计算机图形学课件

3D虚拟影像摄影系统 协同工作摄影机 面部表演捕捉还原系统
计算机图形学与传统理论 ： 交叉、界线模糊、相互渗透 CAGD（计算几何） 逼近论（计算数学）
微分几何
形态学
混沌学
小波理论
计算机图形学的研究对象——图形
通常意义下的图形：
能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形。
计算机图形学中所研究的图形
从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状信息的图和形。
图形的表示
点阵法是用具有颜色信息的点阵来表示图形的一种方
法，它强调图形由哪些点组成，并具有什么灰度或
色彩。
参数法是以计算机中所记录图形的形状参数与属性参
数来表示图形的一种方法。 通常把参数法描述的图形叫做图形（Graphics） 把点阵法描述的图形叫做图像（Image）
• 电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度就会增大。 到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角
• CRT显示器屏幕越大整个显象管就越长

刷新频率
• 刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程 • 刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示 • 隔行扫描与逐行扫描
扫描线
0 1 2 3 4 5 6
水平回扫
垂直回扫
• 电平控制器是用来控制电子束的强弱的，当加上 正电压时，电子束就会大量通过，将会在屏幕上 形成较亮的点，当控制电平加上负电压时，依据 所加电压的大小，电子束被部分或全部阻截，通 过的电子很少，屏幕上的点也就比较暗 • 聚焦系统是一个电透镜，能使众多的电子聚集于 一点 • 加速阳极使电子达到轰击激发荧光屏应有的速度。 最后由磁偏转系统来达到指定位置

计算机动画
• 二维动画
– 图象变形 – 形状混合
• 三维动画
– – – – – 关键帧动画 变形物体的动画 过程动画 关节动画与人体动画 基于视频(Video)的动画
虚拟现实
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图形设备
图形显示设备

图形输出包括图形的显示和图形的绘制，图 形显示指的是在屏幕上输出图形

图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷 贝，打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝 设备
end
与计算机图形学相关的学科 计算机图形学试图从非图象形式的数据描述来生成 （逼真的）图象。 数字图象处理旨在对图象进行各种加工以改善图象 的视觉效果。 计算机视觉是研究用计算机来模拟生物外显或宏观
视觉功能的科学和技术。
end
特征数据、结构数据
计算机图 形学
计算机 视觉
图象信号
数字图象处理 图1-1 图形图象处理相关学科间的关系
第二章 光栅图形学
光栅图形学的研究内容: 直线段的扫描转换算法 圆弧的扫描转换算法 多边形的扫描转换与区域填充 字符 裁剪 反走样 消隐
图形的生成：是在指定的输出设备上，根据坐标描述
构造二维几何图形。
图形的扫描转换：在光栅显示器等数字设备上确定一
个最佳逼近于图形的象素集的过程。
图2-1 用一系列的象素点来逼近直线
基本思想
y kx b 已知过端点P0 ( x0 , y0 ), P 的直线段L： 1 ( x1 , y1 ) 直线斜率为 y1 y0
k x1 x0
从 x 的左端点 x0 开始，向 x 右端点步进。步长 =1(个象素)，计算相应的y坐标 y kx b ；取象素 点(x, round(y))作为当前点的坐标。
1.3 计算机图形学的应用
CAD/CAM
可视化与可视计算

海量的数据的图形表示 1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上 提出了“科学计算可视化（Visualization in Scientific omputing）” 科学计算可视化广泛应用于医学、 流体力学、有限元分析、气象分 析当中 在医学领域：机械手术和远程手 术，医用CT扫描数据的三维重建， 基于CT数据的人体内漫游
彩色CRT显示器


CRT（CRT Cathode－Ray Tube，阴极射线 管） 组成
• • • • 电子枪 聚焦系统 加速系统 磁偏转系统
CRT显示器的简易结构图

工作原理
• 高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、加 速系统和磁偏转系统就会到达荧光屏的特定位置。 由于荧光物质在高速电子的轰击下会发生电子跃 迁，即电子吸收到能量从低能态变为高能态。由 于高能态很不稳定，在很短的时间内荧光物质的 电子会从高能态重新回到低能态，这时将发出荧 光，屏幕上的那一点就会亮了 • 要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电 子束
"的博士论文，其中首次使用了“Computer Graphics”
• 提出图形学的概念，成就“图形学之父”的英名 • 获“图灵”奖
IEEE 计算机杰出成就奖
Coons奖
发展期（70年代） 普及期（80年代） 出现了带有光栅图形显示器的个人计算机和工作站 提高增强期（90年代）
总体特征：技术发展、需求驱动
例：画直线段
x 0 1 2 3 4 5 int(y+0.5) 0 0 1 1 2 2
P0 (0,0) P 1 (5,2)
y+0.5 0 0.4+0.5 0.8+0.5 1.2+0.5 1.6+0.5 2.0+0.5
Line: P0(0, 0)-- P1(5, 2) 3 2 1 0 1 2 3 4 5
电子束扫描过程示意图

彩色CRT显示器显示彩色的原理
• 彩色CRT显示器的荧光屏上涂有三种荧光物质， 它们分别能发红、绿、兰三种颜色的光。而电子 枪也发出三束电子束来激发这三种物质，中间通 过一个控制栅格来决定三束电子到达的位置
• 三束电子经过荫罩的选择，分别到达三个荧光点 的位置。通过控制三个电子束的强弱就能控制屏 幕上点的颜色
注：网格点表示象素
void DDALine(int x0,int y0,int x1,int y1,int color) int x； float dx, dy, y, k; dx, = x1-x0, dy=y1-y0; k=dy/dx, y=y0; for (x=x0; xx1, x++) drawpixel (x, int(y+0.5), color); y=y+k;


作为最底层的光栅图形算法，在通常的 CAD/图形系统中，会被大量应用，因此， 哪怕节约一个加法或减法，也是很了不起的 改进。 由此出发点，导致增量算法的思想。
计算
yi 1 kxi 1 b kxi b kx yi kx
当 x 1 时; yi 1 yi k 即：当x每递增1，y递增k(即直线斜率)；
• 液晶显示有主动式和被动式两种
– 被动式液晶屏幕有STN（Super TN超扭曲向列LCD） 和DSTN（Double layer Super TN双层超扭曲向列LCD） 等 – 最流行的主动式液晶屏幕是TFT（Thin Film Transistor 薄膜晶体管） – 主动式液晶显示器使用了FET场效晶体管以及共通电 极，这样可以让液晶体在下一次的电压改变前一直保 持电位状态。这样主动式液晶显示器就不会产生在被 动式液晶显示器中常见的鬼影、或是画面延迟的残像 等
荫罩式彩色CRT显色原理
兰 电子枪 绿 荫罩end
LCD显示器

CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发 展
• 屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示器的体 积必然要加大，在使用时候就会受到空间的限制
• CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像， 容易受电磁波干扰 • 长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响

LCD显示器的基本指标
• 可视角度 – 视线与屏幕中心法向成一定角度时，人们就 不能清晰地看到屏幕图象，而那个能看到清 晰图象的最大角度被我们称为可视角度。一 般所说的可视角度是指左右两边的最大角度 相加。工业上有CR10（Contrast Ratio）、 CR5两种标准来判断液晶显示器的可视角度
用于减少或消除走样的技术称为反走样
删除图形中隐藏的部分称为消隐
2.1 直线的扫描转换
直线的绘制要求：
1.直线要直 2.直线的端点要准确，即无定向性和断裂情况 3.直线的亮度、色泽要均匀 4.画线的速度要快 5.要求直线具有不同的色泽、亮度、线型等
2.1.1 数值微分(DDA)法
1.2 计算机图形学的发展
1.2.1计算机图形学的确立
酝酿期（50年代）
1950年，美国MIT的旋风1号(Whirlwind I)计算机配
备了阴极射线管(CRT) 来显示一些简单的图形，
不具备人-机交互功能
萌芽期（60年代）
1962 年，美国 MIT 林肯实验室的 Ivan.E.Sutherland 发表 了一篇题为"Sketchpad：一个人－机通信的图形系统

扫描转换、裁减、反走样、消影 曲线曲面造型、实体造型 Phong模型、光线跟踪、辐射度算法
几何造型

真实感图形学

指导实验
主要参考书目
孙家广，计算机图形学（第三版），清华大学出版社，1999。 唐泽圣，计算机图形学基础，清华大学出版社，1995 Donald Hearn, M. Pauline Baker ,“Computer Graphics (C Version)”, Prentice Hall , 1997. James D. Foley, Andries van Dam etc., “Introduction to Computer Graphics”, Addison-Wesley, 1996 唐荣锡，计算机图形学教程（修订版），科学出版社，2000 计算机辅助设计与图形学学报 中国图形图像学报