计算机图形学与虚拟现实

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源自文库
图形信息与文字信息相比具有直观、形象、含义丰富等优 点，有着广泛的应用前景。但是图形的生成、表示、处理、 存储和管理却比文字信息复杂得多。
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味觉 、触觉、嗅觉 20%
听觉信息 20%
视觉信息 60%
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计算机图形学（Computer Graphics）是研 究怎样用计算机生成、处理和显示图形的 一门新兴学科. 国际标准化组织（ISO）定义为：计算机 图形学是研究通过计算机将数据转换为图 形，并在专门显示设备上显示的原理、方 法和技术的学科。
（2）图形元素的几何变换，即对图形的平移、 放大和缩小、旋转、镜像等操作。
（3）样条曲线和样条曲面的插值、拟合、拼 接、光顺、整体和局部修改等。
（4）三维几何造型技术，对基本体素的定义、 输入及它们之间的布尔运算方法。
（5）三维形体的实时显示，包括投影变换、坐
2019标/8/2变4 换等。
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（6）真实感图形的生成算法，包括三维图形的 消隐、光照、色彩、阴影、纹理及彩色浓淡图的生 成算法。
有运行效率高、稳定性强、跨平台等特点，可运行在几乎所有平台， 包括Unix、Windows、Linux、OS/2，也可被大多数编程语言调用，如 C、 C++ Builder、 VB、VC、 Delphi等。
OpenGL并不是编程语言，它更像一个C运行时函数库，提供了一
些预包装的功能，是供那些专门设计用来（并进行了优化）显示和操 作3D图形的计算机硬件所使用的。OpenGL具有多种用途，从CAD工 程到建筑应用程序、到电影中都能用来实现计算机生成的建模程序。
三维图形处理库、工业标准，三维设计软件
ACIS
Spatial Technology 公司，三维几何引擎，三维造型和显示
DirectX
微软，图形应用程序接口（API），三维游戏
Java3D
SUN 公司定义的3D显示接口，网上三维显示
VRML
20标19记/8/2语4 言，网上虚拟现实
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OPenGL
研究的是计算机图形学的逆过程。
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计算机视觉和模式识别: 对所输入的图象进行分析和识别，找出
其中蕴涵的内在联系或抽象模型；如邮政 分检设备、地形地貌识别等；
图形学的逆过程，分析和识别输入的 图像,并从中提取二维或三维的数据模型 （特征）。手写体识别、机器视觉
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计算机图形学的研究内容
•图形的输入
如何开发利用图形输入设备及软件将图形输入到计算机中
去，以便作各种处理。
•图形的处理
包括对图形进行变换(几何变换，投影变换)和运算（集合 运算）,着色，形变等……
•图形的输出
如何将图形特定的表示形式转换成图形输出系统便于接 受的表示形式，并将图形在显示屏或打印机等输出设备上 输出。
计算机中表示图形的方法
点阵表示 枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成)
简称为图像（数字图像）
参数表示 由图形的形状参数(方程或分析表达式的系数，线段的端点 坐标等)+属性参数(颜色、线型等)来表示图形
简称为图形
n
C (t) Pi Bi,n (t) i0
0 t 1
计算机图形学是计算机技术、电视显示技 术和图形信息处理技术相结合的一门学科。
它研究有关对象的图形的计算机表示、生 成、处理、视觉真实性实现的基本原理和
基本技术。它是计算机领域中发展最迅速 的学科之一，已广泛用于科学研究、工业 和建筑设计、医学研究、文化教育、地理 地质，益智娱乐、商业广告和军事等领域
Environment)
是用计算机技术来生成一个
逼真的三维视觉、听觉、触觉
或嗅觉等感觉世界，让用户可
以从自己的视点出发，利用自
然的技能和某些设备对这一生
成的虚拟世界客体进行浏览和
交互考察。
2019/8/24输入输出设备
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造型技术
规则形体：欧氏几何方法
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不规则形体： 分形几何方法 粒子系统 纹理映射 实体造型 基于物理的造型 基于图像的造型
科学可视化、计算机动画和虚拟现实是近年来计算
机图形学领域的三大热门话题，而这三大热门话题的技
术核心都是三维真实感图形显示。当前三维图形显示在
军事、航空、航天、地质、游戏、艺术造型等领域都有
着广泛的应用。
OpenGL是目前比较完善的三维图形标准，它是
由SGI公司推出，现在被Microsoft、DEC、HP、SUN等在
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计算机图形学的研究内容
图形：计算机图形学的研究对象 能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象 包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描 述的图形等等
构成图形的要素
几何要素：刻画对象的轮廓、形状等 非几何要素：刻画对象的颜色、材质等
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结 束
几何
光栅
绘制管线的基本结构
应用程序将需要绘制的几何体（如点、线、矩形等）输入 到几何阶段
光栅阶段把几何阶段的对象表示成帧缓存的象素.
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模型与视 点变换
光照
投影
几何阶段的基本结构
裁剪
屏幕 映射
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计算机图形学的相关开发技术
OpenGL （Open Graphics Lib）
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计算机图形学的研究内容
.与相关学科的关系
图像生成（计算机图形学）
图像变换 （图像处理）
数
数
字
据
图
模
像
型
模型（特征）提取 （计算机视觉，模式识别）
模型变换 （计算几何）
.发展特点: 交叉、界线模糊、相互渗透
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DIGITAL IMAGING：
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计算机图形学
用计算机生成、处理和显 示图形的学科；由几何数据和 几何模型，利用计算机进行显 示并存储，并可以进行修改、 完善以及有关操作的过程.
核心函数、实用函数、辅助函数和专用函 数。
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核心函数
在OpenGL中有115个核心函数，这些函数是最基本的，都 以gl开头，它们可以在任何OpenGL平台中使用。用于绘制各种图 形、进行场景变换、产生光照效果、进行纹理映射等工作。
实用函数
核心函数比核心函数高一层次，它们将核心函数进行组织和 封装，提供比较简单的函数接口和用法，共有43个，以glu为前 缀，可在任何OpenGL平台中使用。
辅助函数
是 一 些 特 例 函 数 ， 共 有 3 1 个 ， 以 aux 为 前 缀 ， 不 能 在 任 何
OpenGL平台中使用，一般用于在Windows应用程序中进行窗口管
理和输入输出处理以及绘制一些简单的三维图形。
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专用函数
由 6 个 以 wgl 为 前 缀 的 函 数 和 5 个 Win32API 函 数 组 成 ， 主 要 用 于 在 Windows环境中使用OpenGL开发应用程 序。6个以wgl为前缀的函数用于连接 Windows和OpenGL，初始化窗口，使能 够在窗口中使用OpenGL。5个Win32API 函数用于处理象素存储格式和双缓 存之间的交换。
开放式、高效率的发展趋势
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图形数据库
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IGES，STEP
图形应用程序
②
GKS，GKS-3D，PHIGS
图形软件包
③
CGI
驱动程序 ④
驱动程序
元文件输出程序 CGM
元文件
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图形标准的层次关系
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Virtual Reality（虚拟现实、灵境）
Virtual Reality 或称虚拟环境（Virtual
图像增强、图像复原、图像编码、图像分析、图
像识别、图像理解。
与计算机图形学的概念容易混淆的是图像处
理。计算机图形学的基本含义是使用计算机通过
算法和程序在显示设备上构造出图形来。与此相
反，图像处理是将客观世界中原来存在的物体的
影像处理成新的数字化图像的相关技术，并研究
如何从图像中提取二维或三维物体的模型。它所
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真实感图形绘制技术 光照明模型 绘制算法 快速算法 基于图像的绘制
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图形绘制管线(Pipeline)
图形绘制管线的主要功能是在给定虚拟相机,三维 物体,光源,照明模式,以及纹理等条件,如何生成或绘 制一幅二维图象。它是实时绘制的核心。
应用程序
简练、紧凑、执行速度快，但不可移植 （3）专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差。
(4) MATLAB, Math Works 公司,一种交互式面向对象的程 序设计语言,工程计算领域中重要应用软件.
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通用的、与设备无关的图形包，图形标准 CGS (Core Graphics System, 核心图形系统, 1977年ACM 提出) GKS (Graphics Kernel System,) (第一个官方标准，ISO,1977)
OpenGL被设计成独立于硬件，独立于窗口系统的，在运行各种操 作系统的各种计算机上都可用，并能在网络环境下以客户/服务器模式 工作，是专业图形处理、科学计算等高端应用领域的标准图形库。
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OPenGL函数的分类
OPenGL是一个与图形硬件无关的应用 程序开发接口(API)，它包含了近200个函 数,使用这些函数可以开发出与现实世界相 类似的三维景象。它的函数可分为4类：
三种类型的计算机图形软件系统： (1)用某种语言写成的子程序包
GKS (Graphics Kernel System)
PHIGS(Programmer’sHerarchical Iuteractive Graphics system ) 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低
(2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能 如：Turbo Pascal、Turbo C，AutoLisp, VC等。
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计算几何
研究几何模型和数据处理的学科， 讨论几何形体的计算机表示、分析和 综合，研究如何方便灵活、有效地建 立几何形体的数学模型以及在计算机 中更好地存贮和管理这些模型数据；
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数字图象处理是将图像信号转换为数字格式并
利用计算机进行处理的过程:图像获取、图像变换、
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OpenGL（Open Graphic Library）开放式图形库，是一个3D图形和 模型库。它由Silicon Graphics公司开发，前身是由SGI公司为其图形工 作站开发的IRIS GL。OpenGL是业界最为流行也是支持最广泛的一个 底层3D技术，几乎所有的显卡厂商都在底层实现了对OpenGL的支持 和优化。OpenGL同时也定义了一系列接口用于编程实现三维应用程序，
计算机领域中占主导地位的 大公司所采用，作为三维
图形的标准。
随着PC性能的不断提高，3D图形图像开发已经不
再是图形I作站的专利，尤其是微软在主流操作系统
Wndows中全面支持OpenGL以来，使在PC机上使用OpenGL
开发高性能的图形图像产品成为一件比较简单的事情，
这2大019/大8/24地促进了OpenGL的发展。
（7）山、水、花、草、烟、云等自然景物的 模拟生成算法等。
（8）科学计算可视化和三维数据场的可视化，
将科学计算中大量难以理解的数据通过计算机图形
显示出来，从而加深人们对科学过程的理解。例如
有限元分析的结果等；应力场、磁场的分布等；各
种复杂的运动学和动力学问题的图形仿真等。
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图形软件发展及软件标准形成
计算机图形学的研究内容涉及到用计算机对图形 数据进行处理的硬件和软件两方面的技术，主要是围 绕着生成、表示物体的图形图像的准确性、真实性和 实时性的基础算法，大致可分为以下几类：
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（1）基于图形设备的基本图形元素的生成算 法，如用光栅图形显示器生成直线、圆弧、二次 曲线、封闭边界内的图案填充等。
PHIGS (Programmer’s Herarchical Iuteractive Graphics system,程序员 层次交互式图形系统)
一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准
DirectX (MS) Xlib(X-Window系统)
OpenGL(SGI) Adobe公司Postscript
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DirectX 是一组低级“应用程序编程接口(API)”，可以为 Windows 程序提供高性能的硬件加速多媒体支持。DirectX 能增强计算机的多媒体功能，从而使程序可提供逼真的三 维图形与令人如醉如痴的音乐与声音效果。DirectX 使程序 能够轻松确定计算机的硬件性能，然后设置与之匹配的程 序参数。该程序使得多媒体软件程序能够在基于 Windows 的具有 DirectX 兼容硬件与驱动程序的计算机上运行，同 时可确保多媒体程序能够充分利用高性能硬件。