來，產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的錯覺。在虛擬環(huán)境中的錯覺。18虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)n虛擬現(xiàn)實是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，并使用傳感器設備與之相互作用。提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感

10、官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般及時、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。 虛擬現(xiàn)實在機器人遙操作方面的應用虛擬現(xiàn)實在軍事方面的應用虛擬現(xiàn)實在訓練方面的應用19虛擬手術仿真n將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉化為三維圖象，并通過一定的技術生成在人體內(nèi)漫游的圖象，使得醫(yī)生能夠看到并準確地判別病人的體內(nèi)的患處，然后通過碰撞檢測一類的技術實現(xiàn)手術效果的反饋，幫助醫(yī)生成功完成手術。20科學計算的可視化n科學計算的可視化是將科學計算過程中的數(shù)據(jù)及結果數(shù)據(jù)轉換為圖像實際上也包括了工程計算可視化和測量數(shù)據(jù)可視化其核心是三維數(shù)據(jù)場的可視化n可應用于氣象預報、（CT）醫(yī)學圖象重建、流場、湍流、激波、石油地質勘探、環(huán)境保護、核

11、爆炸模擬、計算流體力學、天體物理、分子生物學、有限元分析、等許多領域。 21事務和商務數(shù)據(jù)的圖形顯示n繪制表示經(jīng)濟信息的各類二、三維統(tǒng)計管理圖表n信息可視化:信息流量，商業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，股市行情22圖形用戶界面Window system and large-screen interaction metaphor23圖形輸入設備圖形輸入設備n鼠標、鍵盤鼠標、鍵盤n數(shù)碼相機數(shù)碼相機采用的攝像感應器有兩種采用的攝像感應器有兩種nCCDnCMOS：便宜，但質量相對較差：便宜，但質量相對較差n掃描儀掃描儀24圖形輸入設備圖形輸入設備n數(shù)據(jù)手套(Data glove) 可測量出手的位置和形狀，從而實現(xiàn)環(huán)境中的

12、虛擬手及其對虛擬物體的操縱。數(shù)據(jù)手套通過手指上的彎曲、扭曲傳感器和手掌上的彎度、弧度傳感器，確定手及關節(jié)的位置和方向。25圖形輸入設備圖形輸入設備n圖形輸入的一個特殊領域圖形輸入的一個特殊領域真實物體的三維信息的輸入真實物體的三維信息的輸入 n零件進行大規(guī)模生產(chǎn)必須在計算機中生成三維實體模零件進行大規(guī)模生產(chǎn)必須在計算機中生成三維實體模型型這個模型有時要通過已有的實物零件得到這個模型有時要通過已有的實物零件得到采集實物表面各個點的位置信息采集實物表面各個點的位置信息n掃描保存古代名貴的雕塑和其它藝術品的三維信息掃描保存古代名貴的雕塑和其它藝術品的三維信息在計算機中產(chǎn)生這些藝術品的三維模型在計算機

13、中產(chǎn)生這些藝術品的三維模型 26圖形輸出設備圖形輸出設備陰極射線管陰極射線管(CRT)組成組成包括電子槍、聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉系統(tǒng)、熒光屏包括電子槍、聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉系統(tǒng)、熒光屏工作原理工作原理電子槍發(fā)射電子束電子槍發(fā)射電子束經(jīng)過聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉系統(tǒng)經(jīng)過聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉系統(tǒng)轟擊到熒光屏的指定位置轟擊到熒光屏的指定位置電子束能量被其內(nèi)表面的熒光物質吸收產(chǎn)生亮點電子束能量被其內(nèi)表面的熒光物質吸收產(chǎn)生亮點27電子槍電子槍電燈絲電燈絲陰極陰極n由燈絲加熱發(fā)出電子束由燈絲加熱發(fā)出電子束控制柵控制柵n加上負電壓后，能夠控制通過其中小孔的帶負電的加上負電壓后，能夠控制通過其中小孔

14、的帶負電的電子束的強弱電子束的強弱n通過調(diào)節(jié)負電壓高低來控制電子數(shù)量通過調(diào)節(jié)負電壓高低來控制電子數(shù)量n即控制熒光屏上相應點的亮度即控制熒光屏上相應點的亮度28聚焦系統(tǒng)聚焦系統(tǒng)通過電場和磁場控制電子束變細，保證亮點足夠小，提高分辯率通過電場和磁場控制電子束變細，保證亮點足夠小，提高分辯率 加速電極加速電極 加正的高壓電（幾萬伏）加正的高壓電（幾萬伏） 使電子束高速運動使電子束高速運動 控制靜電場或磁場，使電子束產(chǎn)生偏轉，最大偏轉角是衡量系統(tǒng)控制靜電場或磁場，使電子束產(chǎn)生偏轉，最大偏轉角是衡量系統(tǒng)性能的最重要的指標，顯示器長短與此有關。性能的最重要的指標，顯示器長短與此有關。偏轉系統(tǒng)偏轉系統(tǒng)29熒

15、光屏熒光屏 熒光物質：吸收電子束而發(fā)光熒光物質：吸收電子束而發(fā)光l余輝時間：電子束離開某點后，余輝時間：電子束離開某點后，持續(xù)發(fā)光時間持續(xù)發(fā)光時間l刷新刷新(Refresh)：為了讓熒光物質保持一個穩(wěn)定的亮度值為了讓熒光物質保持一個穩(wěn)定的亮度值l刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù)刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù)l像素像素(Pixel)：構成屏幕（圖像）的最小元素構成屏幕（圖像）的最小元素l分辨率分辨率(Resolution)：CRT在水平或豎直方向單位長度上能識別的最大像素個數(shù)在水平或豎直方向單位長度上能識別的最大像素個數(shù) 單位通常為單位通常為dpi（dots per inch)。 在假定屏幕尺寸一

16、定的情況下，也可用整個屏幕所能容納的像素個數(shù)描述在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個屏幕所能容納的像素個數(shù)描述 如如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等等等某種某種CRT產(chǎn)生穩(wěn)定圖像所需要的最小刷新頻率產(chǎn)生穩(wěn)定圖像所需要的最小刷新頻率=1秒秒/熒光物質的持續(xù)發(fā)光時間熒光物質的持續(xù)發(fā)光時間（例如）（例如）=1000/40=25Hz30紅、綠、蘭三基色紅、綠、蘭三基色三色熒光點（很小并充分靠近三色熒光點（很小并充分靠近-像素）像素）三支電子槍三支電子槍電子槍、影孔板中的一個電子槍、影孔板中的一個小孔和熒光點呈一直線小孔和熒光點呈一直線每個小孔與一個像素（即每個

17、小孔與一個像素（即三個熒光點）對應三個熒光點）對應彩色陰極射線管彩色陰極射線管31圖形輸出設備圖形輸出設備n向量式顯示器（20世紀60年代-80年代）畫線設備，其電子束可以隨意移動。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。又稱畫線式顯示器、隨機掃描顯示器n光柵圖形顯示器（20世紀70年代）畫點設備，可看作是一個點陣單元發(fā)生器。32向量式顯示器n由顯示處理機、顯示緩沖存儲器和CRT組成顯示緩沖存儲器（又稱刷新緩沖存儲器）：存放計算機生成的顯示程序。顯示處理機：與CPU相連執(zhí)行畫線、畫字符的命令n向量系統(tǒng)的實質是電子束從一個端點偏轉到另一個端點，稱為隨機掃描33光柵掃描

18、的顯示系統(tǒng)光柵掃描的顯示系統(tǒng)n特點：畫點設備，可看做是點陣單元發(fā)生器掃描方式：一次一行，從左到右從頂?shù)降讛?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） 的存儲器中?！皫笔侵刚麄€屏幕范圍。n幀緩沖存儲器（Frame Buffer)作用：存儲對應屏幕上所有像素點的 顏色值也稱刷新存儲器(Refreshing Buffer)簡稱幀緩沖器，俗稱顯存34光柵掃描式圖形顯示器寄存器電子槍CRT光柵幀緩沖寄存器DAC11具有一位幀緩存的黑白光柵顯示器黑白光柵顯示器結構圖l幀緩存中單元數(shù)目與顯示器上像素的數(shù)目相同幀緩存中單元數(shù)目與顯示器上像素的數(shù)目相同l各單元的數(shù)值決定了其對應像素的顏色各單元的數(shù)值

19、決定了其對應像素的顏色35位面技術N位寄存器電子槍CRT光柵有N個位面的幀緩存2NDAC0 0101002N-1灰度值l位面中的單元與顯示器上的像素一一對應位面中的單元與顯示器上的像素一一對應36n人類的視覺可以區(qū)分大概128個灰度等級37寄存器藍色槍幀緩存DAC0001CRT光柵01DACDAC紅色槍綠色槍彩色光柵掃描現(xiàn)實器彩色光柵掃描現(xiàn)實器DACDACl紅綠藍三個位面，組合成紅綠藍三個位面，組合成8種顏色種顏色38n若有若有24個位面（每種基色個位面（每種基色8個位面）個位面）n可同時顯示可同時顯示(28)3 =224=16777216種顏色（種顏色（24位真彩色）位真彩色）n例：例：10

20、24*768真彩模式需要多少真彩模式需要多少MB的顯存？的顯存？位面技術（位面技術（3/3）藍色槍DAC.DACDAC紅色槍綠色槍DACDAC39位面技術小結位面技術小結n顯存分成若干顏色的位平面（顯存分成若干顏色的位平面（bit plane）n各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一個像素對應各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一個像素對應n同一像素點在各位面占同一地址同一像素點在各位面占同一地址n不同位面上同一像素地址中的內(nèi)容決定像素的顏色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，可表達的色彩越豐富色平面越多，可表達的色彩越豐富增加一個位面，色彩就增加一倍增加一個位面，色彩就增加一

21、倍而存儲器寫操作程序無需重新計算新地址而存儲器寫操作程序無需重新計算新地址程序兼容性好程序兼容性好40顯存容量n分辨率分辨率M*N、顏色個數(shù)、顏色個數(shù)K與顯存容量與顯存容量V的關系的關系3個位面分辯率是個位面分辯率是10241024的顯示器的顯示器n需要需要310241024（3145728）位的存儲器）位的存儲器KNMV2log41顯存容量問題n若存儲器位長固定，則屏幕分辯率與同時可用的顏色種數(shù)成反比若存儲器位長固定，則屏幕分辯率與同時可用的顏色種數(shù)成反比1兆字節(jié)的幀緩存若設分辯率為640480，則幀緩存每個單元可有24位，可能同時顯示224種顏色若設分辯率為1024768，則每個單元分得的

22、位數(shù)僅略多于8，只能工作于256色顯示模式下n高分辨率和真彩要求有大的顯存高分辨率和真彩要求有大的顯存42衡量衡量CRT的指標的指標n屏幕尺寸大小屏幕尺寸大小n顯像管種類顯像管種類n點距點距n分辨率分辨率n畫面刷新頻率畫面刷新頻率 43LCD顯示器nCRT顯示器的缺點：顯示器的缺點：屏幕的加大導致顯象管的加長，體積加大，使用屏幕的加大導致顯象管的加長，體積加大，使用時候受到空間的限制時候受到空間的限制利用電子槍發(fā)射電子束來產(chǎn)生圖像，產(chǎn)生輻射與利用電子槍發(fā)射電子束來產(chǎn)生圖像，產(chǎn)生輻射與電磁波干擾，長期使用對健康不利電磁波干擾，長期使用對健康不利 44LCD顯示器 n液晶顯示器液晶顯示器LCD（Liquid Crystal Display）n原理原理液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質 它具有液體的流態(tài)性質和固體的光學性質它具有液體的流態(tài)性質和固體的光學性質 當液晶受到電壓的影響時，就會改變它的物當液晶受到電壓的影響時，就會改變它的物理性質而發(fā)生形變理性質而發(fā)生形變 此時此時通過它的光的折射角度通過它的光的折射角度就會發(fā)生變化