計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本知識(shí)課件

1、第一章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本知識(shí)1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的概念 1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展 1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用 1.5 計(jì)算機(jī)圖形硬件簡介 1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容 1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的概念 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。圖形按基本的處理技術(shù)劃分只有兩類：線條，如工程圖、地圖、曲線圖表等 明暗圖，與照片相似 幾個(gè)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)概念 ：計(jì)算機(jī)圖形 ：用計(jì)算機(jī)表示、生成、處理和顯示的對(duì)象。由幾何數(shù)據(jù)和幾何模型利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示，并修改、完善后形成。 圖像處理 ：將客觀世界中原來存在的物體的影像處理成新的數(shù)字化圖像的相關(guān)技術(shù)，如CT掃描、X射

2、線探傷等 1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的概念（續(xù)） 模式識(shí)別 ：對(duì)所輸入的圖像進(jìn)行分析和識(shí) 別，找出其中蘊(yùn)涵的內(nèi)在聯(lián)系或抽象模型， 如郵政分揀、地形地貌識(shí)別等 計(jì)算幾何 ：研究幾何模型和數(shù)據(jù)處理的學(xué) 科，探討幾何形體的計(jì)算機(jī)表示、分析和 綜合 數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型計(jì)算機(jī)圖形模型識(shí)別計(jì)算幾何圖像處理1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究起源于美國麻省理工學(xué)院,從20世 紀(jì)50年代初期到60年代中期，美國麻省理工學(xué)院積極 從事現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造技術(shù)的開拓性研究。 1952年，在該校誕生了世界上第一臺(tái)數(shù)控銑床的原型。隨后，麻省理工學(xué)院發(fā)展了APT，這演變成國際上最 通用的加工編程工具。 1964年

3、，孔斯(Steve Coons)在麻省理工學(xué)院提出了用 小塊曲面片組合表示自由型曲面時(shí)使曲面片邊界達(dá)到 任意高次連續(xù)階的理論，此方法得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界 的極大推崇，稱之為孔斯曲面。 1962年第一臺(tái)光筆交互式圖形顯示器在美國麻省理工 學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室研制成功， 1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展 （續(xù)）在美國工業(yè)界，研制交互式圖形顯示器的工作也同時(shí) 開展，其中所起作用最重要的是IBM公司 在1964年秋， IBM公司推出了IBM 2250顯示器。 洛克希德飛機(jī)公司利用IBM 2250施行開發(fā)的 CADAM繪圖加工系統(tǒng)，成為目前IBM主機(jī)上應(yīng) 用最廣的CAD/CAM軟件。 IBM 2250在1978年前后

4、改型為IBM 3250，1984年 又改型為IBM 5080，采用光柵掃描技術(shù) 。20世紀(jì)60年代末和70年代初，美國Tektronix公司 發(fā)展了存儲(chǔ)管技術(shù)。 由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和專用圖形處理 芯片的出現(xiàn)，光柵掃描型顯示器的質(zhì)量越來越好， 價(jià)格越來越低，已成為圖形顯示器的常規(guī)形式。 1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展 （續(xù)）Spacewars: first computer graphics game (MIT 1961)SketchPad: first interactive graphics (1961)Whirlwind: early graphics using VectorSco

5、pe (1951)first CAD system (IBM 1959)1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用 隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的不斷發(fā)展，它的應(yīng)用范圍也日趨廣泛。目前，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域主要有以下幾種: 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫和藝術(shù) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM) 地形地貌和自然資源圖 用戶接口 分析計(jì)算及視圖中的應(yīng)用 6. 游戲 1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM) 交互圖形工作站在機(jī)械、電子、建筑等行業(yè)中迅速取代繪圖板加丁字尺的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，擔(dān)負(fù)起繁重的日常繪圖任務(wù)、總體方案的優(yōu)化、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)等工作。機(jī)械CAD系統(tǒng)所生成的零件、裝配件 boeing7771.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

6、的應(yīng)用 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM) (續(xù))1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用 地形地貌和自然資源圖 我國正在籌建國土基礎(chǔ)信息系統(tǒng)，此系統(tǒng)是國家經(jīng)濟(jì)信息系統(tǒng)的組成部分。成三維的地形地貌圖 1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用 分析計(jì)算及視圖中的應(yīng)用 既可用二維曲線圖表和三維模型，也有彩色高維幾何表示 1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用 分析計(jì)算及視圖中的應(yīng)用(續(xù)) 1.3 計(jì)算機(jī)圖形硬件簡介 (續(xù)）幾種主要圖形輸入設(shè)備鍵盤 鼠標(biāo) :1)光電式鼠標(biāo) 2)機(jī)械式鼠標(biāo) 3. 坐標(biāo)數(shù)字化儀:機(jī)械式坐標(biāo)數(shù)字化儀 2)超聲波式坐標(biāo)數(shù)字化儀 3)全電子式坐標(biāo)數(shù)字化儀 4)三維數(shù)字化儀 光筆 觸摸屏: 電阻式和電容式 2)紅

7、外線式 3) 聲表面波式 圖形掃描儀: 掃描儀通過光電轉(zhuǎn)換、點(diǎn)陣采樣的方式，將一幅畫面變?yōu)閿?shù)字圖像 1.3 計(jì)算機(jī)圖形硬件簡介 (續(xù)）美國CALCOMP公司生產(chǎn)的數(shù)字化儀1.3 計(jì)算機(jī)圖形硬件簡介 (續(xù)）常用的圖形輸入設(shè)備1.3 計(jì)算機(jī)圖形硬件簡介 (續(xù)）常用的圖形輸出設(shè)備分為兩類：向量型 向量型設(shè)備的作畫機(jī)構(gòu)隨著圖形的輸出形狀而移動(dòng) 并成像 光柵掃描型 光柵掃描型設(shè)備的作畫機(jī)構(gòu)按光柵矩陣方式掃描整 張圖面，并按輸出內(nèi)容對(duì)圖形成像。幾種圖形輸出設(shè)備介紹 1. 陰極射線管 陰極射線管通常利用電磁場產(chǎn)生高速的、經(jīng)過聚焦的電 子束，使其偏轉(zhuǎn)到屏幕的不同位置以轟擊屏幕表面的熒 光材料而產(chǎn)生可見圖形 。

8、其主要組成部分如下： 陰極 當(dāng)它被加熱時(shí)，發(fā)射電子。 控制柵 控制電子束偏轉(zhuǎn)的方向和運(yùn)動(dòng)速度。 加速結(jié)構(gòu) 用以產(chǎn)生高速的電子束。 聚焦系統(tǒng) 保證電子束在轟擊屏幕時(shí)，匯聚成很細(xì)的點(diǎn)。 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 控制電子束在屏幕上的運(yùn)動(dòng)軌跡。 熒光屏 當(dāng)它被電子轟擊時(shí)，發(fā)出亮光。 所有這些部件都封閉在一個(gè)真空的圓錐形玻璃殼內(nèi)， 其結(jié)構(gòu)如圖所示:1.3 計(jì)算機(jī)圖形硬件簡介 (續(xù)）陰極射線管的組成 1.3 計(jì)算機(jī)圖形硬件簡介 (續(xù)）2. 顯示器 隨機(jī)掃描顯示器 邏輯框圖如圖所示:隨機(jī)掃描圖形顯示器的邏輯框圖 彩色陰極射線管 通過把發(fā)出不同顏色的熒光物質(zhì)進(jìn)行組合而實(shí)現(xiàn)的。 通常用射線穿透法和影孔板法實(shí)現(xiàn)彩色顯示。 1.

9、3 計(jì)算機(jī)圖形硬件簡介 (續(xù)） 光柵掃描式圖形顯示器 光柵掃描式圖形顯示器(簡稱光柵顯示器)是畫點(diǎn)設(shè)備， 可看作是一個(gè)點(diǎn)陣單元發(fā)生器，并可控制每個(gè)點(diǎn)陣單 元的亮度。 光柵掃描式圖形顯示器的直線顯示效果 它不能直接從單元陣列中的一個(gè)可編址的像素畫一條直線到另一個(gè)可編址的像素，只能用盡可能靠近這條直線路徑的像素點(diǎn)集來近似地表示這條直線。 1.3 計(jì)算機(jī)圖形硬件簡介 (續(xù)）一個(gè)黑白光柵顯示器的工作狀況圖 :在光柵圖形顯示器中，需要有足夠的位面和幀緩沖存儲(chǔ)器結(jié)合才能反映圖形的顏色和灰度等級(jí)。具有顏色查找表的N位面灰度等級(jí)幀緩沖存儲(chǔ)器 1.3 計(jì)算機(jī)圖形硬件簡介 (續(xù)）彩色光柵顯示器的工作狀況圖: 1.

10、3 計(jì)算機(jī)圖形硬件簡介 (續(xù)）全色光柵顯示器工作狀況圖: 1.3 計(jì)算機(jī)圖形硬件簡介 (續(xù)）配有顏色查找表的全色幀緩沖存儲(chǔ)器 :1.3 計(jì)算機(jī)圖形硬件簡介 (續(xù)）具有3個(gè)位面的幀緩沖存儲(chǔ)器的顏色表 :紅(R)綠(G)藍(lán)(B)黑(Black)000紅(Red)100綠(Green)010藍(lán)(Blue)001黃(Yellow)110青(Cyan)011紫(Magenta)101白(White)111 液晶顯示器(LCD) 液晶顯示器LCD(Liquid Crystal Display)與其他顯示器不 同，它是由6層薄板組成的平板式顯示器。 等離子顯示器 等離子顯示器是用許多小氖氣燈泡構(gòu)成的平板陣列， 每個(gè)燈泡處于“開”或“關(guān)”狀態(tài)。 1.3 計(jì)算機(jī)圖形硬件簡介 (續(xù)）等離子顯示器的結(jié)構(gòu) 1.3 計(jì)算機(jī)圖形硬件簡介 (續(xù)） 幾種顯示技術(shù)的比較如表所示:性質(zhì)陰極射線管等離子顯示器液晶顯示器性質(zhì)陰極射線管等離子顯示器液晶顯示器功耗大中小對(duì)比度中好差屏幕大中小灰度等級(jí)好差差厚度大小小視角大中一般平面度一般中好色彩豐富中