高级计算机图形学 - ustcstaff.ustc.edu.cn/~lfdong/teach/acg_chp1.pdf ·...
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1
高级计算机图形学高级计算机图形学
讲
授：董兰芳副教授
研究方向：科学计算可视化图形、图像处理
模式识别
Telephone:0551-3603484Email:[email protected]:http://staff.ustc.edu.cn/~lfdong中国科学技术大学
视觉计算与可视化实验室
2
目 标
计算机图形学的理论和算法
软件
硬件
应用
OpenGL学习
建立真实感计算机图形
高级计算机图形学高级计算机图形学
3
预修知识
C/C++ 数据结构
几何
微积分
线性代数
高级计算机图形学高级计算机图形学
4
课程要求
了解计算机图形系统的框架及其涉及的软件、
硬件技术。
熟悉图形处理流水线结构及各步骤的基本问题、
理论和算法。
OpenGL交互式三维图形编程。
计算机图形学最新进展。
高级计算机图形学高级计算机图形学
5
教材或参考书教材或参考书
主要参考资料
交互式计算机图形学——基于OpenGL的自 顶向下方法，电子工业出版社, 第五版
计算机图形学（第三版）
电子工业出版社 Donald Hearn M.Pauline
Baker 著
蔡士杰
吴春镕
孙正兴
等译蔡士杰审校
计算机图形学(用OpenGL实现)F.S.Hill,JR.著 www.opengl.org
6
第一章第一章 图形系统和模型图形系统和模型第一章第一章 图形系统和模型图形系统和模型
计算机图形学：用计算机生成图片或图像的理论
和技术。
1950-1960：计算机图形学诞生，CRT显示器
1960-1970：Sketchpad，DPU，线框模型
1970-1980：光栅图形，图形标准，PC…… 1980-1990：真实感计算机图形学
1990-2000：OpenGL，硬件技术快速发展，
图形应用的大量涌现
发展历程
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第一章第一章 图形系统和模型图形系统和模型
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第一章第一章 图形系统和模型图形系统和模型
1.1 计算机图形学的应用
1.2 图形系统
1.3 图像：物理的和合成的
1.4 成像系统
1.5
虚拟照相机模型
1.6
程序员接口
1.7
图形绘制系统的体系结构
1.8
可编程流水线
9
1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用
1.1.1 用户界面
1.1.2 设计
1.1.3 显示
1.1.4 仿真和动画
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1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用
用户界面
用户界面：
人与计算机之间、人与机器的通信。
发展过程：
指示灯和机械开关组成的操纵界面
终端和键盘组成的字符界面（80年代）
由多种输入设备和光栅图形显示设备构
成的用户界面
PC，工作站，WIMP界面
所见即所得
VR技术（发展方向）
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1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用
1.1.1 用户界面
1.1.2 设计
1.1.3 显示
1.1.4 仿真和动画
12
1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用
设计
是图形学的主要应用领域之一。
建筑
机械结构
超大规模集成电路
产品：AutoCADPro/ESolidWorks….
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1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用
14
1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用
15
1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用
1.1.1 用户界面
1.1.2 设计
1.1.3 显示
1.1.4 仿真和动画
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显 示
科学计算可视化
必要性：直接分析大量的测量数据或统计 数据有困难
目标：用图形表现抽象的数据
应用领域：医学
、遥感、流场、气象、核 爆模拟、有限元分析……。
信息可视化：信息流量、商业统计数据、股
市行情…
1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用
17
显 示
1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用
(视觉计算与可视化实验室)
油藏工程数据
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1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用
显 示
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1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用
显 示
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绘制事务管理中的各种图形也是计算机图形学技术应 用得最为广泛的领域之一。
1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用
显 示
21
建立在地理图形之上的关于各种资源的综合信息管理系统.
数字地球，地形数据作为载体，（70％）
全球信息化.
军事，政府决策，旅游，资源调查。
1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用
显 示
22
1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用
1.1.1 用户界面
1.1.2 设计
1.1.3 显示
1.1.4 仿真和动画
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仿真和动画
计算机处理的常见媒体：文本、图形、图像、 语音、音频、视频、动画。
在计算机控制下，对多种媒体信息进行生成、操作、表 现、存储、通信、或集成的信息系统。
特点：媒体的多样性、操作的交互性、系统的集成性。CAI，
教学娱乐。
1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用
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仿真和动画
电脑游戏
实时性
逼实性
蕴含了先进的图形处理技术
电视广告、节目片头、科教演示（CAI）3D-MAX 、
SOFTIMAGE 、
MAYA, …
电影
泰坦尼克号
1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用
25
仿真和动画
Coreldraw, Photoshop分形艺术
相片真实感模拟与自然
媒体仿真技术
计算机动画
1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用
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1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用
仿真和动画
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虚拟现实是用计算机技术来生成一个逼真的
三维视觉、听觉、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。
1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用
仿真和动画
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第一章第一章 图形系统和模型图形系统和模型
1.1 计算机图形学的应用
1.2 图形系统
1.3 图像：物理的和合成的
1.4 成像系统
1.5
虚拟照相机模型
1.6
程序员接口
1.7
图形绘制系统的体系结构
1.8
可编程流水线
29
1.2 1.2 图形系统图形系统
图形系统组成
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1.2 1.2 图形系统图形系统
像素和帧缓存
像素：图像的基本单元。
帧缓存：存储屏幕上像素的颜色信息
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1.2 1.2 图形系统图形系统
CRT显示器：
输出设备
刷新式光栅扫描显示器：从帧缓冲区逐个 取出像素并在屏幕上相应位置显示。
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1.2 1.2 图形系统图形系统
输出设备
33
1.2 1.2 图形系统图形系统
输出设备
34
输入设备
键盘
鼠标
数据输入板
游戏杆
激光测距仪
数字手套
……
输入设备
1.2 1.2 图形系统图形系统
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第一章第一章 图形系统和模型图形系统和模型
1.1 计算机图形学的应用
1.2 图形系统
1.3 图像：物理的和合成的
1.4 成像系统
1.5
虚拟照相机模型
1.6
程序员接口
1.7
图形绘制系统的体系结构
1.8
可编程流水线
36
1.31.3 物理的和合成的物理的和合成的
图像的基本概念
成像的物理基础:光照
颜色
感知
虚拟照相机模型
其它模型
37
1.31.3 物理的和合成的物理的和合成的
图像的概念
二维函数 f(x,y)
x,y是空间坐标，
f(x,y)幅值称为强度或者灰度
数字图像：空间离散，幅值离散
像素
图像在人类感知中扮演最重要的角色。
60％～80％的信息来自图像
成像机器可覆盖几乎所有电磁波谱
还存在其他成像方式（声波，电子
显微镜，分形图像等等）
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1.31.3 物理的和合成的物理的和合成的
主要内容：
图像的基本概念
成像的物理基础光照
颜色
感知
虚拟照相机模型
其它模型
39
1.31.3 图像：物理的和合成的图像：物理的和合成的
物理图像:
图片
物理成像系统:
照相机
显微镜
望远镜
人类视觉系统
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合成图像：计算机生成的图像
1.31.3 图像：物理的和合成的图像：物理的和合成的
(视觉计算与可视化实验室)
合成的对象
41
在计算机图形学中，图像的生成过程完全类似于 照相机和人类视觉等物理成像系统，其来源可以是 不存在的。
1.31.3 图像：物理的和合成的图像：物理的和合成的
(视觉计算与可视化实验室)
合成的对象
42
1.31.3 物理的和合成的物理的和合成的
成像系统的要素：
物体/对象
观察者（人、照相机）
光源
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1.31.3 图像：物理的和合成的图像：物理的和合成的
光 源
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1.31.3 图像：物理的和合成的图像：物理的和合成的
光线跟踪
光子影射
辐射度模型
光和图像
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第一章第一章 图形系统和模型图形系统和模型
1.1 计算机图形学的应用
1.2 图形系统
1.3 图像：物理的和合成的
1.4 成像系统
1.5
虚拟照相机模型
1.6
程序员接口
1.7
图形绘制系统的体系结构
1.8
可编程流水线
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1.41.4 成像系统成像系统
针孔照相机
人类视觉系统
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第一章第一章 图形系统和模型图形系统和模型
1.1 计算机图形学的应用
1.2 图形系统
1.3 图像：物理的和合成的
1.4 成像系统
1.5
虚拟照相机模型
1.6
程序员接口
1.7
图形绘制系统的体系结构
1.8
可编程流水线
48
1.51.5 虚拟照相机模型
成像系统
x
y
z
n
u
v
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第一章第一章 图形系统和模型图形系统和模型
1.1 计算机图形学的应用
1.2 图形系统
1.3 图像：物理的和合成的
1.4 成像系统
1.5
虚拟照相机模型
1.6
程序员接口
1.7
图形绘制系统的体系结构
1.8
可编程流水线
50
1.61.6 程序员接口程序员接口
虚拟照相机模型的启发
能否模拟虚拟照相机模型设计图形系统 中的硬件和软件？API软件包只需指定：
材料
观察者
光源
如何实现API？
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1.61.6 程序员接口程序员接口
编程接口
程序设计人员是通过软件借口接触图形系 统，这个界面就是应用编程接口（API）
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1.61.6 程序员接口程序员接口
API的构成
函数：定义生成一幅图像所需要的内容
观察者
光源
材料属性
其它信息从鼠标和键盘等设备获取输入
系统的能力
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1.61.6 程序员接口程序员接口
对象的定义
绝大多数API支持有限的基本几何对 象，例如：
点points（零维对象）
线段line segments（一维对象）
多边形polygons（二维对象）
某些曲线和曲面二次曲面quadrics多项式参数曲面
所有基本形状都是通过空间中的位置或顶点 (vertices)定义的。
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1.61.6 程序员接口程序员接口
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( );
type of objectlocation of vertex
end of object definition
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1.61.6 程序员接口程序员接口
照相机的指定六个自由度镜头中心的位置：
投影中心（COP）方向
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1.61.6 程序员接口程序员接口
光源与材料
光源类型点光源与分布式光源
聚光灯spot lights远光源与近光源
光源的颜色属性
材料属性吸收性：颜色属性
反射性：漫反射镜面
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第一章第一章 图形系统和模型图形系统和模型
1.1 计算机图形学的应用
1.2 图形系统
1.3 图像：物理的和合成的
1.4 成像系统
1.5
虚拟照相机模型
1.6
程序员接口
1.7
图形绘制系统的体系结构
1.8
可编程流水线
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所有步骤都可以通过显示卡的硬件实现！
1.71.7 图形绘制系统的体系结构图形绘制系统的体系结构
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顶点处理
坐标变换
世界坐标系
观察坐标系
屏幕坐标系
投影变换
计算顶点的颜色
1.71.7 图形绘制系统的体系结构图形绘制系统的体系结构
60
1.71.7 图形绘制系统的体系结构图形绘制系统的体系结构
顶点处理(续)
投影：把三维观察者位置与三维对象结合在
一起，确定二维图像的构成。
透视投影：所有投影线交于投影中心。
平行投影：投影线平行，投影中心在无穷远，
用投影方向表示。
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图元装配
在进行裁剪和光栅化处理之前，顶点必须
集成为几何对象线段、多边形这样的图元。
1.71.7 图形绘制系统的体系结构图形绘制系统的体系结构
62
裁剪
真正的照相机不能“看到”整个世界，图形学 中的虚拟照相机也只能看到世界的一部分不在下 述视景体中的对象要从场景中裁剪掉
1.71.7 图形绘制系统的体系结构图形绘制系统的体系结构
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光栅化
如果一个对象不被裁掉，那么在帧缓冲区中相应
的像素就必须被赋予颜色。
光栅化程序为每个对象生成一组片段。
片段是“潜在的像素”
在帧缓冲区中有一个位置。
具有颜色和深度属性。
光栅化程序在对象上对顶点的属性进行插值。
1.71.7 图形绘制系统的体系结构图形绘制系统的体系结构
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片元处理：对片元进行处理，以确定帧缓冲区 中相应像素的颜色颜色可以由纹理映射确定， 也可以由顶点颜色插值得到片段可能被离照相 机更近的其它片段挡住隐藏面消除。
1.71.7 图形绘制系统的体系结构图形绘制系统的体系结构
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第一章第一章 图形系统和模型图形系统和模型
1.1 计算机图形学的应用
1.2 图形系统
1.3 图像：物理的和合成的
1.4 成像系统
1.5
虚拟照相机模型
1.6
程序员接口
1.7
图形绘制系统的体系结构
1.8
可编程流水线
66
1.8 1.8 可编程流水线可编程流水线
编程接口：程序设计人员是通过软件借口接触图 形系统，这个界面就是应用编程接口（API）
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第一章第一章 图形系统和模型图形系统和模型
1.1 计算机图形学的应用
1.2 图形系统
1.3 图像：物理的和合成的
1.4 成像系统
1.5
虚拟照相机模型
1.6
程序员接口
1.7
图形绘制系统的体系结构
1.8
可编程流水线