計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(孫家廣第三版)-第1章

ComputerGraphics(CG)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院陳寅314581243@1Textbook：孫家廣，胡事民，《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程》，人民郵電出版社，2005-7。2References：孫家廣等，《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（3rd）》，清華大學(xué)出版社，1998-1。陳元琰，張曉竟，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)用技術(shù)，科學(xué)出版社，2000DavidF.Rogers著，石教英，彭群生等譯，ProceduralElementsforComputerGraphics(SecondEdition)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的算法基礎(chǔ)，機(jī)械工業(yè)出版社，20023CourseRequirements課程要求：Knowtheframeworkofagraphicalsystem,aswellasthesoftware/hardwaretechnologyofit;Knowthebasicproblemsofcomputergraphics(CG),commandthebasicconcepts,methodsandalgorithmsinCG;HaveainitialunderstandingoftheapplicationsrelatedtoCGandthecurrentresearchhotspotonCG;HavepracticalexperienceinCGandrelatedcodingability4考核形式：平時(shí)*40%+考試*60%考試形式：開(kāi)卷5Chap.1IntroductionWhatisCG？CGisasubjectthatstudieshowtorepresent,generate,processanddisplaygraphics.（表示、生成、處理、顯示）CGisoneofthemostactive,widelyappliedbranchesincomputerscience.6ContentsinChap.1ResearchtopicsinCGHistoryofdevelopmentApplicationFieldsResearchfrontiersandtrends7

1.1 ResearchtopicsinCG

Howtorepresentgraphicsincomputers?Howtousecomputerstoperformgraphicalcomputation,processinganddisplay?Whataretheprinciplesandalgorithms?8

1.1 ResearchtopicsinCG

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(xiàn)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(huà)、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。9graphics圖形與images圖象image指計(jì)算機(jī)內(nèi)以位圖(Bitmap)形式存在的灰度(gray)信息。graphics含有幾何屬性(geometricinformation)，更強(qiáng)調(diào)場(chǎng)景(scene)的幾何表示(geometricrepresentation)，是由場(chǎng)景的幾何模型(geometricmodel)和景物的物理屬性(physicalproperty)共同組成的。Twocategoriesingraphics:基于線(xiàn)條信息表示明暗圖(Shading)101112131.2HistoryofCGdevelopment20thCentury1950sIn1950,thefirstgraphicdisplayintheworldwasmade,astheaccessoryofMIT’sWhirlwindIcomputer.In1958,

CalcompCorp.(US)developeddrumplotters(滾筒式繪圖儀),GerBerCorp.developedflatbedplotters(平板式繪圖儀).Attheendof1950s,theLincolnLab.ofMITdevelopedSAGEairdefensesystemonWhilwindcomputer.1420thCentury1960sIn1962,MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的I.E.Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個(gè)人機(jī)交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文1962年，雷諾汽車(chē)公司的工程師PierreBézier提出Bézier曲線(xiàn)、曲面的理論1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了超限插值的新思想，通過(guò)插值四條任意的邊界曲線(xiàn)來(lái)構(gòu)造曲面。1520thCentury1970s光柵圖形學(xué)rastergraphics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(wú)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、PHIGS16CGI：ComputerGraphicsInterfaceCGM：ComputerGraphicsMetafileGKS：GraphicsKernelSystemPHIGS：Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicsStandard17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(chēng)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)1820世紀(jì)80年代1980年Whitted提出了一個(gè)光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線(xiàn)跟蹤算法的范例，實(shí)現(xiàn)Whitted模型1984年，美國(guó)Cornell大學(xué)和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中圖形硬件和各個(gè)分支均在這個(gè)時(shí)期飛速發(fā)展19ACMSIGGRAPH會(huì)議小知識(shí)全稱(chēng)“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”20世紀(jì)60年代中期，由Brown大學(xué)的教授AndriesvanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa發(fā)起1974年，在Colorado大學(xué)召開(kāi)了第一屆SIGGRAPH年會(huì)，并取得了巨大的成功每年只錄取大約50篇論文201.3ApplicationandResearchFrontier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)用領(lǐng)域Airplanes,

automobiles,ships

shapedesignPowerplants,chemicalplants

layoutCivilengineering,architectureElectroniccircuitsandcomponentsdesign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(guò)程21網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行異地異構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)已不再是一個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)孤立的技術(shù)問(wèn)題，而是綜合了產(chǎn)品各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域、相關(guān)過(guò)程、相關(guān)技術(shù)資源和相關(guān)組織形式的系統(tǒng)化工程從設(shè)計(jì)一開(kāi)始就考慮產(chǎn)品生命周期的全部因素，從而達(dá)到快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的目的協(xié)同設(shè)計(jì)的出現(xiàn)使企業(yè)生產(chǎn)的時(shí)空觀發(fā)生了根本的變化；異地設(shè)計(jì)、異地制造、異地裝配為企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中贏得了寶貴的時(shí)間223Dreconstructionbasedonengineeringdrawings基于工程圖紙的三維形體重建Definition：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(lèi)、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(xiàn)、面及其拓?fù)潢P(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)形體的重建Advantages：可以做裝配件的干涉檢查、以及有限元分析、仿真、加工等后續(xù)操作，代表CAD技術(shù)的發(fā)展方向23工程圖及其三維重建結(jié)果124工程圖及其三維重建結(jié)果225可視化(Visualization)海量的數(shù)據(jù)使得人們對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來(lái)越難，用圖形來(lái)表示數(shù)據(jù)的迫切性與日俱增1986年，美國(guó)科學(xué)基金會(huì)（NSF）專(zhuān)門(mén)召開(kāi)了一次研討會(huì)，會(huì)上提出了“科學(xué)計(jì)算可視化（VisualizationinScientificComputing）”科學(xué)計(jì)算可視化廣泛應(yīng)用于：MedicalScienceFluidDynamicsFiniteElementAnalysisMeteorologyAnalysis26在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途是機(jī)械手術(shù)和遠(yuǎn)程手術(shù)的基礎(chǔ)將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖象，幫助醫(yī)生判別病人體內(nèi)的患處由CT數(shù)據(jù)產(chǎn)生在人體內(nèi)漫游的圖象可視化的前沿與難點(diǎn)VisualizationHardwaresReal-time3DSolidRenderingBodyTissueRecognitionandSegmentation2728Renalcyst腎囊腫29Renalcyst腎囊腫30Renalcyst腎囊腫Malignanttumor惡性腫瘤31Malignanttumor惡性腫瘤32真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制與自然景物仿真計(jì)算機(jī)中重現(xiàn)真實(shí)世界的場(chǎng)景叫做真實(shí)感繪制真實(shí)感繪制的主要任務(wù)是模擬真實(shí)物體的物理屬性，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是物體的形狀，光學(xué)性質(zhì)，表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對(duì)位置，遮擋關(guān)系等等3334光照模型illuminationmodelsSimpleilluminationmodelLocalilluminationmodelGlobalilluminationmodel繪制方法RenderingMethods光線(xiàn)跟蹤輻射度加速算法包圍體樹(shù)、自適應(yīng)八叉樹(shù)等等35Currentresearchhotspot真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制物體網(wǎng)格模型的面片簡(jiǎn)化：對(duì)網(wǎng)格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內(nèi)，刪除點(diǎn)、邊、面，從而簡(jiǎn)化所繪制場(chǎng)景的復(fù)雜程度，加快圖形繪制速度基于圖象的繪制(IBR，ImageBasedRendering)：完全摒棄傳統(tǒng)的先建模，然后確定光源的繪制的方法。它直接從一系列已知的圖象中生成未知視角的圖象，適用于野外極其復(fù)雜場(chǎng)景的生成和漫游36野外自然景物的模擬野外場(chǎng)景遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜于室內(nèi)場(chǎng)景，繪制難度更大，方法更趨多樣化主要繪制山、水、云、樹(shù)、草、火等等繪制火的粒子系統(tǒng)（ParticleSystem），基于生理模型的繪制植物的方法，繪制云的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)方法等37由清華大學(xué)自然景物平臺(tái)生成的野外場(chǎng)景38日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實(shí)感云39Xfrog3.0生成的挪威云杉40計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)ComputerAnimation計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)近十多年來(lái)取得了很大的發(fā)展，已滲透到人們生活的各個(gè)角落CommercialAd,SpecialMovieEffects,CartoonsEducation,Military,FlightSimulation分類(lèi)二維動(dòng)畫(huà) 圖象變形形狀混合41三維動(dòng)畫(huà)關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)變形物體的動(dòng)畫(huà)過(guò)程動(dòng)畫(huà)關(guān)節(jié)動(dòng)畫(huà)與人體動(dòng)畫(huà)42基于特征的圖象變形（貓變虎）43由三維自由形狀變形（FFD）操作得到的魚(yú)的變形圖44用戶(hù)接口UserInterface用戶(hù)接口是人們使用計(jì)算機(jī)的第一觀感。一個(gè)友好的圖形化的用戶(hù)界面能夠大大提高軟件的易用性圖形學(xué)已經(jīng)全面融入計(jì)算機(jī)的方方面面，很多軟件幾乎可以不看任何說(shuō)明書(shū)，而根據(jù)它的圖形、或動(dòng)畫(huà)界面的指示進(jìn)行操作45目前幾個(gè)大的軟件公司都在研究下一代用戶(hù)界面，開(kāi)發(fā)面向主流應(yīng)用的、自然、高效多通道的用戶(hù)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(hù)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。46計(jì)算機(jī)藝術(shù)ComputerArt用計(jì)算機(jī)軟件從事藝術(shù)創(chuàng)作二維平面的畫(huà)筆程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）圖表繪制軟件（如Visio）三維建模和渲染軟件包（如3DMAX，Maya）、以及一些專(zhuān)門(mén)生成動(dòng)畫(huà)的軟件（如Alias，Softimage）47Advantages：提供多種風(fēng)格的畫(huà)筆畫(huà)刷提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對(duì)圖象進(jìn)行霧化，變形等操作可以任意修改，取消敗筆Disadvantages：無(wú)法達(dá)到傳統(tǒng)繪畫(huà)中風(fēng)格化的藝術(shù)效果很難得到有素描效果、油畫(huà)效果的藝術(shù)品48非真實(shí)感繪制（NPR，Non-PhotorealisticRendering）非真實(shí)感繪制指的是利用計(jì)算機(jī)生成不具有照片般真實(shí)感,而具有手繪風(fēng)格的圖形的技術(shù)。其目標(biāo)不在于圖形的真實(shí)性,而主要在于表現(xiàn)圖形的藝術(shù)特質(zhì)、模擬藝術(shù)作品(甚至包括作品中的缺陷)或作為真實(shí)感圖形的有效補(bǔ)充。49用于模擬藝術(shù)效果，研究方法有別于真實(shí)感圖形學(xué)鋼筆素描的生成鋼筆素描產(chǎn)生于中世紀(jì)，從19世紀(jì)開(kāi)始成為一門(mén)藝術(shù)，20世紀(jì)90年代開(kāi)始研究用計(jì)算機(jī)模擬中國(guó)國(guó)畫(huà)與書(shū)法的生成50GeorgesWinkenb1ach繪制的壺和碗(Siggraph’96)51Salisbury繪制的茶壺(Siggraph’97)52Salisbury繪制的熊(Siggraph’97)53OliverDeussen繪制的素描樹(shù)(Siggraph’2000)541.4 圖形設(shè)備Graphicdisplayingdevices圖形輸出包括圖形的顯示和圖形的繪制，圖形顯示指的是在屏幕上輸出圖形圖形繪制通常指把圖形畫(huà)在紙上，也稱(chēng)硬拷貝，打印機(jī)和繪圖儀是兩種最常用的硬拷貝設(shè)備55彩色CRT顯示器CRT（CRTCathode－RayTube，陰極射線(xiàn)管）組成電子槍聚焦系統(tǒng)加速系統(tǒng)磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)56StructureofCRT57工作原理高速的電子束由電子槍發(fā)出，經(jīng)過(guò)聚焦系統(tǒng)、加速系統(tǒng)和磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)就會(huì)到達(dá)熒光屏的特定位置。由于熒光物質(zhì)在高速電子的轟擊下會(huì)發(fā)生電子躍遷，即電子吸收到能量從低能態(tài)變?yōu)楦吣軕B(tài)。由于高能態(tài)很不穩(wěn)定，在很短的時(shí)間內(nèi)熒光物質(zhì)的電子會(huì)從高能態(tài)重新回到低能態(tài)，這時(shí)將發(fā)出熒光，屏幕上的那一點(diǎn)就會(huì)亮了要保持顯示一幅穩(wěn)定的畫(huà)面，必須不斷地發(fā)射電子束58電平控制器是用來(lái)控制電子束的強(qiáng)弱的，當(dāng)加上正電壓時(shí)，電子束就會(huì)大量通過(guò)，將會(huì)在屏幕上形成較亮的點(diǎn)，當(dāng)控制電平加上負(fù)電壓時(shí)，依據(jù)所加電壓的大小，電子束被部分或全部阻截，通過(guò)的電子很少，屏幕上的點(diǎn)也就比較暗聚焦系統(tǒng)是一個(gè)電透鏡，能使眾多的電子聚集于一點(diǎn)加速陽(yáng)極使電子達(dá)到轟擊激發(fā)熒光屏應(yīng)有的速度。最后由磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)來(lái)達(dá)到指定位置59電子束要到達(dá)屏幕的邊緣時(shí)，偏轉(zhuǎn)角度就會(huì)增大。到達(dá)屏幕最邊緣的偏轉(zhuǎn)角度被稱(chēng)為最大偏轉(zhuǎn)角CRT顯示器屏幕越大整個(gè)顯象管就越長(zhǎng)刷新頻率RefreshRate刷新一次是指電子束從上到下掃描一次的過(guò)程刷新頻率高到一定值后，圖象才能穩(wěn)定顯示隔行掃描與逐行掃描60電子束掃描過(guò)程示意圖61彩色CRT顯示器顯示彩色的原理彩色CRT顯示器的熒光屏上涂有三種熒光物質(zhì)，它們分別能發(fā)紅、綠、蘭三種顏色的光。而電子槍也發(fā)出三束電子束來(lái)激發(fā)這三種物質(zhì)，中間通過(guò)一個(gè)控制柵格來(lái)決定三束電子到達(dá)的位置三束電子經(jīng)過(guò)蔭罩的選擇，分別到達(dá)三個(gè)熒光點(diǎn)的位置。通過(guò)控制三個(gè)電子束的強(qiáng)弱就能控制屏幕上點(diǎn)的顏色62蔭罩式彩色CRT顯色原理63LCD顯示器CRT固有的物理結(jié)構(gòu)限制了它向更廣的顯示領(lǐng)域發(fā)展屏幕的加大必然導(dǎo)致顯象管的加長(zhǎng)，顯示器的體積必然要加大，在使用時(shí)候就會(huì)受到空間的限制CRT顯示器是利用電子槍發(fā)射電子束來(lái)產(chǎn)生圖像，容易受電磁波干擾長(zhǎng)期電磁輻射會(huì)對(duì)人們健康產(chǎn)生不良影響64LCD顯示器的優(yōu)點(diǎn)外觀小巧精致，厚度只有6.5~8cm左右。不會(huì)產(chǎn)生CRT那樣的因?yàn)樗⑿骂l率低而出現(xiàn)的閃爍現(xiàn)象工作電壓低，功耗小，節(jié)約能源沒(méi)有電磁輻射，對(duì)人體健康沒(méi)有任何影響65索尼公司的兩款LCD外形66LCD顯示器基本原理液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質(zhì)，既可以像固體中的分子保持方向，又可以像液體中的分子自由移動(dòng)。它具有液體的流態(tài)性質(zhì)和固體的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)液晶受到電壓的影響時(shí)，就會(huì)改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變，此時(shí)通過(guò)它的光的折射角度就會(huì)發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩液晶屏幕后面有一個(gè)背光，這個(gè)光源先穿過(guò)第一層偏光板，再來(lái)到液晶體上，而當(dāng)光線(xiàn)透過(guò)液晶體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光線(xiàn)的色澤改變，從液晶體射出來(lái)的光線(xiàn)，還得必須經(jīng)過(guò)一塊彩色濾光片以及第二塊偏光板6768顯示原理通過(guò)阻塞或傳遞來(lái)自周?chē)騼?nèi)部光源的偏振光形成圖案69水平極板水平網(wǎng)格垂直網(wǎng)格垂直極板觀察方向背光源液晶體（未加電）70水平極板水平網(wǎng)格垂直網(wǎng)格垂直極板觀察方向背光源液晶體（加電）液晶顯示有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種被動(dòng)式液晶屏幕有STN（SuperTN超扭曲向列LCD）和DSTN（DoublelayerSuperTN雙層超扭曲向列LCD）等最流行的主動(dòng)式液晶屏幕是TFT（ThinFilmTransistor薄膜晶體管）主動(dòng)式液晶顯示器使用了FET場(chǎng)效晶體管以及共通電極，這樣可以讓液晶體在下一次的電壓改變前一直保持電位狀態(tài)。這樣主動(dòng)式液晶顯示器就不會(huì)產(chǎn)生在被動(dòng)式液晶顯示器中常見(jiàn)的鬼影、或是畫(huà)面延遲的殘像等71LCD顯示器的基本指標(biāo)可視角度視線(xiàn)與屏幕中心法向成一定角度時(shí)，人們就不能清晰地看到屏幕圖象，而那個(gè)能看到清晰圖象的最大角度被我們稱(chēng)為可視角度。一般所說(shuō)的可視角度是指左右兩邊的最大角度相加。工業(yè)上有CR10（ContrastRatio）、CR5兩種標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷液晶顯示器的可視角度點(diǎn)距與分辨率液晶屏幕的點(diǎn)距就是兩個(gè)液晶顆粒（光點(diǎn)）之間的距離，一般0.28~0.32mm就能得到較好的顯示效果通常所說(shuō)的液晶顯示器的分辨率是指其真實(shí)分辨率，表示水平方向的像素點(diǎn)數(shù)與垂直方向的像素點(diǎn)數(shù)的乘積長(zhǎng)寬比72圖形處理器graphicsprocessingunitGPU是圖形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要元件，是連接計(jì)算機(jī)和顯示終端的紐帶早期的圖形處理器只包含簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)器和幀緩沖區(qū)，它們實(shí)際上只起了一個(gè)圖形的存儲(chǔ)和傳遞作用，一切操作都必須有CPU來(lái)控制現(xiàn)在的圖形處理器不單單存儲(chǔ)圖形，而且能完成大部分圖形函數(shù)，專(zhuān)業(yè)的圖形卡已經(jīng)具有很強(qiáng)的3D處理能力，大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān),提高了顯示質(zhì)量和顯示速度73圖形處理器的組成顯示主芯片顯卡的核心，俗稱(chēng)GPU，它的主要任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)輸入的視頻信息進(jìn)行構(gòu)建和渲染顯示緩存用來(lái)存儲(chǔ)將要顯示的圖形信息以及保存圖形運(yùn)算的中間數(shù)據(jù)顯存的大小和速度直接影響著主芯片性能的發(fā)揮數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（RAMDAC）它的作用就是把二進(jìn)制的數(shù)字轉(zhuǎn)換成為和顯示器相適應(yīng)的模擬信號(hào)74顯卡工作原理簡(jiǎn)單示意圖75Graphicalinputdevices最常用的圖形輸入設(shè)備就是基本的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備——鍵盤(pán)和鼠標(biāo)跟蹤球和空間球都是根據(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(xiàn)來(lái)獲得和發(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76跟蹤球77數(shù)據(jù)手套78光筆是