chap1 绪论

2020-03-01 146浏览

  • 1.3D 游戏图形学 浙江理工大学信息学院
  • 2.课程内容 绪论 图形的表示与数据结构 基本图形生成算法 * 二维变换及二维观察 * 三维变换及三维观察 * 曲线与曲面 * 真实感图形光照处理 * 纹理映射技术 游戏中的场景管理技术 2
  • 3.主要参考书目 陆陆、 何云峰 陆陆 陆著，计算机 陆 陆 陆 陆陆 陆形学基 陆 陆陆2 陆版） （第 ，电子工业出版社， 2008 。 陆家 广、胡事民 陆陆，计算机 陆 陆 陆 陆陆形学基 陆 陆 陆陆教程（第 陆 陆2 陆 版），清华大学出版社， 1999 。 Donald Hearn, M.Pauline Baker 著 , 蔡士杰 等译，计算机图形学（第三版），电子工业 出版社， 2005 。 3
  • 4.成绩评定方法 • 出勤： 15% • 陆陆： 35% • 作业 / 陆内 小 陆陆： 50%
  • 5.3D 游戏图形学 第一章 绪论 浙江理工大学 数字媒体技术系
  • 6.第一章绪论  计算机图形学概述  计算机图形学的发展及应用  图形系统与图形设备  当前研究热点
  • 7. 什么是计算机图形学？  计算机图形学是利用计算机研究图形的表示、 生成、处理、陆示的学科。  计算机图形学计算机科学中，最为活跃、得到 广泛应用的分支之一
  • 8.图形学研究的对象 各种照片、图片图像、图形实体 通常的图形 函数、方程和表达式描述的图形 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。
  • 9. 图形与图像  图像是指真实事物的客观影像。  图形是从客观世界物体中抽象出来的带有颜色 信息及形状信息的图和形。  图形含有几何属性，更强调场景的几何表示， 是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组 成的。
  • 10.计算机图形学的研究内容 计算机图形学（ Computer Graphics ）是研 究怎样 用数字计算机表示、生成、 样样样样样样样样样样样样样样 理和 样样样 示 图形的一门学科。 • 如何在计算机中表示图形 • 如何准备图形的数据 • 如何显示已准备好的图形 • 如何实现人与图形的交互 } 建模 绘制 人机交互控制
  • 11.计算机图形学 计算几何  相关学科 图像 数据 图像处理 模式识别  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  图像处理：旨在对图象进行各种加工以改善图象的 视觉效果  模式识别：计算机对输入图像进行识别的技术  计算几何：研究几何模型和数据处理的学科。二维 、三维物体及曲线、曲面的描述，几何问题算法的 设计和分析
  • 12.第一章绪论 陆 算 陆 机陆 陆 形学概述 陆陆  计算机图形学的发展及应用  图形系统与图形设备  当前研究热点
  • 13.计算机图形学的发展历史  50 年代：诞生  1950 年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院 （ MIT ）旋风 I 号（ Whirlwind I ）计算机的附件诞生  1958 年，美国 Calcomp 公司由联机的数字记录仪发展 成滚筒式绘图仪， GerBer 公司把数控机床发展成为平 板式绘图仪  50 年代末期， MIT 的林肯实验室在“旋风”计算机上开 发 SAGE 空中防御体系，标志着交互式图形系统的诞生
  • 14. 60 年代：确立并蓬勃发展  1962 年， MIT 林肯实验室的 I. E. Sutherland 发表了 一篇题为“ Sketchpad ：一个人机交互通信的图形系统” 的博士论文  1962 年，雷诺汽车公司的工程师 Pierre Bézier 提出 Bézier 曲线、曲面的理论  1964 年 MIT 的教授 Steven A. Coons 提出了超限插值 的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。
  • 15. 70 年代：进入实用化  光栅图形学迅速发展  区域填充、裁剪、消陆陆 等基本 陆 陆 陆陆 形概念、及其相 陆 陆 陆 陆 陆 陆 陆陆 算法 陆 陆陆陆  图形软件标准化  1974 年， ACM SIGGRAPH 的与“与机器无关的 图形 术”的工作会议 技  ACM 成立陆核 形陆心 准化委陆形 会，制定 “ 陆陆系陆 统”（ Core Graphics System ）  国陆陆陆 准化 陆 陆陆 ISO 发布 CGI 、 CGM 、 GKS 、 PHIGS
  • 16. 真实感图形学  1970 年， Bouknight 提出了第一个光反射模型  1971 年 Gourand 提出“漫反射模型＋插”的思想 陆 ，被称为 Gourand 明暗处理  1975 年， Phong 提出了著名的简单光照模型 Phong 模型  实体造型技术  英国剑桥大学 CAD 小陆陆 的Build 系统  美国陆陆 彻斯特大学的 陆 陆 陆 陆 陆 PADL-1 系统
  • 17. 80 年代：飞速发展  1980 年 Whitted 提出了一个光透视模型 Whitted 模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例 ，实现 Whitted 模型  1984 年，美国 Cornell 大学和日本广岛大学的学 者分别将热辐射工程中的辐射度方法引入到计算机 图形学中  图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展
  • 18. 90 年代：广泛深入的应用     标准化、集成化、智能化 多媒体技术、人工智能 科学计算可视化、虚拟现实 三维造型技术  我国的计算机图形学发展     浙江大学 CAD&CG 国家重点实验室 北京航空航天大学 清华大学 中国科学院软件所
  • 19.计算机图形学的应用 计算机辅助设计 (Computer Aided Design) —— 图形学应用之一  CAD 是制造业信息化的一项核心技术，采用这项技术可以大大提高 产品创新设计能力，缩短产品设计周期，加快产品更新换代的速度。 应用领域：飞机、轮船、汽车外形，大规模集成电路，建筑，服装 ，玩具等。
  • 20.
  • 21.全部采用计算机辅 助设计和制造 波音 777 客机 21
  • 22.科学计算可视化 (Scientific Visualization) —— 图形学应用之二 用图形表现抽象的数据
  • 23.图形用户界面 (Graphic User Interface) —— 图形学应用之三  图形用户界面（ GUI, Graphical User Interfac e） 典型的陆 形用 陆陆陆陆 界面包含一个窗口管理程序、菜 陆陆陆陆陆陆陆陆陆陆陆陆陆陆 显示和图符等。 早期的指示灯、 穿孔纸带 命令行交互形式 的字符界面 图形用户界面 23
  • 24.电脑游戏 (Computer Game) —— 图形学应用之四 电脑游戏要求：实时性、逼真性 蕴含了先进的图形处理技术，驱动图形软硬件技术的发展
  • 25.电影特效、动画片 ——图形学应用之五 1998 年风靡全球的电影 - 铁达尼号 Titanic
  • 26.动画后期合成
  • 27.《 ：纪 》 冰 动河 画世 片 27
  • 28. 典型的 CG 电影： 《侏罗纪公园》、《龙卷风》、《玩具总 动员》、《狮子王》、《天地大碰撞》、 《星球大战前传》、《恐龙》  1993 年，电影《侏罗纪公园》利用计算机动 画技术制作的恐龙片段获得了该年度的奥斯 卡最佳视觉效果奖。
  • 29.地理信息系统 (GIS) —— 图形学应用之六 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， 全球信息化、 陆 事 、政府决策、 旅游、资源调查。
  • 30.虚拟现实系统 (Virtual Reality System) —— 图形学应用之七  计算机生成的看起来像真的，听起来像真的，摸起来像 真的虚拟世界 ( 环境 ) 。  虚拟世界应给人一种身临其境感。  人能以自然方式与虚样样 世界中的 样 样 样 样样 象样样 行交互操作。 样样样样样  这三点是 VR 技术有别于其他计算机应用技术的鲜明特 点，满足这些特点的系统称为 VR 技术。强调输入输出 设备，是一种高度复杂的系统，集中体现了当代计算机 应用技术的水平和魅力。
  • 31.军事训练 工业设计 娱乐教育 医疗维修
  • 32.单面 CAVE 系统 四面 CAVE 系统
  • 33.六面 CAVE 系统
  • 34.文化样 样 样 保样 样 、演示 样样 数字三峡 虚拟敦煌漫游 希腊神殿 阿富汗大佛重建 澳门圣保罗大教堂
  • 35.军事作战仿真
  • 36.飞 行 模 拟
  • 37.计算机艺术 (Computer Art) —— 图形学应用之八  分形艺术  卡通、陆陆 画等（非真 陆 陆 陆 陆 陆陆 感陆陆 制） 陆
  • 38.From Curtis et al.
  • 39.From Teece
  • 40.第一章绪论  计算机图形学概述  计算机图形学的发展及应用  图形系统与图形设备  当前研究热点
  • 41.计算机图形系统 计算机图形系统是计算机硬件（包括中央处理机、图形 输入输出设备），以及软件（包括系统软件和图形软件） 的集合。 （一）基本功能要求 计算功能：点、陆陆 、面的表示，求交， 陆 陆 陆 陆 陆 陆 陆 陆 陆陆陆 等 存储功能：在计算机中存储图形数据 交互功能：实时显示出用户操作结果 陆入 功能： 陆陆入用 陆 陆陆的 陆陆计、 陆 陆陆制要求 陆陆 输出功能：显示、保存
  • 42.图 计算机图形系统的功能
  • 43.常用计算机图形系统  个人计算机图形系统： 是由个人计算机（ PC ）加上图形输入输出设备和有关图形支 撑软件集成起来的系统。  价格便宜、功能及性能不强  工作站图形系统： 著名工作站： HP 、 SGI 、 SUN  价格较昂贵、功能强大、性能良好
  • 44.图形输入设备 1. 2. 3. 键盘 鼠标 坐标数字化仪  数字化仪是一种把图形转变成计算机能接收的数字形式 专用设备  基本工作原理是采用电磁感应技术  由一块数据板和一根触笔组成。数据板中布满了金属 栅格，当触笔在数据板上移动时，其正下方的金属栅 格上就会产生相应的感应电流。根据已产生电流的金 属栅格的位置，就可以判断出触笔当前的几何位置
  • 45.4. 光笔 是一种检测光的装置，它直接在屏幕上操作，拾取 位置 触钮 触 钮开关 开 关 导导线 线 笔 体 笔体 光 孔 光孔 开 关 电 路 光 电 转 换 透 镜 组 透镜组 光 导 纤 维 光导纤维 放 大 整 形 输输出 出 信信号 号
  • 46.5. 触摸屏 定位设备 , 当用手指或者小杆触摸屏幕时，触点位 置便以光学的（红外线式触摸屏）、电子的 （电阻式触摸屏和电容式触摸屏）或声音的 （声音探测式）方式记录下来。
  • 47.6. 跟踪球 (Trackball) 和空间球 (Spaceball) 根据球在不同方向受到的推或拉的压力来实现定位和选择。 跟踪球 空陆陆 球
  • 48.7. 数据手套 (Data Glove) 是一种戴在手上的传感器，可以用来抓住“虚拟对 象”，它由一系列检测手和手指运动的传感器构成，用 来提供关于手的位置和方向的信息。利用它们在虚拟现 实场景中漫游。
  • 49.8. 操纵杆 (joystick) 操纵杆是由一根小的垂直杠杆组成的可摇动装置， 该杠杆装配在一个其四周可移动的底座上用来控制屏幕 光标。
  • 50.9 . 扫描仪  图形扫描仪是直接把图形和图象扫描到计算机中以 象素信息进行存储的设备  绝大多数是采用的固态器件是电荷耦合器件 （ CCD Charge Coupled Device ）  工作原理  用光源照射原稿，投射光线经过一组光学镜头射到 CCD 器件上，得到元件的颜色信息，再经过模 / 数转 换器，图象数据暂存器等，最终输入到计算机
  • 51.图形输出设备  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
  • 52.图形显示设备 1. 阴极射线管式（ CRT ： Cathode － Ray Tub e） 2. 液晶显示器 3. 等离子显示器
  • 53. 图形处理器（显卡） 图形处理器是图形系统结构的重要元件，是连接计算机和显示终端的 纽带  图形处理器的组成  显示主芯片  显卡的核心，俗称 GPU ，它的主要任务是对系统输入的视频 信息进行构建和渲染  显示缓存  用来存储将要显示的图形信息以及保存图形运算的中间数据  显存的大小和速度直接影响着主芯片性能的发挥  数字模拟转换器（ RAMDAC ）  它的作用就是把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟 信号
  • 54.模 拟 信 号 输 出 计 算 机 控 制 信 号 R A MD A C 主 芯 片 显 存 显卡工作原理简单示意图
  • 55.图形绘制设备 1. 绘图机  静电绘图仪  笔式绘图仪：平板式、滚筒式 2. 图形打印机  针式打印机  喷墨打印机  激光打印机
  • 56.第一章绪论  计算机图形学概述  计算机图形学的发展及应用  图形系统与图形设备  当前的研究热点
  • 57.当前的研究热点  大规模虚拟场景的真实感实时绘制  动画游戏  计算机艺术，动漫  移动图形学  网络多媒体
  • 58.The End ！