第1章计算机图形学概述.ppt

《第1章计算机图形学概述.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1章计算机图形学概述.ppt（48页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、x,y=(1,2),(2,3),(3,4),(4,5),(5,6)1 xyThe Stanford Bunny 斯坦福兔子斯坦福兔子 广义的图形概念广义的图形概念 凡是能够在人的视觉系统中形凡是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成视觉印象的客观对象都称为图形。如：形。如：(1)(1)自然景物自然景物 (2)(2)照片和图片照片和图片 (3)(3)工程图、设计图和方框图工程图、设计图和方框图 (4)(4)人工美术绘画、雕塑品人工美术绘画、雕塑品 (5)(5)用数学方法描述的图形用数学方法描述的图形 （包括几何图形、代数方（包括几何图形、代数方 程、分析表达式或列表所程、分析表达式

2、或列表所 确定的图形）确定的图形）图形的概念图形的概念计算机图形学是研究计算机如何生成、处计算机图形学是研究计算机如何生成、处理和显示图形的！理和显示图形的！计算机图形学计算机图形学主要的目的就是要利用计主要的目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。算机产生令人赏心悦目的真实感图形。计算机图形学中的图计算机图形学中的图形概念形概念是指由点、线、面、是指由点、线、面、体等体等几何要素几何要素和和明暗、明暗、灰度（亮度）、色彩灰度（亮度）、色彩等等非几何要素非几何要素构成的，从构成的，从现实世界中现实世界中抽象抽象出来的出来的带有灰度、色彩及形状带有灰度、色彩及形状的图或形。的图或形。?

3、计算机图形学解决了什么问题计算机图形学解决了什么问题显示器等输出设备如何进行图形图像的显示？显示器等输出设备如何进行图形图像的显示？计算机图形学解决了什么问题计算机图形学解决了什么问题1 1、坐标系统、坐标系统 在现实世界中，所有的物体都具有几何特征，但计算机本在现实世界中，所有的物体都具有几何特征，但计算机本身只能处理数字，身只能处理数字，将几何实体与数据联系在一起的唯一纽将几何实体与数据联系在一起的唯一纽带就是坐标，带就是坐标，如：现实的几何实体的数字表示可以是一些如：现实的几何实体的数字表示可以是一些坐标值，如（坐标值，如（x,y,z）。）。为了使被显示的几何实体数字化，要在被显示的物体

4、所在为了使被显示的几何实体数字化，要在被显示的物体所在的空间中定义坐标系。的空间中定义坐标系。P3(0,1,0)P4(0,1,2)P7(0,0,2)P5(1,1,2)P2(1,1,0)P1(1,0,0)P6(1,0,2)yzx立方体的坐标表示(1)(1)、模型坐标系（局部坐标系）：当构造单个对象的数字模型、模型坐标系（局部坐标系）：当构造单个对象的数字模型时，为了方便时，为了方便,可以将其置于一个特定的坐标系下，即模型坐可以将其置于一个特定的坐标系下，即模型坐标系或局部坐标系标系或局部坐标系.(2)(2)、世界坐标系：为描述图形场景中所有图形之间的空间关系，、世界坐标系：为描述图形场景中所有图

5、形之间的空间关系，将它们置于一个统一的坐标系中，该坐标系被称为世界坐标系。将它们置于一个统一的坐标系中，该坐标系被称为世界坐标系。(3)(3)、设备坐标系：要输出经过处理后的数字化图形，需要在输设备坐标系：要输出经过处理后的数字化图形，需要在输出设备上建立一个坐标系，称为设备坐标系。出设备上建立一个坐标系，称为设备坐标系。YpXpy2x2z2世界坐标系屏幕坐标系视口z1模型坐标系x1y1窗口窗口坐标系近平面远平面说明：在计算机显示三维世界的过程中，需要在世界说明：在计算机显示三维世界的过程中，需要在世界坐标系中给定一个坐标系中给定一个视见体视见体，视见体内包含的内容是我，视见体内包含的内容是我

6、们对场景感兴趣的部分。们对场景感兴趣的部分。计算机显示三维场景过程中的三个空间：三维景物空间计算机显示三维场景过程中的三个空间：三维景物空间二维投影平面二维显示平面二维投影平面二维显示平面YpXpy2x2z2世界坐标系屏幕坐标系视口z1模型坐标系x1y1窗口窗口坐标系近平面远平面三维实体绘制的基本任务三维实体绘制的基本任务为了绘制三维几何实体，必须完成四个基本任务：为了绘制三维几何实体，必须完成四个基本任务：第一，用数学方法建立所需三维场景的几何描述，并将他第一，用数学方法建立所需三维场景的几何描述，并将他们输入至计算机；们输入至计算机；第二，将三维几何描述转换为二维透视图；第二，将三维几何描

7、述转换为二维透视图；第三，将二维对象进行光栅化；第三，将二维对象进行光栅化；第四，进行显示。第四，进行显示。如果用计算机在图形设备上生成连续色调的真实感图形则如果用计算机在图形设备上生成连续色调的真实感图形则需要在上述的第二个任务之中添加上两个任务：需要在上述的第二个任务之中添加上两个任务：确定场景确定场景中的所有可见面中的所有可见面和和添加光照以计算场景中可见面的颜色添加光照以计算场景中可见面的颜色，然后再进行光栅化和显示。然后再进行光栅化和显示。2 2、几何实体的表示和建模、几何实体的表示和建模 获得三维物体在图形设备上真实感图形，首先要做的就获得三维物体在图形设备上真实感图形，首先要做的

8、就是是建立物体的模型，建立物体的模型，或者称为物体的计算机描述，它输或者称为物体的计算机描述，它输出几何对象。出几何对象。再简单点：建模过程让计算机再简单点：建模过程让计算机“认识认识”该物体的过程。该物体的过程。如，比较简单的，可以用一个隐函数来表示一个几何实如，比较简单的，可以用一个隐函数来表示一个几何实体，如一个球的表示体，如一个球的表示:也可以是一系列坐标表示如：也可以是一系列坐标表示如：2222rzyxP3(0,1,0)P4(0,1,2)P7(0,0,2)P5(1,1,2)P2(1,1,0)P1(1,0,0)P6(1,0,2)yzx立方体的坐标表示017(0,0,0)(1,0,0)(

9、1,1,0)(0,1,0)(0,1,2)(1,1,2)(1,0,2)(0,0,2)P PP 2 2、几何实体的表示和建模、几何实体的表示和建模 复杂物体建模：复杂物体建模：对于三维物体最简单的方式是用一组包围物体内部的平对于三维物体最简单的方式是用一组包围物体内部的平面多边形来表示。对于多面体的多边形表示精确地定义面多边形来表示。对于多面体的多边形表示精确地定义了物体的表面特征，而对于曲面则可以采用多边形网格了物体的表面特征，而对于曲面则可以采用多边形网格进行逼近。进行逼近。除了多边形形式，其它表示三维物体的方法还有利用除了多边形形式，其它表示三维物体的方法还有利用Bzier曲线曲面、曲线曲面

10、、B样条曲线曲面、孔斯曲面以及它们样条曲线曲面、孔斯曲面以及它们的有理形式等分段和分片参数多项式的形式来对物体表的有理形式等分段和分片参数多项式的形式来对物体表面进行描述，这些形式我们在第面进行描述，这些形式我们在第9，10章详细进行讲述章详细进行讲述 3 3、几何处理、几何处理 由于计算机屏幕只能显示二维的图形，接下来需要将真实世由于计算机屏幕只能显示二维的图形，接下来需要将真实世界中的三维物体的数字描述转换为二维图形，界中的三维物体的数字描述转换为二维图形，投影投影到二维屏到二维屏幕上。幕上。存在多种投影方法可以使用，我们将在存在多种投影方法可以使用，我们将在第第5 5章章详细讨详细讨论。

11、论。YpXpy2x2z2世界坐标系屏幕坐标系视口z1模型坐标系x1y1窗口窗口坐标系近平面远平面3 3、几何处理、几何处理 在投影之前，还需对三维场景做很多处理。在投影之前，还需对三维场景做很多处理。（1 1）变换）变换:为了得到最终的图形，首先需要将需要显示的对为了得到最终的图形，首先需要将需要显示的对象以合适的位置、大小和方向放置于整体的场景中，需要对象以合适的位置、大小和方向放置于整体的场景中，需要对该对象在场景中作平移，放大和缩小等操作，这些操作定义该对象在场景中作平移，放大和缩小等操作，这些操作定义了把物体从局部坐标系放到世界坐标系所需要的变换。了把物体从局部坐标系放到世界坐标系所需

12、要的变换。所以，变换就是指对象在不同坐标系之间的转换，这些变换所以，变换就是指对象在不同坐标系之间的转换，这些变换可能改变它们的形状和位置，或者改变它们的表示。可能改变它们的形状和位置，或者改变它们的表示。在第在第4 4章，章，我们将详细讨论变换过程。我们将详细讨论变换过程。YpXpy2x2z2世界坐标系屏幕坐标系视口z1模型坐标系x1y1窗口窗口坐标系近平面远平面（2 2）裁剪：）裁剪：由于显示系统不可能一次看到整个世界。在投由于显示系统不可能一次看到整个世界。在投影之前，三维空间中的物体要被三维视见体进行裁剪。如果影之前，三维空间中的物体要被三维视见体进行裁剪。如果三维物体在视见体内，则它

13、会投影在投影平面上，如果在视三维物体在视见体内，则它会投影在投影平面上，如果在视见体之外，则它要被裁减掉，不会出现在图像里。如果与视见体之外，则它要被裁减掉，不会出现在图像里。如果与视见体相交，则只在图像中看到在视见体内的部分。见体相交，则只在图像中看到在视见体内的部分。YpXpy2x2z2世界坐标系屏幕坐标系视口z1模型坐标系x1y1窗口窗口坐标系近平面远平面（2 2）裁剪：）裁剪：当然，也可以在投影之后对三维物体的二维投影进行裁剪，当然，也可以在投影之后对三维物体的二维投影进行裁剪，即进行二维裁剪。此时，在投影平面上的场景显示区域称为即进行二维裁剪。此时，在投影平面上的场景显示区域称为裁剪

14、窗口。如果三维物体的投影在裁剪窗口之内，则它会出裁剪窗口。如果三维物体的投影在裁剪窗口之内，则它会出现在图像上；如果三维物体的投影在裁剪窗口之外，则它要现在图像上；如果三维物体的投影在裁剪窗口之外，则它要被裁剪掉，就不会出现在图像里。如果三维物体的投影与裁被裁剪掉，就不会出现在图像里。如果三维物体的投影与裁剪窗口相交，则只在图像中看到窗口内的那部分。剪窗口相交，则只在图像中看到窗口内的那部分。YpXpy2x2z2世界坐标系屏幕坐标系视口z1模型坐标系x1y1窗口窗口坐标系近平面远平面（3）消除隐藏线、面：）消除隐藏线、面：如果被其它的对象遮挡，如果被其它的对象遮挡，则图形不能被显示在屏幕上。隐

15、藏面的消除即去则图形不能被显示在屏幕上。隐藏面的消除即去掉那些看不到的面，留下可见面。掉那些看不到的面，留下可见面。在第在第7章，章，我们我们将详细讨论如何进行隐藏面的消除。将详细讨论如何进行隐藏面的消除。YpXpy2x2z2世界坐标系屏幕坐标系视口z1模型坐标系x1y1窗口窗口坐标系近平面远平面YpXpy2x2z2世界坐标系屏幕坐标系视口z1模型坐标系x1y1窗口窗口坐标系近平面远平面（4 4）投影：）投影：经过多次变换和裁剪处理后，最后得到的经过多次变换和裁剪处理后，最后得到的基基本图元本图元（是指没有被裁剪掉、会出现在图像里面的对象）（是指没有被裁剪掉、会出现在图像里面的对象）必须投影成

16、为二维对象，才能显示在屏幕上。必须投影成为二维对象，才能显示在屏幕上。（5）光照：）光照：为了提高显示效果，需要给场景设置光为了提高显示效果，需要给场景设置光照、颜色、材质或纹理才能让它看起来更真实，也照、颜色、材质或纹理才能让它看起来更真实，也就是完成就是完成真实感图形的绘制。真实感图形的绘制。如果进行真实感图形如果进行真实感图形绘制，需要计算可见面投射到观察者眼中的光亮度绘制，需要计算可见面投射到观察者眼中的光亮度大小和色彩组成，并将它转换成适合图形设备的颜大小和色彩组成，并将它转换成适合图形设备的颜色值，从而确定投影画面上每一象素的颜色，最终色值，从而确定投影画面上每一象素的颜色，最终生成图形。生成图形。第第8章章将详细介绍光照明模型。将详细介绍光照明模型。4 4、光栅化、光栅化 当完成了投影变换，接下来处理的对象就是二维当完成了投影变换，接下来处理的对象就是二维对象。二维对象的图元已经用屏幕坐标系表示了。对象。二维对象的图元已经用屏幕坐标系表示了。如要显示上述的投影后的图形元素，必须利用一如要显示上述的投影后的图形元素，必须利用一个光栅化或扫描转化过程，把这些图形的几何信个光栅