1

高级计算机图形学高级计算机图形学

讲

授：董兰芳

研究方向：科学计算可视化

图形、图像处理

模式识别

Telephone:0551-3603484

Email:lfdong@ustc.edu.cn

Homepage:

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

OpenGL学习

建立真实感计算机图形

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

3

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研究。

高级计算机图形学高级计算机图形学

4

教材或参考书教材或参考书

主要参考资料1.

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

2. 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

3.

计算机图形学(用OpenGL实现)

F.S.Hill,JR.著

5

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

计算机图形学：用计算机生成计算机

图片或图像的理论和技术。

6

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

7

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

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）

8

1.1.2 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：AutoCAD

Pro/E

SolidWorks….

1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用

9

1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用

10

1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用

11

1.1.3 显示

科学计算可视化(Scientific Visualization)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……。

等等

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

12

1.1.3 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

13

1.1.3 显示

1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用

14

1.1.3 显示

1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用

15

1.1.3 显示

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

16

1.1.3 显示

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

17

1.1.4

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

18

1.1.7 娱

乐

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

19

1.1.4

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

20

1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用

1.1.4

仿真和动画

21

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。输入输

出设备

1.1.11 计算机图形学的应用计算机图形学的应用

1.1.4

仿真和动画

22

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

23

1.2 1.2 图形系统图形系统

1.输入设备

2.处理器

3.存储器

4.帧缓存

5.输出设备

24

1.2 1.2 图形系统图形系统

1.2.1 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

25

1.2 1.2 图形系统图形系统

CRT显示器：

1.2.2 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。

26

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

。。。。。。

1.2.3 输入设备

1.2 1.2 图形系统图形系统

27

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

第一章第一章 图形系统和模型图形系统和模型

28

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

29

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

30

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

31

合成图像：计算机生成的图像。

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

32

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

三者独立！

33

1.31.3 图像：物理的和合成的图像：物理的和合成的

1.3.2

光源

34

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

1.3.3

光和图像

35

1.1 计算机图形学的应用

1.2 图形系统

1.3 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

第一章第一章 图形系统和模型图形系统和模型

36

1.41.4 成像系统成像系统

针孔照相机

人类视觉系统

37

1.1 计算机图形学的应用

1.2 图形系统

1.3 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

第一章第一章 图形系统和模型图形系统和模型

38

1.51.5 虚拟照相机模型

成像系统

x

y

z

n

u

v

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1.1 计算机图形学的应用

1.2 图形系统

1.3 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

第一章第一章 图形系统和模型图形系统和模型

40

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软件包只需指定对象

材料

观察者

光源

如何实现API？

41

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）

42

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对象

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

43

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。

44

1.61.6 程序员接口程序员接口

示例

在OpenGL中：

glBegin(GL_POLYGON);

glVertex3d(0.0, 0.0, 0.0);

glVertex3d(0.0, 1.0, 0.0);

glVertex3d(0.0, 0.0, 1.0);

glEnd();

45

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，即 投影中心（COP）

方向

镜头焦距

胶卷尺寸

胶卷平面的方向

46

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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1.1 计算机图形学的应用

1.2 图形系统

1.3 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

第一章第一章 图形系统和模型图形系统和模型

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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

49

顶点处理

顶点处理的工作：

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

50

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。

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

51

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

52

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

53

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

54

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 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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1.8 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 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