計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖形處理技術(shù)課件_第1頁(yè)
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第7章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖形處理技術(shù)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(ComputerGraphics)是利用計(jì)算機(jī)研究圖形表示、生成、處理、顯示的學(xué)科。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)中最活躍的分支之一,并得到廣泛的應(yīng)用。本章介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容、發(fā)展歷史、應(yīng)用領(lǐng)域和真實(shí)感圖形的實(shí)現(xiàn)技術(shù),對(duì)圖形學(xué)的基本內(nèi)容進(jìn)行介紹。1第7章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖形處理技術(shù)計(jì)算機(jī)7.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概論

7.1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的主要內(nèi)容

在計(jì)算機(jī)中表示圖形以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法,構(gòu)成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容。

圖形通常有點(diǎn)、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線形線寬等非幾何屬性組成。27.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概論2

從處理技術(shù)上看,圖形主要分為兩類:

1.基于線條信息表示的,用于刻劃物體形狀的點(diǎn)、線、面、體等幾何要素。如工程圖、等高線地圖等。2.反映物體表面屬性或材質(zhì)的灰度顏色等非幾何要素。它側(cè)重于根據(jù)給定的物體描述模型、光照來(lái)生成真實(shí)感圖形。如通過(guò)攝像機(jī)來(lái)生成的真實(shí)感圖形。3從處理技術(shù)上看,圖形主要分為兩類:3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容非常廣泛,如圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形計(jì)算與顯示算法,以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)一個(gè)主要的目的就是利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生令人賞心悅目的真實(shí)感圖形。為此,必須建立圖形所描述的場(chǎng)景的幾何表示,再用某種光照模型計(jì)算在假想的光源、紋理、材質(zhì)屬性下的光照明效果,所以,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)有著密切聯(lián)系。4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容非常廣泛,如圖形硬件、圖形7.1.2計(jì)算機(jī)圖形處理的基本概念

計(jì)算機(jī)圖形處理是指把由概念或數(shù)學(xué)描述所表示物體的幾何數(shù)據(jù)或幾何模型,用計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、修改、完善及有關(guān)操作的過(guò)程。圖形處理包括的主要內(nèi)容有:

幾何變換,如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、透視和投影等曲線和曲面擬合建模或造型隱線、隱面消除陰暗處理紋理產(chǎn)生著色57.1.2計(jì)算機(jī)圖形處理的基本概念

計(jì)算機(jī)圖形處理

圖形處理技術(shù)主要應(yīng)用在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD、計(jì)算機(jī)輔助制造CAM、計(jì)算機(jī)輔助教育CAI、計(jì)算機(jī)藝術(shù)、計(jì)算機(jī)模擬、計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。CAD是主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。6圖形處理技術(shù)主要應(yīng)用在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD、計(jì)7.1.3計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成與功能1.計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成

計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)由硬件設(shè)備和相應(yīng)的圖形軟件系統(tǒng)兩部分組成。

高質(zhì)量的計(jì)算機(jī)圖形離不開高性能的計(jì)算機(jī)圖形硬件設(shè)備。

圖形系統(tǒng)硬件通常由圖形處理器,圖形輸出設(shè)備和輸入設(shè)備構(gòu)成。圖形處理器是圖形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要部件,是連接計(jì)算機(jī)和顯示終端的紐帶。圖形處理器具有存儲(chǔ)和處理圖形的功能,而且能完成大部分圖形函數(shù)計(jì)算,這大大減輕了CPU負(fù)擔(dān),提高了系統(tǒng)顯示能力和速度。77.1.3計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成與功能7最常用的圖形輸入設(shè)備是鍵盤和鼠標(biāo)。人們一般通過(guò)一些圖形軟件由鍵盤和鼠標(biāo)直接在屏幕上定位和輸入圖形,如CAD系統(tǒng)就是用鼠標(biāo)和鍵盤命令制作各種工程圖的。此外還有跟蹤球、空間球、數(shù)據(jù)手套、光筆、觸摸屏等輸入設(shè)備。跟蹤球和空間球是根據(jù)球在不同方向受到的推或拉的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)定位和選擇。數(shù)據(jù)手套則是通過(guò)傳感器和天線來(lái)發(fā)送手指的位置和方向的信息。這幾種輸入設(shè)備在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的構(gòu)造和漫游中特別有用。光筆是一種檢測(cè)光的裝置,它直接在屏幕上操作,拾取位置。8最常用的圖形輸入設(shè)備是鍵盤和鼠標(biāo)。人們一般通過(guò)一

圖形輸出設(shè)備是指可以快速生成和處理圖形的顯示系統(tǒng)以及輸出到某種介質(zhì)上永久保存圖形的繪圖系統(tǒng),主要包括顯示器、繪圖儀、打印機(jī)等。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、圖形輸入/輸出設(shè)備的發(fā)展,計(jì)算機(jī)圖形軟件也不斷更新和完善,目前有許多支持計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的軟件系統(tǒng)。如各種子程序包、圖形函數(shù)庫(kù)、甚至是專用的圖形系統(tǒng)。隨著圖形系統(tǒng)的發(fā)展,提出了圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)程序的可移植性,開發(fā)出了面向設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序包或面向用戶的圖形生成及管理程序包。9圖形輸出設(shè)備是指可以快速生成和處理圖

2.圖形系統(tǒng)的功能

圖形系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制是計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程領(lǐng)域的重要內(nèi)容。作為一個(gè)圖形系統(tǒng),至少應(yīng)具有計(jì)算、存儲(chǔ)、輸入、輸出、對(duì)話等五個(gè)方面的基本功能。102.圖形系統(tǒng)的功能

圖形系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制是計(jì)算機(jī)計(jì)算功能

實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中所需的計(jì)算、變換、分析等。如:圖元生成、坐標(biāo)變換;

存儲(chǔ)功能

存放(形體的)幾何數(shù)據(jù)、形體間的關(guān)系,并可對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢索、維護(hù);

輸入功能

輸入形體的幾何參數(shù)及各種命令。11計(jì)算功能

實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中所需的計(jì)算、變換、分析等。如:圖元生輸出功能

可顯示過(guò)程中的狀態(tài),修改后的結(jié)果,并可硬拷貝及輸出。

對(duì)話功能

通過(guò)圖形顯示器及相應(yīng)人—機(jī)交互設(shè)備直接進(jìn)行人—機(jī)通信。用戶通過(guò)顯示器觀察設(shè)計(jì)結(jié)果和圖形,通過(guò)選擇拾取設(shè)備,對(duì)不滿意部分作修改。系統(tǒng)還可追溯以前的工作步驟,對(duì)用戶操作執(zhí)行的錯(cuò)誤給予必要的提示和跟蹤。

以上五種功能是一個(gè)圖形系統(tǒng)所具備的最基本功能,至于每種功能中有哪些能力,則因不同系統(tǒng)而異。

12輸出功能

可顯示過(guò)程中的狀態(tài),修改后的結(jié)果,并可硬拷貝及輸7.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用7.2.1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(guó)麻省理工學(xué)院(MIT,MassachusettesInstituteofTechnology),20世紀(jì)50年代初到60年代中期,麻省理工學(xué)院積極從事計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造技術(shù)研究。計(jì)算機(jī)圖形(ComputerGraphics)一詞在1962年美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的IvanE.sutherland發(fā)表的一篇題為“Sketchpad:一個(gè)人—機(jī)通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文中首次使用。它證明了交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一個(gè)可行的、有用的研究領(lǐng)域,從而確立了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為一個(gè)嶄新的學(xué)科分支的獨(dú)立地位。137.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用13

1964年,孔斯(S.Coons)提出了用小塊曲面片組合表示自由曲面,使曲面片邊界上達(dá)到任意高階連續(xù)的理論方法,稱孔斯曲面。此方法受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界極大重視。法國(guó)雷諾公司貝賽爾(P.Bezier)也提出了Bezier曲線和曲面,并將其成功地用于幾何外形設(shè)計(jì),開發(fā)了用于汽車外形設(shè)計(jì)的UNISURF系統(tǒng)。他們被稱為計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)的奠基人。

1964年,IBM公司推出了第一臺(tái)交互式光筆輸入顯示器設(shè)計(jì)方案,后經(jīng)改進(jìn),成為IBM2250顯示器,如圖7.1所示。它預(yù)示著交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的誕生。141964年,孔斯(S.Coons)提出了用小塊圖7.1世界上第一臺(tái)光筆交互式圖形顯示器IBM225015圖7.1世界上第一臺(tái)光筆交互式圖形顯示器IBM22501

洛克希德飛機(jī)公司利用IBM2250開發(fā)了CAD繪圖加工系統(tǒng)(如圖7.2所示),1974年起向外轉(zhuǎn)讓,成為目前應(yīng)用最廣的CAD/CAM軟件。16洛克希德飛機(jī)公司利用IBM2250開發(fā)了CAD繪圖7.21959年IBM開發(fā)的用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng)DAC-117圖7.21959年IBM開發(fā)的用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的CAD系20世紀(jì)70年代,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)另外兩個(gè)重要進(jìn)展是真實(shí)感圖形學(xué)和實(shí)體造型技術(shù)的產(chǎn)生。1980年提出的光透視模型和光線跟蹤算法,標(biāo)志著真實(shí)感圖形的顯示算法已逐漸成熟。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的理論和技術(shù)在不斷發(fā)展,應(yīng)用前景也將更令人矚目,但也有許多問(wèn)題還有待于解決。1820世紀(jì)70年代,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)另外兩個(gè)重要進(jìn)展是7.2.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域

目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域主要有:計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)

CAD/CAM是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)被廣泛用于建筑工程設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。包括設(shè)計(jì)飛機(jī)、汽車、船舶的外形和發(fā)電廠、化工廠等的布局。在電子工業(yè)中,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用到集成電路、印刷電路板、電子線路和網(wǎng)絡(luò)分析等方面的優(yōu)勢(shì)十分明顯。一個(gè)大規(guī)?;虺笠?guī)模集成電路版圖根本不可能用手工繪制,計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)不僅能進(jìn)行設(shè)計(jì)和畫圖,且可在較短時(shí)間內(nèi)完成,美國(guó)波音飛機(jī)公司用CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)波音777飛機(jī)整體設(shè)計(jì),包括飛機(jī)外型、內(nèi)部零部件安裝和檢驗(yàn)。197.2.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域

目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域

CAD另一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域,是基于工程圖紙的三維形體重建。三維形體重建就是從二維信息中提取三維信息,通過(guò)對(duì)這些信息進(jìn)行分類、綜合等一系列處理,在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對(duì)應(yīng)的三維形體,恢復(fù)形體的點(diǎn)、線、面及其拓?fù)潢P(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)形體的重建。20CAD另一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域,是基于工程圖形化的用戶接口

一個(gè)友好的圖形化用戶界面能大大提高軟件的易用性,隨著Apple公司圖形化操作系統(tǒng)的推出,特別是微軟windows操作系統(tǒng)的普及,標(biāo)志著圖形學(xué)已經(jīng)融入計(jì)算機(jī)的方方面面。如今,在任何一臺(tái)普通計(jì)算機(jī)上都可看到圖形學(xué)在用戶接口方面的應(yīng)用,操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件中圖形、圖標(biāo)和動(dòng)畫的廣泛使用,使程序直觀易用。很多軟件,不用看說(shuō)明書,根據(jù)它的圖形界面指示就可進(jìn)行操作。目前正在研究下一代用戶界面,開發(fā)面向主流應(yīng)用的自然、高效多通道的用戶界面。研究多通道語(yǔ)義模型、多通道整合算法及其軟件結(jié)構(gòu)和界面范式是當(dāng)前用戶界面和接口方面研究的主流方向,而圖形學(xué)在其中起主導(dǎo)作用。21圖形化的用戶接口

一個(gè)友好的圖形化用戶界面能大大提高地形地貌和自然資源圖

國(guó)土基礎(chǔ)信息是國(guó)家經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。利用這些存儲(chǔ)的信息可繪制平面圖、生成三維地形地貌圖,為高層次的國(guó)土整治進(jìn)行預(yù)測(cè)和提供決策,為綜合治理和資源開發(fā)研究提供科學(xué)依據(jù),在軍事方面也有重要價(jià)值。22地形地貌和自然資源圖

國(guó)土基礎(chǔ)信息是國(guó)家經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的一科學(xué)計(jì)算可視化

科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展,數(shù)據(jù)量與日俱增使得人們對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理越來(lái)越難,人們無(wú)法用傳統(tǒng)方法從數(shù)據(jù)海洋中得到最有用的數(shù)據(jù),找到數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,提取最本質(zhì)的特征。但是如果能將這些數(shù)據(jù)用圖形的形式表示出來(lái),情況就不一樣了,事物的發(fā)展趨勢(shì)和本質(zhì)特征將會(huì)很清楚地呈現(xiàn)在人們面前。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫和藝術(shù)可用于美術(shù)創(chuàng)做的軟件很多,如二維平面的繪圖程序CorelDraw,photoshop,paintshop,三維動(dòng)畫建模和渲染軟件3DMAX,Maya等23科學(xué)計(jì)算可視化

科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展,數(shù)據(jù)量與日俱增使得7.3圖形與圖像的區(qū)別與聯(lián)系

圖形和圖像有著較大不同。因而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)字圖像處理目前仍被作為兩門不同課程。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是指將點(diǎn)、線、面、曲面等實(shí)體生成物體的模型存放在計(jì)算機(jī)里,并可進(jìn)行修改、處理、操作和顯示的一門學(xué)科。圖形含有幾何屬性,或者說(shuō)更強(qiáng)調(diào)場(chǎng)景的幾何表示,是由場(chǎng)景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成的。

圖像是指利用計(jì)算機(jī)外部輔助設(shè)備(如掃描儀、數(shù)碼相機(jī)或視頻采集裝置等)輸入的自然圖片。數(shù)字圖像處理是對(duì)圖像像素進(jìn)行數(shù)字化處理、變換、壓縮和傳輸?shù)囊婚T計(jì)算機(jī)技術(shù)。就存儲(chǔ)方式而言,圖像純指計(jì)算機(jī)內(nèi)以位圖(Bitmap)形式存在的灰度或彩色信息圖形的幾何屬性。247.3圖形與圖像的區(qū)別與聯(lián)系

圖形和圖像有著較大不圖形與圖像的主要區(qū)別有:數(shù)據(jù)來(lái)源不同

圖像數(shù)據(jù)來(lái)自客觀世界;圖形數(shù)據(jù)來(lái)自主觀世界。

處理方法不同

圖像處理方法包括幾何修正、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像理解、圖像識(shí)別等;圖形處理方法包括幾何變換、開窗和裁剪、隱藏線和隱藏面消除、曲線和曲面擬合、明暗處理、紋理產(chǎn)生等。

理論基礎(chǔ)不同

圖像處理主要用到數(shù)字信號(hào)處理、概率與統(tǒng)計(jì)、模糊數(shù)學(xué)等;計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要用到仿射與透視變換、樣條幾何、計(jì)算幾何、分形等理論。

25圖形與圖像的主要區(qū)別有:25用途不同

圖像處理主要用于遙感、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、航天航空、軍事等。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要用于CAD/CAM/CAE/CAI計(jì)算機(jī)藝術(shù)、計(jì)算機(jī)模擬、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫等。在實(shí)際應(yīng)用中,圖形、圖像技術(shù)又是相互關(guān)聯(lián)的。把圖形、圖像處理技術(shù)相結(jié)合,可以使視覺(jué)效果和質(zhì)量更加完善,更加精美。從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用要求看,兩者的結(jié)合既有必要性,又有可能性。

1.必要性利用兩種技術(shù)進(jìn)行完美逼真的立體成像

2.可能性都以像素為基礎(chǔ)26用途不同

圖像處理主要用于遙感、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、航天航空、軍事圖形與圖像的對(duì)比與區(qū)別

圖形(Graphics)圖像(Image)數(shù)據(jù)量少數(shù)據(jù)量大有結(jié)構(gòu),便于編輯修改無(wú)結(jié)構(gòu),不便于編輯修改能準(zhǔn)確表示3D景物,易于生成所需的不同視圖3D景物的信息巳部分丟失,很難生成不同的視圖生成視圖需要復(fù)雜的計(jì)算生成視圖不需要復(fù)雜的計(jì)算自然景物的表示很困難自然景物的表示不困難國(guó)際標(biāo)準(zhǔn):GKS,PHIGS,OpenGL,WMF,VRML,CGM,STEP國(guó)際標(biāo)準(zhǔn):JBIG,JPEG,TIFF編輯軟件(繪圖軟件):AutoCAD,CorelDRAW編輯軟件(圖像處理軟件):Photoshop,Photostyler27圖形與圖像的對(duì)比與區(qū)別數(shù)據(jù)量少數(shù)據(jù)量大有結(jié)構(gòu),便于編輯修改GKS:abbr.GraphicsKernelSystem,計(jì)算機(jī)圖形核心系統(tǒng)PHIGS:程序員層次交互式圖形系統(tǒng)OpenGL:OpenGraphicsLibrary,是一套三維圖形處理庫(kù)WMF:Windows圖元文件格式VRML:VirtualRealityModelingLanguage虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言CGM:計(jì)算機(jī)圖形元文件STEP:Standardfortheexchangeofproductmodeldata產(chǎn)品型號(hào)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)JBIG:聯(lián)合雙態(tài)成像組JPEG:聯(lián)合圖象專家組TIFF:標(biāo)簽圖像文件格式28GKS:abbr.GraphicsKernelSyste

隨著圖形圖像技術(shù)的發(fā)展,兩者之間相互交叉、相互滲透,其界線也越來(lái)越模糊,計(jì)算機(jī)圖形與圖像處理之間的聯(lián)系與轉(zhuǎn)換如圖7.3所示。圖7.3計(jì)算機(jī)圖形與圖像處理之間的聯(lián)系與轉(zhuǎn)換29隨著圖形圖像技術(shù)的發(fā)展,兩者之間相互交叉、相互

圖形學(xué)的逆過(guò)程是分析和識(shí)別輸入的圖像并從中提取二維或三維的數(shù)據(jù)模型(特征)。例如手寫體識(shí)別、機(jī)器視覺(jué)。模型變換是采用計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)CAGD(ComputerAidedGeometricDesign)技術(shù),CAGD技術(shù)適用于幾何形體在計(jì)算機(jī)中的表示,分析、研究怎樣靈活方便地建立幾何形體的數(shù)學(xué)模型,提高算法效率,研究曲線、曲面的表示、生成、拼接、數(shù)據(jù)擬合,如何在計(jì)算機(jī)內(nèi)更好地存儲(chǔ)和管理這些模型等。30圖形學(xué)的逆過(guò)程是分析和識(shí)別輸入的圖像并從中7.4真實(shí)感圖形技術(shù)什么是真實(shí)感圖形

計(jì)算機(jī)真實(shí)感圖形是一種光柵圖形。光柵圖形顯示器的屏幕由一系列顯示單元組成,每個(gè)顯示單元稱為一個(gè)像素。在生成一幅真實(shí)感圖形時(shí),必須逐個(gè)像素地計(jì)算畫面上相應(yīng)景物表面區(qū)域的顏色。在計(jì)算可見(jiàn)景物表面區(qū)域顏色時(shí),不但要考慮光源對(duì)該區(qū)域入射光的光亮度,而且還要考慮該表面區(qū)域?qū)庠吹某?,表面材料和反射性質(zhì)等。這種計(jì)算必須基于一定的光學(xué)物理模型,稱為光照明模型。基于場(chǎng)景幾何和光照模型生成一幅真實(shí)感圖形的過(guò)程稱為繪制。由于光柵圖形屏幕通常包含百萬(wàn)計(jì)像素,因此,如何利用景物的空間連貫性和圖像空間連貫性,提高繪制算法效率是真實(shí)感圖形技術(shù)研究的重點(diǎn)。317.4真實(shí)感圖形技術(shù)31

真實(shí)感圖形是一種計(jì)算機(jī)圖形生成技術(shù),它首先在計(jì)算機(jī)中構(gòu)造出所需場(chǎng)景的幾何模型,然后根據(jù)假定的光照條件,計(jì)算畫面上可見(jiàn)的各景物表面的光亮度,使觀者產(chǎn)生如臨其境,如見(jiàn)其物的視覺(jué)效果。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)本身的發(fā)展,真實(shí)感圖形學(xué)在我們?nèi)粘5墓ぷ鳌W(xué)習(xí)和生活中已經(jīng)有了非常廣泛的應(yīng)用。32真實(shí)感圖形是一種計(jì)算機(jī)圖形生成技術(shù),它首先在計(jì)算7.4.1真實(shí)感圖形生成步驟

三維造型或建模。用數(shù)學(xué)方法建立所需三維場(chǎng)景的幾何描述,并將其輸入到計(jì)算機(jī)。這部分工作通常由三維立體造型系統(tǒng)或曲面造型系統(tǒng)完成。場(chǎng)景的幾何描述直接影響圖形的復(fù)雜性和圖形繪制計(jì)算開銷。將三維幾何描述轉(zhuǎn)換為二維透視圖。這可通過(guò)對(duì)場(chǎng)景的透視變換來(lái)完成。確定場(chǎng)景中的所有可見(jiàn)面。這需要使用隱藏面消除算法將視野之外或被其他物體遮擋的不可見(jiàn)面消去。根據(jù)基于光學(xué)物理的光照明模型計(jì)算可見(jiàn)面投射到觀察者眼中的光亮度大小和色彩組成,并將它轉(zhuǎn)換成適合圖形設(shè)備的顏色值,從而確定投影畫面上每一像素的顏色,最終生成圖形。337.4.1真實(shí)感圖形生成步驟

337.4.2三維幾何造型方法

幾何造型技術(shù)是一項(xiàng)研究在計(jì)算機(jī)中如何表達(dá)物體模型形狀的技術(shù)。它經(jīng)歷了30多年發(fā)展歷史,由于幾何造型技術(shù)研究的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件性能的大幅提高,出現(xiàn)了許多以幾何造型為核心的實(shí)用系統(tǒng),在航空航天、汽車、造船、機(jī)械、建筑和電子等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。在幾何造型系統(tǒng)中,描述物體的三維模型有線框模型、表面模型和實(shí)體模型三種。

線框模型是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和CAD/CAM領(lǐng)域最早用來(lái)表示物體的模型,它建立在牢固的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上,線框模型所描述的物體的幾何信息都是可知的,控制的靈活性最高,在需要精確描述的場(chǎng)合(如CAD)具有其他方法無(wú)法替代的作用。計(jì)算機(jī)繪圖是這種模型的一個(gè)重要應(yīng)用。347.4.2三維幾何造型方法

幾何造型技術(shù)是一項(xiàng)研究

表面模型在線框模型的基礎(chǔ)上,增加了物體表面的信息。它用面的集合來(lái)表示物體,而用環(huán)來(lái)定義面的邊界。三維表面模型表示三維物體的信息并不完整,但它能夠表達(dá)復(fù)雜的曲面,在幾何造型中具有重要的地位。對(duì)于支持曲面的三維實(shí)體模型,表面模型是它的基礎(chǔ)。

實(shí)體模型是最高級(jí)的模型,它能完整表示物體的所有形狀信息,可無(wú)歧義地確定一個(gè)點(diǎn)是在物體外部、內(nèi)部或表面上,這種模型能夠進(jìn)一步滿足物理計(jì)算、有限元分析等應(yīng)用的要求。

35表面模型在線框模型的基礎(chǔ)上,增加了物體表面的信息。7.4.3消隱算法

人不能一眼看到一個(gè)三維物體的全部表面。從一個(gè)視點(diǎn)去觀察一個(gè)三維物體,只能看到該物體表面上的部分點(diǎn)、線、面,其余部分則被這些可見(jiàn)部分遮擋住。若觀察的是若干個(gè)三維物體,物體之間還可能彼此遮擋。因此,如果想真實(shí)感地顯示三維物體,必須在視點(diǎn)確定之后,將對(duì)象表面上不可見(jiàn)的點(diǎn)、線、面消去。執(zhí)行這一功能的算法稱為消隱算法。消隱算法是將物體的表面分解為一組空間多邊形,研究多邊形之間的遮擋關(guān)系。從應(yīng)用角度看,有兩類消隱:線消隱(Hidden-line)用于線框圖,如圖7.4所示;面消隱(Hidden-surface)用于表面填色,如圖7.5所示。367.4.3消隱算法

人不能一眼看到一個(gè)三維物體的全圖7.4經(jīng)線消隱處理的三維線框圖37圖7.4經(jīng)線消隱處理的三維線框圖37圖7.5經(jīng)面消隱處理的三維填色圖38圖7.5經(jīng)面消隱處理的三維填色圖387.4.4光照模型

當(dāng)光照射到物體表面時(shí),光線可能被吸收、反射和透射。被物體吸收的部分轉(zhuǎn)化為熱。反射、透射的光進(jìn)入人的視覺(jué)系統(tǒng),使我們能看見(jiàn)物體。為模擬這一現(xiàn)象,人們建立一些數(shù)學(xué)模型來(lái)替代復(fù)雜的物理模型。這些模型就稱為光照明模型或者明暗效應(yīng)模型。在真實(shí)感圖形學(xué)中,為了模擬現(xiàn)實(shí)世界中的場(chǎng)景,我們一般需要知道這個(gè)場(chǎng)景的光照明效果的物理模型,然后用一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)表示它,通過(guò)計(jì)算這種數(shù)學(xué)模型可以得到計(jì)算機(jī)模擬出來(lái)的真實(shí)感效果。三維形體的圖形經(jīng)消隱后,再進(jìn)行光照處理,可以進(jìn)一步提高圖形的真實(shí)感。

照射到物體上的光線,不僅有從光源直接射來(lái)的,也有經(jīng)過(guò)其他物體反射或折射來(lái)的。局部光照模型只能處理直接光照,為了對(duì)環(huán)境中物體之間的各種反射、折射光進(jìn)行精確模擬,需要使用整體光照模型。397.4.4光照模型

當(dāng)光照射到物體表面時(shí),光線可能

光線跟蹤光線跟蹤(Ray-trace)是一種真實(shí)感地現(xiàn)實(shí)物體的方法。由光源發(fā)出的光到達(dá)物體表面后,產(chǎn)生反射和折射。簡(jiǎn)單光照模型和透射模型模擬了這兩種現(xiàn)象。在簡(jiǎn)單光照模型中,由光源發(fā)出的光稱為直接光,物體對(duì)直接光的反射或折射稱為直接反射和直接折射;相對(duì)地,把物體表面間對(duì)光的反射和折射稱為間接光、間接反射、間接折射。這些是光線在物體之間的傳播方式,是光線跟蹤算發(fā)的基礎(chǔ)。光線跟蹤自然地解決了所有物體之間的消隱、陰影、鏡面反射和折射等問(wèn)題,能生成逼真的圖形,且算法實(shí)現(xiàn)也非常簡(jiǎn)單。40光線跟蹤40

光投射模型對(duì)于透明或半透明的物體,在光線與物體表面相交時(shí),一般會(huì)產(chǎn)生反射和折射,經(jīng)折射后的光線穿過(guò)物體,在物體的另一面射出,形成透射光。由于透明物體可以透射光,因而人們可以透過(guò)這種材料看到后面的物體。由于光的折射通常會(huì)改變光的方向,要在真實(shí)感圖形學(xué)中模擬折射,需要較大的計(jì)算量。4141

表面圖案與紋理表面圖案(SurfacePatterns)的描繪,是指將一張平面圖案(Pattern)描繪到物體表面上去并進(jìn)行三維明暗真實(shí)感現(xiàn)實(shí)的過(guò)程。物體表面有圖案,意味著物體表面的各點(diǎn)呈現(xiàn)不同的色彩和不同的亮度,而這是由物體表面的反射或透射系數(shù)決定的。因此,在物體表面繪上圖案,也就是改變物體表面有關(guān)部分的反射或透射系數(shù)。42表面圖案與紋理42

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中,物體表面的細(xì)節(jié)稱為紋理。一般考慮兩種類型的紋理:一種是在光滑表面上繪制一定的花紋或圖案,當(dāng)花紋繪制后仍然光滑如初,一般這一過(guò)程可用一映射函數(shù)來(lái)描述。另一種是使物體表面出現(xiàn)凹凸不平的感覺(jué)。這一過(guò)程可用一個(gè)擾動(dòng)函數(shù)來(lái)描述。43在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中,物體表面的細(xì)節(jié)稱為

表面紋理的描繪用于表示細(xì)微的凹凸不平的物體表面,由于這種表面表達(dá)為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)既困難又無(wú)必要,因此,通常用一種特殊的算法來(lái)模擬它,將紋理逼真地顯示出來(lái),滿足視覺(jué)感管的需要。44表面紋理的描繪用于表示細(xì)微的凹凸不平

陰影的生成陰影是現(xiàn)實(shí)生活中很常見(jiàn)的光照現(xiàn)象,它是由于光源被物體遮擋而在該物體后面產(chǎn)生的較暗的區(qū)域。在真實(shí)感圖形學(xué)中,通過(guò)陰影可提供物體位置和方向信息,從而可以反映出物體之間相互關(guān)系,增加圖形圖像的立體效果和真實(shí)感。當(dāng)知道了物體的陰影區(qū)域以后,就可以用簡(jiǎn)單光照明模型來(lái)計(jì)算光強(qiáng)。對(duì)于物體表面的多邊形,如果在陰影區(qū)域內(nèi)部,那么該多邊形的光強(qiáng)就只有環(huán)境光一項(xiàng),否則就用正常模型計(jì)算光強(qiáng)。通過(guò)這種的方法,可把陰影引入簡(jiǎn)單光照明模型中,使產(chǎn)生的真實(shí)感圖形更有層次感。45陰影的生成457.4.5實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)

前面介紹的光照明模型及它們?cè)谡鎸?shí)感圖形學(xué)中的一些應(yīng)用方法,都是用數(shù)學(xué)模型來(lái)表示真實(shí)世界中的物理模型,所生成的真實(shí)感圖像可以給人以高度逼真的感覺(jué)。但是,用這些模型生成一幅真實(shí)感圖像需較長(zhǎng)時(shí)間,尤其對(duì)于復(fù)雜的場(chǎng)景,繪制的時(shí)間甚至可達(dá)數(shù)小時(shí)。盡管現(xiàn)在計(jì)算機(jī)硬件水平有了很大提高,而且對(duì)于這些真實(shí)感圖形學(xué)算法的研究也有了很大發(fā)展,但真實(shí)感圖形的繪制速度仍不能滿足某些實(shí)時(shí)圖形顯示的任務(wù)要求。例如在某些需要?jiǎng)討B(tài)模擬、實(shí)時(shí)交互的科學(xué)計(jì)算可視化以及虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中,它們對(duì)于生成真實(shí)感圖形學(xué)的實(shí)時(shí)性要求很高,這須采用實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)。

467.4.5實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)

前面介紹的光

實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)是在當(dāng)前圖形算法和硬件條件的限制下提出的在一定時(shí)間內(nèi)完成真實(shí)感圖形圖像繪制的技術(shù)。一般來(lái)說(shuō),它通過(guò)損失一定的圖形質(zhì)量來(lái)達(dá)到實(shí)時(shí)繪制真實(shí)感圖像的目的,就目前的技術(shù)而言,主要通過(guò)降低顯示三維場(chǎng)景模型的復(fù)雜度來(lái)實(shí)現(xiàn),這種技術(shù)被稱為層次細(xì)節(jié)(LOD:LevelofDetail)顯示和簡(jiǎn)化技術(shù),是當(dāng)前大多數(shù)商業(yè)實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形生成系統(tǒng)中所采用的技術(shù)。47實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)是在當(dāng)前圖形算法和硬件條件

7.5計(jì)算機(jī)圖形格式與處理軟件7.5.1矢量圖

客觀世界中,圖可分為二類。

1.可見(jiàn)的圖像。例如照片、圖紙和人們創(chuàng)作的各種美術(shù)作品等,對(duì)于這一類圖,只能使用掃描儀、數(shù)字照相機(jī)或攝像機(jī)進(jìn)行數(shù)字化輸入后,才能由計(jì)算機(jī)進(jìn)行間接處理。

2.可用數(shù)學(xué)公式或模型描述的圖形,這一類圖可由計(jì)算機(jī)直接進(jìn)行創(chuàng)作與處理。由此對(duì)應(yīng)的圖文件有兩種,即存儲(chǔ)圖形信息的矢量圖文件和存儲(chǔ)圖像信息的位圖文件。487.5計(jì)算機(jī)圖形格式與處理軟件48

矢量圖形特點(diǎn)是精確度高、靈活性大,并且用它們?cè)O(shè)計(jì)出來(lái)的作品可任意放大縮小而不變形失真。它不會(huì)像一些位圖處理軟件那樣,在進(jìn)行高倍放大后圖像會(huì)方塊化。用矢量圖制作的作品可以在任意輸出設(shè)備上輸出而不用考慮其分辨率。矢量圖在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)格式大都不固定,要視各個(gè)軟件的特點(diǎn)由開發(fā)者自定。相對(duì)于位圖來(lái)講,矢量圖占用的存儲(chǔ)空間較小。但在屏幕每次顯示時(shí),它都需要經(jīng)過(guò)重新計(jì)算,故顯示速度沒(méi)有圖像快。49矢量圖形特點(diǎn)是精確度高、靈活性大,并且用它們?cè)O(shè)計(jì)7.5.2AutoCAD

AutoCAD是Autodesk公司的主導(dǎo)產(chǎn)品。在CAD/CAE/CAM工業(yè)領(lǐng)域內(nèi),該公司是擁有全球用戶量最多的軟件供應(yīng)商,也是全球規(guī)模最大的基于PC平臺(tái)的CAD和動(dòng)畫及可視化軟件企業(yè)。Autodesk公司的軟件產(chǎn)品被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、影視制作、視頻游戲開發(fā)以及Web網(wǎng)的數(shù)據(jù)開發(fā)等重大領(lǐng)域。507.5.2AutoCAD

AutoCAD是

AutoCAD是當(dāng)今最流行的矢量圖繪圖軟件,它有強(qiáng)大的二維功能,如繪圖、編輯、剖面線和圖案繪制、尺寸標(biāo)注以及二次開發(fā)等功能,同時(shí)具有三維造型功能。AutoCAD提供AutoLISP、ADS、ARX作為二次開發(fā)的工具。在許多實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域(如機(jī)械、建筑、電子)中,一些軟件開發(fā)商在AutoCAD基礎(chǔ)上開發(fā)出許多符合實(shí)際應(yīng)用的軟件。

51AutoCAD是當(dāng)今最流行的矢量圖繪圖軟件,它有

目前,Autodesk公司已經(jīng)發(fā)布AutoCAD2006。AutoCAD2006是一個(gè)功能全面、使用方便、容易掌握的繪圖輔助設(shè)計(jì)軟。AutoCAD2006將二維繪圖和和三維造型功能和諧地統(tǒng)一在一起。 AutoCAD2006支持的三維建模功能包括三維視圖操作、視窗布置、坐標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)置、線框模型-表面模型-實(shí)體模型的建立和編輯、透視圖的生成、三維模型的渲染、圖紙空間應(yīng)用及與其他三維建模軟件的數(shù)據(jù)交換。提供了一個(gè)精彩的三維世界。

52目前,Autodesk公司已經(jīng)發(fā)布AutoCAD2

7.5.3繪圖軟件CorelDRAW

CorelDRAW是由Corel公司開發(fā)的Windows環(huán)境下的桌面繪圖軟件,用戶界面直觀便于學(xué)習(xí)與使用。

CorelDRAW是基于矢量結(jié)構(gòu)的程序,可用于印刷媒體制作。面向?qū)ο蟮睦L圖程序有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):高精度和靈活性。矢量坐標(biāo)滿足數(shù)學(xué)方程式,用它來(lái)定義對(duì)象可以進(jìn)行與輸出設(shè)備和分辨率無(wú)關(guān)的操作。貝塞爾曲線(BezierCurves)在尺寸上是無(wú)限伸縮的,這使得在不損失質(zhì)量的情況下,可靈活地縮小或放大作品。5353小結(jié)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概論計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用圖形與圖像的區(qū)別與聯(lián)系真實(shí)感圖形技術(shù)計(jì)算機(jī)圖形格式與處理軟件54小結(jié)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概論54作業(yè)P16455作業(yè)P16455第7章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖形處理技術(shù)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(ComputerGraphics)是利用計(jì)算機(jī)研究圖形表示、生成、處理、顯示的學(xué)科。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)中最活躍的分支之一,并得到廣泛的應(yīng)用。本章介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容、發(fā)展歷史、應(yīng)用領(lǐng)域和真實(shí)感圖形的實(shí)現(xiàn)技術(shù),對(duì)圖形學(xué)的基本內(nèi)容進(jìn)行介紹。56第7章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖形處理技術(shù)計(jì)算機(jī)7.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概論

7.1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的主要內(nèi)容

在計(jì)算機(jī)中表示圖形以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法,構(gòu)成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容。

圖形通常有點(diǎn)、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線形線寬等非幾何屬性組成。577.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概論2

從處理技術(shù)上看,圖形主要分為兩類:

1.基于線條信息表示的,用于刻劃物體形狀的點(diǎn)、線、面、體等幾何要素。如工程圖、等高線地圖等。2.反映物體表面屬性或材質(zhì)的灰度顏色等非幾何要素。它側(cè)重于根據(jù)給定的物體描述模型、光照來(lái)生成真實(shí)感圖形。如通過(guò)攝像機(jī)來(lái)生成的真實(shí)感圖形。58從處理技術(shù)上看,圖形主要分為兩類:3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容非常廣泛,如圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形計(jì)算與顯示算法,以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)一個(gè)主要的目的就是利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生令人賞心悅目的真實(shí)感圖形。為此,必須建立圖形所描述的場(chǎng)景的幾何表示,再用某種光照模型計(jì)算在假想的光源、紋理、材質(zhì)屬性下的光照明效果,所以,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)有著密切聯(lián)系。59計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容非常廣泛,如圖形硬件、圖形7.1.2計(jì)算機(jī)圖形處理的基本概念

計(jì)算機(jī)圖形處理是指把由概念或數(shù)學(xué)描述所表示物體的幾何數(shù)據(jù)或幾何模型,用計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、修改、完善及有關(guān)操作的過(guò)程。圖形處理包括的主要內(nèi)容有:

幾何變換,如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、透視和投影等曲線和曲面擬合建?;蛟煨碗[線、隱面消除陰暗處理紋理產(chǎn)生著色607.1.2計(jì)算機(jī)圖形處理的基本概念

計(jì)算機(jī)圖形處理

圖形處理技術(shù)主要應(yīng)用在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD、計(jì)算機(jī)輔助制造CAM、計(jì)算機(jī)輔助教育CAI、計(jì)算機(jī)藝術(shù)、計(jì)算機(jī)模擬、計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。CAD是主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。61圖形處理技術(shù)主要應(yīng)用在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD、計(jì)7.1.3計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成與功能1.計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成

計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)由硬件設(shè)備和相應(yīng)的圖形軟件系統(tǒng)兩部分組成。

高質(zhì)量的計(jì)算機(jī)圖形離不開高性能的計(jì)算機(jī)圖形硬件設(shè)備。

圖形系統(tǒng)硬件通常由圖形處理器,圖形輸出設(shè)備和輸入設(shè)備構(gòu)成。圖形處理器是圖形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要部件,是連接計(jì)算機(jī)和顯示終端的紐帶。圖形處理器具有存儲(chǔ)和處理圖形的功能,而且能完成大部分圖形函數(shù)計(jì)算,這大大減輕了CPU負(fù)擔(dān),提高了系統(tǒng)顯示能力和速度。627.1.3計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成與功能7最常用的圖形輸入設(shè)備是鍵盤和鼠標(biāo)。人們一般通過(guò)一些圖形軟件由鍵盤和鼠標(biāo)直接在屏幕上定位和輸入圖形,如CAD系統(tǒng)就是用鼠標(biāo)和鍵盤命令制作各種工程圖的。此外還有跟蹤球、空間球、數(shù)據(jù)手套、光筆、觸摸屏等輸入設(shè)備。跟蹤球和空間球是根據(jù)球在不同方向受到的推或拉的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)定位和選擇。數(shù)據(jù)手套則是通過(guò)傳感器和天線來(lái)發(fā)送手指的位置和方向的信息。這幾種輸入設(shè)備在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的構(gòu)造和漫游中特別有用。光筆是一種檢測(cè)光的裝置,它直接在屏幕上操作,拾取位置。63最常用的圖形輸入設(shè)備是鍵盤和鼠標(biāo)。人們一般通過(guò)一

圖形輸出設(shè)備是指可以快速生成和處理圖形的顯示系統(tǒng)以及輸出到某種介質(zhì)上永久保存圖形的繪圖系統(tǒng),主要包括顯示器、繪圖儀、打印機(jī)等。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、圖形輸入/輸出設(shè)備的發(fā)展,計(jì)算機(jī)圖形軟件也不斷更新和完善,目前有許多支持計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的軟件系統(tǒng)。如各種子程序包、圖形函數(shù)庫(kù)、甚至是專用的圖形系統(tǒng)。隨著圖形系統(tǒng)的發(fā)展,提出了圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)程序的可移植性,開發(fā)出了面向設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序包或面向用戶的圖形生成及管理程序包。64圖形輸出設(shè)備是指可以快速生成和處理圖

2.圖形系統(tǒng)的功能

圖形系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制是計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程領(lǐng)域的重要內(nèi)容。作為一個(gè)圖形系統(tǒng),至少應(yīng)具有計(jì)算、存儲(chǔ)、輸入、輸出、對(duì)話等五個(gè)方面的基本功能。652.圖形系統(tǒng)的功能

圖形系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制是計(jì)算機(jī)計(jì)算功能

實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中所需的計(jì)算、變換、分析等。如:圖元生成、坐標(biāo)變換;

存儲(chǔ)功能

存放(形體的)幾何數(shù)據(jù)、形體間的關(guān)系,并可對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢索、維護(hù);

輸入功能

輸入形體的幾何參數(shù)及各種命令。66計(jì)算功能

實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中所需的計(jì)算、變換、分析等。如:圖元生輸出功能

可顯示過(guò)程中的狀態(tài),修改后的結(jié)果,并可硬拷貝及輸出。

對(duì)話功能

通過(guò)圖形顯示器及相應(yīng)人—機(jī)交互設(shè)備直接進(jìn)行人—機(jī)通信。用戶通過(guò)顯示器觀察設(shè)計(jì)結(jié)果和圖形,通過(guò)選擇拾取設(shè)備,對(duì)不滿意部分作修改。系統(tǒng)還可追溯以前的工作步驟,對(duì)用戶操作執(zhí)行的錯(cuò)誤給予必要的提示和跟蹤。

以上五種功能是一個(gè)圖形系統(tǒng)所具備的最基本功能,至于每種功能中有哪些能力,則因不同系統(tǒng)而異。

67輸出功能

可顯示過(guò)程中的狀態(tài),修改后的結(jié)果,并可硬拷貝及輸7.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用7.2.1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(guó)麻省理工學(xué)院(MIT,MassachusettesInstituteofTechnology),20世紀(jì)50年代初到60年代中期,麻省理工學(xué)院積極從事計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造技術(shù)研究。計(jì)算機(jī)圖形(ComputerGraphics)一詞在1962年美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的IvanE.sutherland發(fā)表的一篇題為“Sketchpad:一個(gè)人—機(jī)通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文中首次使用。它證明了交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一個(gè)可行的、有用的研究領(lǐng)域,從而確立了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為一個(gè)嶄新的學(xué)科分支的獨(dú)立地位。687.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用13

1964年,孔斯(S.Coons)提出了用小塊曲面片組合表示自由曲面,使曲面片邊界上達(dá)到任意高階連續(xù)的理論方法,稱孔斯曲面。此方法受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界極大重視。法國(guó)雷諾公司貝賽爾(P.Bezier)也提出了Bezier曲線和曲面,并將其成功地用于幾何外形設(shè)計(jì),開發(fā)了用于汽車外形設(shè)計(jì)的UNISURF系統(tǒng)。他們被稱為計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)的奠基人。

1964年,IBM公司推出了第一臺(tái)交互式光筆輸入顯示器設(shè)計(jì)方案,后經(jīng)改進(jìn),成為IBM2250顯示器,如圖7.1所示。它預(yù)示著交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的誕生。691964年,孔斯(S.Coons)提出了用小塊圖7.1世界上第一臺(tái)光筆交互式圖形顯示器IBM225070圖7.1世界上第一臺(tái)光筆交互式圖形顯示器IBM22501

洛克希德飛機(jī)公司利用IBM2250開發(fā)了CAD繪圖加工系統(tǒng)(如圖7.2所示),1974年起向外轉(zhuǎn)讓,成為目前應(yīng)用最廣的CAD/CAM軟件。71洛克希德飛機(jī)公司利用IBM2250開發(fā)了CAD繪圖7.21959年IBM開發(fā)的用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng)DAC-172圖7.21959年IBM開發(fā)的用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的CAD系20世紀(jì)70年代,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)另外兩個(gè)重要進(jìn)展是真實(shí)感圖形學(xué)和實(shí)體造型技術(shù)的產(chǎn)生。1980年提出的光透視模型和光線跟蹤算法,標(biāo)志著真實(shí)感圖形的顯示算法已逐漸成熟。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的理論和技術(shù)在不斷發(fā)展,應(yīng)用前景也將更令人矚目,但也有許多問(wèn)題還有待于解決。7320世紀(jì)70年代,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)另外兩個(gè)重要進(jìn)展是7.2.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域

目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域主要有:計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)

CAD/CAM是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)被廣泛用于建筑工程設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。包括設(shè)計(jì)飛機(jī)、汽車、船舶的外形和發(fā)電廠、化工廠等的布局。在電子工業(yè)中,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用到集成電路、印刷電路板、電子線路和網(wǎng)絡(luò)分析等方面的優(yōu)勢(shì)十分明顯。一個(gè)大規(guī)?;虺笠?guī)模集成電路版圖根本不可能用手工繪制,計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)不僅能進(jìn)行設(shè)計(jì)和畫圖,且可在較短時(shí)間內(nèi)完成,美國(guó)波音飛機(jī)公司用CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)波音777飛機(jī)整體設(shè)計(jì),包括飛機(jī)外型、內(nèi)部零部件安裝和檢驗(yàn)。747.2.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域

目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域

CAD另一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域,是基于工程圖紙的三維形體重建。三維形體重建就是從二維信息中提取三維信息,通過(guò)對(duì)這些信息進(jìn)行分類、綜合等一系列處理,在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對(duì)應(yīng)的三維形體,恢復(fù)形體的點(diǎn)、線、面及其拓?fù)潢P(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)形體的重建。75CAD另一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域,是基于工程圖形化的用戶接口

一個(gè)友好的圖形化用戶界面能大大提高軟件的易用性,隨著Apple公司圖形化操作系統(tǒng)的推出,特別是微軟windows操作系統(tǒng)的普及,標(biāo)志著圖形學(xué)已經(jīng)融入計(jì)算機(jī)的方方面面。如今,在任何一臺(tái)普通計(jì)算機(jī)上都可看到圖形學(xué)在用戶接口方面的應(yīng)用,操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件中圖形、圖標(biāo)和動(dòng)畫的廣泛使用,使程序直觀易用。很多軟件,不用看說(shuō)明書,根據(jù)它的圖形界面指示就可進(jìn)行操作。目前正在研究下一代用戶界面,開發(fā)面向主流應(yīng)用的自然、高效多通道的用戶界面。研究多通道語(yǔ)義模型、多通道整合算法及其軟件結(jié)構(gòu)和界面范式是當(dāng)前用戶界面和接口方面研究的主流方向,而圖形學(xué)在其中起主導(dǎo)作用。76圖形化的用戶接口

一個(gè)友好的圖形化用戶界面能大大提高地形地貌和自然資源圖

國(guó)土基礎(chǔ)信息是國(guó)家經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。利用這些存儲(chǔ)的信息可繪制平面圖、生成三維地形地貌圖,為高層次的國(guó)土整治進(jìn)行預(yù)測(cè)和提供決策,為綜合治理和資源開發(fā)研究提供科學(xué)依據(jù),在軍事方面也有重要價(jià)值。77地形地貌和自然資源圖

國(guó)土基礎(chǔ)信息是國(guó)家經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的一科學(xué)計(jì)算可視化

科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展,數(shù)據(jù)量與日俱增使得人們對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理越來(lái)越難,人們無(wú)法用傳統(tǒng)方法從數(shù)據(jù)海洋中得到最有用的數(shù)據(jù),找到數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,提取最本質(zhì)的特征。但是如果能將這些數(shù)據(jù)用圖形的形式表示出來(lái),情況就不一樣了,事物的發(fā)展趨勢(shì)和本質(zhì)特征將會(huì)很清楚地呈現(xiàn)在人們面前。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫和藝術(shù)可用于美術(shù)創(chuàng)做的軟件很多,如二維平面的繪圖程序CorelDraw,photoshop,paintshop,三維動(dòng)畫建模和渲染軟件3DMAX,Maya等78科學(xué)計(jì)算可視化

科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展,數(shù)據(jù)量與日俱增使得7.3圖形與圖像的區(qū)別與聯(lián)系

圖形和圖像有著較大不同。因而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)字圖像處理目前仍被作為兩門不同課程。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是指將點(diǎn)、線、面、曲面等實(shí)體生成物體的模型存放在計(jì)算機(jī)里,并可進(jìn)行修改、處理、操作和顯示的一門學(xué)科。圖形含有幾何屬性,或者說(shuō)更強(qiáng)調(diào)場(chǎng)景的幾何表示,是由場(chǎng)景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成的。

圖像是指利用計(jì)算機(jī)外部輔助設(shè)備(如掃描儀、數(shù)碼相機(jī)或視頻采集裝置等)輸入的自然圖片。數(shù)字圖像處理是對(duì)圖像像素進(jìn)行數(shù)字化處理、變換、壓縮和傳輸?shù)囊婚T計(jì)算機(jī)技術(shù)。就存儲(chǔ)方式而言,圖像純指計(jì)算機(jī)內(nèi)以位圖(Bitmap)形式存在的灰度或彩色信息圖形的幾何屬性。797.3圖形與圖像的區(qū)別與聯(lián)系

圖形和圖像有著較大不圖形與圖像的主要區(qū)別有:數(shù)據(jù)來(lái)源不同

圖像數(shù)據(jù)來(lái)自客觀世界;圖形數(shù)據(jù)來(lái)自主觀世界。

處理方法不同

圖像處理方法包括幾何修正、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像理解、圖像識(shí)別等;圖形處理方法包括幾何變換、開窗和裁剪、隱藏線和隱藏面消除、曲線和曲面擬合、明暗處理、紋理產(chǎn)生等。

理論基礎(chǔ)不同

圖像處理主要用到數(shù)字信號(hào)處理、概率與統(tǒng)計(jì)、模糊數(shù)學(xué)等;計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要用到仿射與透視變換、樣條幾何、計(jì)算幾何、分形等理論。

80圖形與圖像的主要區(qū)別有:25用途不同

圖像處理主要用于遙感、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、航天航空、軍事等。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要用于CAD/CAM/CAE/CAI計(jì)算機(jī)藝術(shù)、計(jì)算機(jī)模擬、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫等。在實(shí)際應(yīng)用中,圖形、圖像技術(shù)又是相互關(guān)聯(lián)的。把圖形、圖像處理技術(shù)相結(jié)合,可以使視覺(jué)效果和質(zhì)量更加完善,更加精美。從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用要求看,兩者的結(jié)合既有必要性,又有可能性。

1.必要性利用兩種技術(shù)進(jìn)行完美逼真的立體成像

2.可能性都以像素為基礎(chǔ)81用途不同

圖像處理主要用于遙感、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、航天航空、軍事圖形與圖像的對(duì)比與區(qū)別

圖形(Graphics)圖像(Image)數(shù)據(jù)量少數(shù)據(jù)量大有結(jié)構(gòu),便于編輯修改無(wú)結(jié)構(gòu),不便于編輯修改能準(zhǔn)確表示3D景物,易于生成所需的不同視圖3D景物的信息巳部分丟失,很難生成不同的視圖生成視圖需要復(fù)雜的計(jì)算生成視圖不需要復(fù)雜的計(jì)算自然景物的表示很困難自然景物的表示不困難國(guó)際標(biāo)準(zhǔn):GKS,PHIGS,OpenGL,WMF,VRML,CGM,STEP國(guó)際標(biāo)準(zhǔn):JBIG,JPEG,TIFF編輯軟件(繪圖軟件):AutoCAD,CorelDRAW編輯軟件(圖像處理軟件):Photoshop,Photostyler82圖形與圖像的對(duì)比與區(qū)別數(shù)據(jù)量少數(shù)據(jù)量大有結(jié)構(gòu),便于編輯修改GKS:abbr.GraphicsKernelSystem,計(jì)算機(jī)圖形核心系統(tǒng)PHIGS:程序員層次交互式圖形系統(tǒng)OpenGL:OpenGraphicsLibrary,是一套三維圖形處理庫(kù)WMF:Windows圖元文件格式VRML:VirtualRealityModelingLanguage虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言CGM:計(jì)算機(jī)圖形元文件STEP:Standardfortheexchangeofproductmodeldata產(chǎn)品型號(hào)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)JBIG:聯(lián)合雙態(tài)成像組JPEG:聯(lián)合圖象專家組TIFF:標(biāo)簽圖像文件格式83GKS:abbr.GraphicsKernelSyste

隨著圖形圖像技術(shù)的發(fā)展,兩者之間相互交叉、相互滲透,其界線也越來(lái)越模糊,計(jì)算機(jī)圖形與圖像處理之間的聯(lián)系與轉(zhuǎn)換如圖7.3所示。圖7.3計(jì)算機(jī)圖形與圖像處理之間的聯(lián)系與轉(zhuǎn)換84隨著圖形圖像技術(shù)的發(fā)展,兩者之間相互交叉、相互

圖形學(xué)的逆過(guò)程是分析和識(shí)別輸入的圖像并從中提取二維或三維的數(shù)據(jù)模型(特征)。例如手寫體識(shí)別、機(jī)器視覺(jué)。模型變換是采用計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)CAGD(ComputerAidedGeometricDesign)技術(shù),CAGD技術(shù)適用于幾何形體在計(jì)算機(jī)中的表示,分析、研究怎樣靈活方便地建立幾何形體的數(shù)學(xué)模型,提高算法效率,研究曲線、曲面的表示、生成、拼接、數(shù)據(jù)擬合,如何在計(jì)算機(jī)內(nèi)更好地存儲(chǔ)和管理這些模型等。85圖形學(xué)的逆過(guò)程是分析和識(shí)別輸入的圖像并從中7.4真實(shí)感圖形技術(shù)什么是真實(shí)感圖形

計(jì)算機(jī)真實(shí)感圖形是一種光柵圖形。光柵圖形顯示器的屏幕由一系列顯示單元組成,每個(gè)顯示單元稱為一個(gè)像素。在生成一幅真實(shí)感圖形時(shí),必須逐個(gè)像素地計(jì)算畫面上相應(yīng)景物表面區(qū)域的顏色。在計(jì)算可見(jiàn)景物表面區(qū)域顏色時(shí),不但要考慮光源對(duì)該區(qū)域入射光的光亮度,而且還要考慮該表面區(qū)域?qū)庠吹某?,表面材料和反射性質(zhì)等。這種計(jì)算必須基于一定的光學(xué)物理模型,稱為光照明模型?;趫?chǎng)景幾何和光照模型生成一幅真實(shí)感圖形的過(guò)程稱為繪制。由于光柵圖形屏幕通常包含百萬(wàn)計(jì)像素,因此,如何利用景物的空間連貫性和圖像空間連貫性,提高繪制算法效率是真實(shí)感圖形技術(shù)研究的重點(diǎn)。867.4真實(shí)感圖形技術(shù)31

真實(shí)感圖形是一種計(jì)算機(jī)圖形生成技術(shù),它首先在計(jì)算機(jī)中構(gòu)造出所需場(chǎng)景的幾何模型,然后根據(jù)假定的光照條件,計(jì)算畫面上可見(jiàn)的各景物表面的光亮度,使觀者產(chǎn)生如臨其境,如見(jiàn)其物的視覺(jué)效果。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)本身的發(fā)展,真實(shí)感圖形學(xué)在我們?nèi)粘5墓ぷ?、學(xué)習(xí)和生活中已經(jīng)有了非常廣泛的應(yīng)用。87真實(shí)感圖形是一種計(jì)算機(jī)圖形生成技術(shù),它首先在計(jì)算7.4.1真實(shí)感圖形生成步驟

三維造型或建模。用數(shù)學(xué)方法建立所需三維場(chǎng)景的幾何描述,并將其輸入到計(jì)算機(jī)。這部分工作通常由三維立體造型系統(tǒng)或曲面造型系統(tǒng)完成。場(chǎng)景的幾何描述直接影響圖形的復(fù)雜性和圖形繪制計(jì)算開銷。將三維幾何描述轉(zhuǎn)換為二維透視圖。這可通過(guò)對(duì)場(chǎng)景的透視變換來(lái)完成。確定場(chǎng)景中的所有可見(jiàn)面。這需要使用隱藏面消除算法將視野之外或被其他物體遮擋的不可見(jiàn)面消去。根據(jù)基于光學(xué)物理的光照明模型計(jì)算可見(jiàn)面投射到觀察者眼中的光亮度大小和色彩組成,并將它轉(zhuǎn)換成適合圖形設(shè)備的顏色值,從而確定投影畫面上每一像素的顏色,最終生成圖形。887.4.1真實(shí)感圖形生成步驟

337.4.2三維幾何造型方法

幾何造型技術(shù)是一項(xiàng)研究在計(jì)算機(jī)中如何表達(dá)物體模型形狀的技術(shù)。它經(jīng)歷了30多年發(fā)展歷史,由于幾何造型技術(shù)研究的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件性能的大幅提高,出現(xiàn)了許多以幾何造型為核心的實(shí)用系統(tǒng),在航空航天、汽車、造船、機(jī)械、建筑和電子等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。在幾何造型系統(tǒng)中,描述物體的三維模型有線框模型、表面模型和實(shí)體模型三種。

線框模型是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和CAD/CAM領(lǐng)域最早用來(lái)表示物體的模型,它建立在牢固的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上,線框模型所描述的物體的幾何信息都是可知的,控制的靈活性最高,在需要精確描述的場(chǎng)合(如CAD)具有其他方法無(wú)法替代的作用。計(jì)算機(jī)繪圖是這種模型的一個(gè)重要應(yīng)用。897.4.2三維幾何造型方法

幾何造型技術(shù)是一項(xiàng)研究

表面模型在線框模型的基礎(chǔ)上,增加了物體表面的信息。它用面的集合來(lái)表示物體,而用環(huán)來(lái)定義面的邊界。三維表面模型表示三維物體的信息并不完整,但它能夠表達(dá)復(fù)雜的曲面,在幾何造型中具有重要的地位。對(duì)于支持曲面的三維實(shí)體模型,表面模型是它的基礎(chǔ)。

實(shí)體模型是最高級(jí)的模型,它能完整表示物體的所有形狀信息,可無(wú)歧義地確定一個(gè)點(diǎn)是在物體外部、內(nèi)部或表面上,這種模型能夠進(jìn)一步滿足物理計(jì)算、有限元分析等應(yīng)用的要求。

90表面模型在線框模型的基礎(chǔ)上,增加了物體表面的信息。7.4.3消隱算法

人不能一眼看到一個(gè)三維物體的全部表面。從一個(gè)視點(diǎn)去觀察一個(gè)三維物體,只能看到該物體表面上的部分點(diǎn)、線、面,其余部分則被這些可見(jiàn)部分遮擋住。若觀察的是若干個(gè)三維物體,物體之間還可能彼此遮擋。因此,如果想真實(shí)感地顯示三維物體,必須在視點(diǎn)確定之后,將對(duì)象表面上不可見(jiàn)的點(diǎn)、線、面消去。執(zhí)行這一功能的算法稱為消隱算法。消隱算法是將物體的表面分解為一組空間多邊形,研究多邊形之間的遮擋關(guān)系。從應(yīng)用角度看,有兩類消隱:線消隱(Hidden-line)用于線框圖,如圖7.4所示;面消隱(Hidden-surface)用于表面填色,如圖7.5所示。917.4.3消隱算法

人不能一眼看到一個(gè)三維物體的全圖7.4經(jīng)線消隱處理的三維線框圖92圖7.4經(jīng)線消隱處理的三維線框圖37圖7.5經(jīng)面消隱處理的三維填色圖93圖7.5經(jīng)面消隱處理的三維填色圖387.4.4光照模型

當(dāng)光照射到物體表面時(shí),光線可能被吸收、反射和透射。被物體吸收的部分轉(zhuǎn)化為熱。反射、透射的光進(jìn)入人的視覺(jué)系統(tǒng),使我們能看見(jiàn)物體。為模擬這一現(xiàn)象,人們建立一些數(shù)學(xué)模型來(lái)替代復(fù)雜的物理模型。這些模型就稱為光照明模型或者明暗效應(yīng)模型。在真實(shí)感圖形學(xué)中,為了模擬現(xiàn)實(shí)世界中的場(chǎng)景,我們一般需要知道這個(gè)場(chǎng)景的光照明效果的物理模型,然后用一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)表示它,通過(guò)計(jì)算這種數(shù)學(xué)模型可以得到計(jì)算機(jī)模擬出來(lái)的真實(shí)感效果。三維形體的圖形經(jīng)消隱后,再進(jìn)行光照處理,可以進(jìn)一步提高圖形的真實(shí)感。

照射到物體上的光線,不僅有從光源直接射來(lái)的,也有經(jīng)過(guò)其他物體反射或折射來(lái)的。局部光照模型只能處理直接光照,為了對(duì)環(huán)境中物體之間的各種反射、折射光進(jìn)行精確模擬,需要使用整體光照模型。947.4.4光照模型

當(dāng)光照射到物體表面時(shí),光線可能

光線跟蹤光線跟蹤(Ray-trace)是一種真實(shí)感地現(xiàn)實(shí)物體的方法。由光源發(fā)出的光到達(dá)物體表面后,產(chǎn)生反射和折射。簡(jiǎn)單光照模型和透射模型模擬了這兩種現(xiàn)象。在簡(jiǎn)單光照模型中,由光源發(fā)出的光稱為直接光,物體對(duì)直接光的反射或折射稱為直接反射和直接折射;相對(duì)地,把物體表面間對(duì)光的反射和折射稱為間接光、間接反射、間接折射。這些是光線在物體之間的傳播方式,是光線跟蹤算發(fā)的基礎(chǔ)。光線跟蹤自然地解決了所有物體之間的消隱、陰影、鏡面反射和折射等問(wèn)題,能生成逼真的圖形,且算法實(shí)現(xiàn)也非常簡(jiǎn)單。95光線跟蹤40

光投射模型對(duì)于透明或半透明的物體,在光線與物體表面相交時(shí),一般會(huì)產(chǎn)生反射和折射,經(jīng)折射后的光線穿過(guò)物體,在物體的另一面射出,形成透射光。由于透明物體可以透射光,因而人們可以透過(guò)這種材料看到后面的物體。由于光的折射通常會(huì)改變光的方向,要在真實(shí)感圖形學(xué)中模擬折射,需要較大的計(jì)算量。9641

表面圖案與紋理表面圖案(SurfacePatterns)的描繪,是指將一張平面圖案(Pattern)描繪到物體表面上去并進(jìn)行三維明暗真實(shí)感現(xiàn)實(shí)的過(guò)程。物體表面有圖案,意味著物體表面的各點(diǎn)呈現(xiàn)不同的色彩和不同的亮度,而這是由物體表面的反射或透射系數(shù)決定的。因此,在物體表面繪上圖案,也就是改變物體表面有關(guān)部分的反射或透射系數(shù)。97表面圖案與紋理42

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中,物體表面的細(xì)節(jié)稱為紋理。一般考慮兩種類型的紋理:一種是在光滑表面上繪制一定的花紋或圖案,當(dāng)花紋繪制后仍然光滑如初,一般這一過(guò)程可用一映射函數(shù)來(lái)描述。另一種是使物體表面出現(xiàn)凹凸不平的感覺(jué)。這一過(guò)程可用一個(gè)擾動(dòng)函數(shù)來(lái)描述。98在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中,物體表面的細(xì)節(jié)稱為

表面紋理的描繪用于表示細(xì)微的凹凸不平的物體表

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