計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)目標(biāo)系統(tǒng)介紹在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中用到的各種算法體驗(yàn)典型圖形API（OpenGL）的使用教材汪厚祥等編，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，高等教育出版社，2005E.Angel,交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)——基于OpenGL的自頂向下方法（第3版），清華大學(xué)出版社，2006赫恩(DonaldHearn),計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(第3版),電子工業(yè)出版社軟件參考資料NeHeOpenGL教程（JeffMolofee)紅寶書OpenGLProgrammingGuide網(wǎng)上資料VC：OpenGL:OpenGL+GLUT:

第1章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述第1章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述研究?jī)?nèi)容發(fā)展概況應(yīng)用領(lǐng)域成像過程研究?jī)?nèi)容－－圖形(Graphics)研究計(jì)算機(jī)生成的圖形圖形與圖像圖像純指計(jì)算機(jī)內(nèi)以位圖/光柵/點(diǎn)陣形式存在的灰度信息。圖形含有幾何屬性，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。圖形主要分為兩類基于線條信息表示明暗圖(Shading)圖形與數(shù)字圖像的關(guān)系及其比較基本元素?cái)?shù)字圖像：像素圖形：圖元，即圖形指令編輯數(shù)字圖像：縮放后失真；只能對(duì)像素處理圖形：縮放后不失真；對(duì)圖元單獨(dú)處理

研究?jī)?nèi)容－－圖形(續(xù))研究?jī)?nèi)容計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究怎樣用計(jì)算機(jī)生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科。由幾何數(shù)據(jù)和幾何模型，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示并存儲(chǔ)，并可以進(jìn)行修改、完善以及有關(guān)操作的過程；

例如何生成右圖？需要利用哪些硬件與軟件？簡(jiǎn)要答案軟件：Maya建模并渲染(rendering)Maya是基于OpenGL的硬件：用圖形顯示卡的PC機(jī)進(jìn)行建模和渲染圖形系統(tǒng)的基本構(gòu)成

輸入設(shè)備輸出設(shè)備圖像在幀緩沖區(qū)形成幾何實(shí)體像素陣列光柵化掃描轉(zhuǎn)換圖形生成過程：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與相關(guān)學(xué)科間的區(qū)別和聯(lián)系科學(xué)和符號(hào)計(jì)算符號(hào)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)視覺計(jì)算機(jī)圖形學(xué)數(shù)據(jù)庫交互設(shè)備圖像信號(hào)圖像處理攝象機(jī)傳感器圖像記錄器顯示器研究?jī)?nèi)容一般說來，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：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)屏幕上顯示出來人機(jī)交互技術(shù)：為造型和繪制這兩個(gè)過程提供友好的人機(jī)界面第1章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述研究?jī)?nèi)容發(fā)展概況應(yīng)用領(lǐng)域成像過程發(fā)展概況(1950’s)生成一些簡(jiǎn)單圖示條形圖等顯示設(shè)備功能簡(jiǎn)單，價(jià)格昂貴，速度很慢發(fā)展概況(1960’s)線框圖形只繪制線段Sketchpad項(xiàng)目顯示處理器存貯設(shè)備改進(jìn)模型的線框表示Sketchpad項(xiàng)目IvanSutherland在MIT的博士論文意識(shí)到人機(jī)交互的潛力，標(biāo)志著“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”學(xué)科的誕生Sutherland也是許多圖形學(xué)基本算法的創(chuàng)始人顯示處理器(DPU)不是直接由主機(jī)負(fù)責(zé)刷新顯示，而是利用專用計(jì)算機(jī)進(jìn)行這項(xiàng)工作，該計(jì)算機(jī)稱為DPU圖形以顯示列表(DL)或文件形式存貯在DPU主機(jī)編譯生成顯示列表并發(fā)送到DPU發(fā)展概況(1970’s)光柵圖形學(xué)迅速發(fā)展區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應(yīng)算法紛紛誕生圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化1974年，ACMSIGGRAPH的與“與機(jī)器無關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會(huì)議ACM成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，制定“核心圖形系統(tǒng)”（CoreGraphicsSystem）ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS真實(shí)感圖形學(xué)1970年，Bouknight提出了第一個(gè)光反射模型1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理1975年，Phong提出了著名的簡(jiǎn)單光照模型-Phong模型實(shí)體造型技術(shù)英國(guó)劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng)美國(guó)羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)發(fā)展概況(1970’s)（續(xù)）發(fā)展概況(1980’s)專門硬件的出現(xiàn)SiliconGraphics公司的geometryengine圖形流程的VLSI實(shí)現(xiàn)工業(yè)圖形標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)PHIGSRenderMan網(wǎng)絡(luò)圖形系統(tǒng)：XWindows系統(tǒng)發(fā)展概況(1990’s)完全由計(jì)算機(jī)生成的電影正片–玩具總動(dòng)員(ToyStory)新型硬件的能力紋理映射融合累加模版緩沖區(qū)發(fā)展概況(2000’s)照片真實(shí)感圖形電影工業(yè)中的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)程序：Maya,LightwavePC上的圖形卡Nvidia,ATI,3DLabs游戲第1章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述研究?jī)?nèi)容發(fā)展概況應(yīng)用領(lǐng)域成像過程應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)顯示模擬流程控制藝術(shù)、娛樂、出版業(yè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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)用領(lǐng)域飛機(jī)、汽車、船舶的外形的設(shè)計(jì)發(fā)電廠、化工廠等的布局土木工程、建筑物的設(shè)計(jì)電子線路、電子器件的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進(jìn)行加工處理，如波音777飛機(jī)的設(shè)計(jì)和加工過程（a）工程圖（b）線框圖（c）實(shí)體圖建筑設(shè)計(jì)無紙?jiān)O(shè)計(jì)，無紙制造Boeing777,無紙?jiān)O(shè)計(jì)，無紙制造在飛機(jī)工業(yè)中，美國(guó)波音飛機(jī)公司已用有關(guān)的CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)波音777大型客機(jī)的整體設(shè)計(jì)和模擬，其中包括飛機(jī)外型、內(nèi)部零部件的安裝和檢驗(yàn)。使其設(shè)計(jì)制造成本下降30%以上藝術(shù)Geri’sGame(奧斯卡最佳動(dòng)畫短片1998)娛樂游戲科學(xué)可視化科學(xué)計(jì)算可視化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、有限元分析、氣象分析當(dāng)中科學(xué)可視化Costa-Hoffmann-Meeks極小曲面醫(yī)學(xué)三維圖像重建第1章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述研究?jī)?nèi)容發(fā)展概況應(yīng)用領(lǐng)域成像過程計(jì)算機(jī)圖像在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，圖像的構(gòu)造也是二維格式的，構(gòu)造過程完全類似于物理圖像的構(gòu)造過程來源可以是不存在的圖像構(gòu)造的要素物體/對(duì)象觀察者光源材料的屬性確定光照射在物體上的效果成像的物理方法光線跟蹤：從射影中心出發(fā)，跟蹤光線，直至它被物體吸收或者進(jìn)入無窮空間為止?？梢缘玫饺中Ч嘀胤瓷渫该魑矬w速度慢輻射度方法：基于能量的方法速度非常慢實(shí)時(shí)成像的實(shí)際方法按照應(yīng)用程序定義對(duì)象的先后順序，依次處理每個(gè)對(duì)象只能考慮局部光照流水線體系所有步驟都可以通過顯示卡的硬件實(shí)現(xiàn)照相機(jī)的指定鏡頭中心的位置，即投影中心（COP）方向鏡頭焦距膠卷尺寸膠卷平面的方向光源與材料光源類型點(diǎn)光源與分布式光源聚光燈spotlights光源的遠(yuǎn)與近光源的顏色屬性材料屬性吸收性：顏色屬性反射性：漫反射鏡面對(duì)象絕大多數(shù)API支持一些基本幾何對(duì)象，例如：點(diǎn)points（零維對(duì)象）線段linesegments（一維對(duì)象）多邊形polygons（二維對(duì)象）某些曲線和曲面二次曲面quadrics多項(xiàng)式參數(shù)曲面所有基本形狀都是通過空間中的位置或頂點(diǎn)(vertices)定義的。示例glBegin(GL_POLYGON) glVertex3f(0.0,0.0,0.0); glVertex3f(0.0,1.0,0.0); glVertex3f(0.0,0.0,1.0);glEnd();頂點(diǎn)位置對(duì)象定義結(jié)束對(duì)象類型變換流水線中大部分變換工作是把對(duì)象在一個(gè)坐標(biāo)系中表示轉(zhuǎn)化為另一坐標(biāo)系中的表示：世界坐標(biāo)系照相機(jī)坐標(biāo)系屏幕坐標(biāo)系坐標(biāo)的每個(gè)變換相當(dāng)于一次矩陣乘法裁剪真正的照相機(jī)不能“看到”整個(gè)世界，圖形學(xué)中虛擬的照相機(jī)也只能看到世界的一部分投影把三維觀察者位置與三維對(duì)