计算机图形学完整笔记（一）：图形学概论_上海交大计算机图形学笔记

前言

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第一章 计算机图形学概论

1.1 全书概述

• 图形学基本知识

  • 光栅图形学
    • 扫描转换、区域填充、裁减、反走样、消隐
  • 二维、三维图形变换及观察

• 几何造型

  • 参数曲线曲面基本概念、Bezier曲线曲面、B样条曲线等

• 真实感图形学

  • 颜色模型、简单光照模型、纹理映射、光线跟踪

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1.2 计算机图形学定义

• 计算机图形学
  • 计算机图形是计算机产生的图像。
  • 计算机图形学就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理和算法。
  • IEEE定义：Comput graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer.
• 计算机图形学的发展和应用在某种意义上已成为计算机软、硬件发展水平的标志。

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1.3 计算机图形学研究内容

• 主要研究内容

  • 如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法，构成了计算机图形学的主要研究内容。

• 计算机生成一副表示物体的图形的三个步骤

  • 造型技术
    • 在计算机中建立所要生成图像的物体的模型，即给出表示该物体的几何数据和拓扑关系
    • 比如教室里的桌子、椅子、墙，用圆柱、平面等表示出来。
  • 光照模型
    • 希望用一些简单的数学模型来近似、代替那些物理学的模型，为模拟物体表面的光照物理现象的数学模型叫光照模型。
  • 绘制（渲染）技术
    • 选择适当的绘制算法来把这个场景画 (渲染) 出来。
    • 绘制一幅三维物体图像所涉及的知识，实际上就是计算机图形中每个像素看上去应该是什么颜色的问题。

• 计算机图形的发展方向

  • 准确性 -> 真实性 -> 实时性

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1.4 计算机图形学的发展历史

• 1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院 (MIT) 旋风 I 号计算机的附件诞生。
• 1963年，Suther land 发表博士论文。其中第一次提出了 graphics 这个词。
  • Suther land 被公认为开创交互式图形技术的奠基人，被称为 “计算机图形学之父”，并于 1988 年获 “图灵奖”。
• 1962年，雷诺汽车公司的工程师 Bezier 提出 Bezier 曲线、曲面的理论，成为 CAGD (计算机辅助几何设计) 的先驱。
• 1964年，MIT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。
• 70年代，光栅显示器出现了。光栅显示器屏幕是由像素组成的，由此诞生了大量算法，如区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法。
• 真实感图形和几何造型技术这个时候也开始出现了。
• 1975年，Phong 提出了著名的简单光照模型 - Phong模型 (标志着真实感图形的出现和实用化，直到现在 Phong 模型还被大量的采用)
• 1980年，Whitted 提出了光透视模型 - Whitted 模型，成为第一次提出光线跟踪算法的范例。
• 几何造型技术：通俗地讲，该技术就像小孩搭积木，用简单的一些体素来构建复杂的模型。
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1.5 计算机图形学的应用领域

• 人机交互和图形用户界面

  • 最理想的是开发 “能听、能说、能理解人类语言” 的计算机，人们可以和计算机交谈，而不像现在这样仅限于窗口、图标、鼠标、指针 (WIMP) 界面。

• 计算机辅助设计与制造 (CAD/CAM)

  • CAD/CAM 是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。
    • 飞机、汽车、船舶、宇宙飞船的外形设计
    • 发电厂、化工厂等的布局

• 真实感图形实时绘制与自然景物仿真

  • 计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制。

• 计算机动画、游戏、电影

• 计算机艺术

  • 计算机艺术是科学与技术相结合的一门新兴的交叉学科，是计算机应用的一个崭新、富有时代气息的领域。

• 计算机仿真

  • 计算机仿真是计算机技术建立被仿真系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。

• 科学计算可视化

• 虚拟现实

  • 虚拟现实是利用计算机模拟现实的场景，使参与者获得与现实一样的感觉。
  • 准确地说，是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

• 地理信息系统

  • 地理信息系统是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，是计算机图形学的一个重要应用领域。

• 农业上的应用

  • 借助计算机图形生成技术来保存和再现不同作物种类和不同生长时期的植物形态，模拟植物的生长过程，从而合理地进行选种、播种、田间管理以及收获等。

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1.6 计算机图形系统组成

• 五大功能

  • 一个交互式计算机图形系统应具有计算、存储、对话、输入和输出等 5 个方面的功能。
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• 图形系统

  • 图形软件
    • 图形应用数据结构：对应一组图形数据文件，其中存放着欲生成的图形对象的全部描述信息。
    • 图形应用软件
      • 解决某种应用问题的图形软件，是图形系统中的核心部分，包括了各种图形生成和处理技术。如：photoshop、3Dmax等。
      • 图形支撑软件：大多数图形应用程序是建立在一定的图形支撑软件上。图形支撑软件需具有规范接口。
  • 图形硬件

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1.7 图形显示设备

• 阴级射线管

  • 使用广泛：现在的图形显示设备绝大多数是基于阴极射线管 (CRT) 的显示器。

  • 阴极射线管的技术指标

    • 分辨率：一个阴极射线管在水平和垂直方向单位长度上能识别出的最大光点数称之为分辨率。光点亦称之为像素 (pixel)。
    • 显示速度

  • 要保持荧光屏上有稳定的图像就必须不断地发射电子束。只有刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显示。大约达到每秒 60 帧即 60Hz 时，人眼才能感觉到屏幕不闪烁，要人眼觉得舒服，一般必须有 85Hz 以上的刷新频率。

• 彩色阴极射线管

  • 三只电子枪，分别涂有红、绿、蓝三种颜色的光。

• CRT图形显示器

  • 随机扫描的图形显示器 (画线设备)
    • 电子束的扫描轨迹随显示内容而变化，只在需要的地方扫描，而不必全屏扫描，因此速度快，图像清晰。
    • 一条线一条线地画图，因此也称为向量显示器。
    • 随机扫描系统是为画线应用设计的，因此不能显示逼真的有阴影场景。
  • 光栅扫描显示器 (画点设备)
    • 不能直接从一个可编地址的像素画一条直线到另一个可编地址的像素，只可能用尽可能靠近这条直线路径的像素点来近似地表示这条直线。
    • 在光栅扫描系统中，电子束横向扫描屏幕，一次一行，从上到底顺次进行。当电子束横向沿每一行移动时，电子束的强度不断变化来建立亮点的图案。
    • 由于光栅扫描系统具有存储每一个屏幕点亮度信息的能力，所以，最适合显示浓淡和色彩图形。

• 例题

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1.8 图形学相关概念

• 分辨率
  • 光点
    • 光点指电子束打在显示器荧光屏上，显示器能够显示的最小的发光点，一般用其直径来表明光点的大小。
  • 像素点
    • 像素点是指图形显示在屏幕上时候，按当前的图形显示分辨率所能提供的最小元素点。
  • 屏幕分辨率
    • 屏幕上显示的像素个数，以 (水平像素数 * 垂直像素数) 表示。
  • 显示分辨率
    • 是计算机显示控制器所能够控制的显示模式分辨率，简称显示模式。
    • 对于文本显示方式，显示分辨率用水平和垂直方向上所能显示的字符总数的乘积来表示。
    • 对于图形显示方式，则用水平和垂直方向上所能显示的像素点总数的乘积来表示。
  • 显卡分辨率
    • 显卡分辨率就是表示显卡输出给显示器，并能在显示器上描绘像素点的数量。
    • 一台电脑的最高分辨率是由显卡和显示器共同决定的。显示器最高分辨率是可以显示出来的最大分辨率。显卡的最大分辨率是最大能支持多少分辨率。
    • 电脑的最高分辨率取决于显卡和显示器最低的一个。
• 显示器的点距
  • 指相邻像素点之间的距离。两点之间的距离越小越好。
  • 15寸显示器，点距达到0.28mm就足够。17寸显示器，需要0.27mm、0.25mm等。
• 显示卡的作用与性能指标
  • 显示卡的基本作用就是显示图文，显示卡和显示器构成了计算机的显示系统。
  • 除了CPU和内存外，显卡对计算机的显示性能起着决定性的作用。

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1.9 图形图像的区别及存储格式

• 图形图像的区别

  • 说法一
    • 图形是由计算机绘制而成的，而图像则是人为的用外部设备所捕捉到的外部的景象。
  • 说法二
    • 图形是矢量图，而图像是位图 (点阵图)

• 图形 (像) 的构成属性

  • 几何属性
    • 刻画对象的轮廓、形状。包括点、线、面、体等。
  • 非几何属性
    • 视觉属性，刻画对象的颜色、材质等。包括明暗、色彩、纹理、透明性、线型、线宽。
  • 从构图要素上看，将图形分为两类
    • 几何属性有突出作用：工程图、等高线地图、曲面的线框图
    • 非几何属性有突出作用 (明暗图)：真实感图形

• 位图和矢量图定义

  • 位图 (点阵图)

    • 点阵图或像素图，计算机屏幕上的图是由屏幕上的像素构成的，每个点用二进制数据来描述其颜色与亮度等信息。

  • 矢量图

    • 面向对象的图形或绘图图形，是用数学方式描述的曲线及曲线围成的色块制作的图形。
    • 矢量文件中的图形元素称为对象。每个对象都是一个自成一体的实体，它具有颜色、形状、轮廓、大小和屏幕位置等属性。

• 位图和矢量图区别

  • 存储方式的区别

    • 点阵文件存储图的各个像素点的位置信息、颜色信息以及灰度信息。
    • 矢量文件是用数学方程、数学形式对图形进行描述，通常使用图形的形状参数和属性参数来表示图形。
    • 因此，点阵文件存储空间比矢量文件大。

  • 缩放的区别

    • 点阵文件与分辨率有关，即在一定面积的图像上包含有固定数量的像素。
    • 矢量图形与分辨率无关，可以将它缩放到任意大小和以任意分辨率在输出设备上打印出来，不会影响清晰度。

  • 存储格式的区别

    • 位图存储格式：BMP、TIFF、GIF、JPEG、PNG
    • 矢量图存储格式：DXF、SVG、EPS、WMF、EMF

  • 总结

    • 	位图	矢量图
      存储内容	各像素点位置信息、颜色信息以及灰度信息	数学方程
      存储空间	大	小
      常见存储格式	BMP、TIFF、GIF、JPEG、PNG	DXF、SVG、EPS、WMF、EMF
      图形缩放	失真	不失真
      真实感图形效果	容易实现	不容易实现

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资料来源

• 计算机图形学 - 中国农业大学 - MOOC