计算机图形学

0 - 概论

2020-02-17 14:00 CST
2020-03-14 22:29 CST
CC BY-NC 4.0

期末考试:曲线曲面不考

计算机图形学的硬件组成

  • 显示处理器、帧缓冲器:图形是如何表示、存储和处理的?
  • 视频控制器:图形是如何输出/绘制和控制的?
  • 视频监视器:用户是如何控制和操纵屏幕上的图形的?

图形技术范式的演化

  • 字符显示(Character)
    • 文字加数字的伪图形
    • 命令行
  • 矢量显示(Vector)
    • 清晰的笔画文字和线画图形
    • 命令行、功能键和菜单
  • 二位光栅扫描显示(Bitmap Raster)
    • 窗口、图标、清晰文字和丰富色彩
    • GUI与WIMP(Windows、Icons、Menus、Pointing)
    • 直接选取和控制菜单和对象
    • 桌面隐喻,WYSIWYG
  • 图形工作站及多视角投影(3DTV)
    • 实时及三维景象的真实图像,实物虚化、虚物实化
    • 具有菜单和对象直接选取和控制的二维、三维、甚至多维输入设备
    • WYSIWYG/WYPIWYG(P=Perceive)

计算机图形学的权威定义

  • 传统内容
    • 建模:几何对象(建模/modelling)及其图像(渲染/rendering)的生成、存储和操纵
    • 绘制:在屏幕和硬拷贝设备上输出图像
    • 交互:用户对对象(object)和图像(images)的内容、结构及其外在表现的控制
  • 技术拓展
    • 建模:结合音视频的图形合成
    • 绘制:图像处理
    • 交互:触觉输入和输出

计算机图形学的基本任务

  • 图形处理功能
    • 建模
    • 绘制
    • 交互
  • 图形处理层次
    • 设备原理:如何让设备完成图形的输入、输出及处理?
    • 软件算法:如何表示、生成、绘制、存储和交换图形信息?
    • 图形系统:
      • 如何有效组织图形处理流程?
      • 如何对图形对象进行操纵?
      • 如何对图形数据进行存储和管理?

模型生成

  • 获取、构造、生成和存储客观世界对象的外观和物理信息,以在计算机内建立客观世界对象的计算模型。
  • 难点:尽可能保持客观世界对象本身的性质并反映用户对它的理解。
  • 交互生成:图形系统提供模型构成的基本几何元素,由用户按自己的设想在图形软件系统所提供的操作环境中交互渐进地构造所需要的模型(交互式系统)。
  • 感知获取:借助于数字摄像机、照相机和扫描仪等感知采集设备所获取的客观世界对象,通过图形识别来构造客观世界的模型。

图形生成

  • 对模型化的客观世界对象模型的可视化处理和绘制结果,以在输出设备上再现客观世界对象的图像。
  • 难点:巨量信息处理的实时性及对客观世界对象模拟的逼真度。
  • 问题:
    • 图形输出设备的能力和性能/图形硬件:分辨率、处理速度。
    • 图形绘制处理和操纵算法/图形软件。

计算机图形系统的处理流程

  • 图形建模
  • 视角选择(几何变换)
  • 设备选择(归一化坐标系)
  • 图形显示

计算机图形系统的功能特点

基本功能:

  • 计算:几何对象及其图像的表示、生成和处理
  • 存储:在计算机外存中存放图形数据,图形信息的实时检索、变更和管理等
  • 输入
  • 输出
  • 交互

计算机图形系统的软件组成

  • 数据平台:对象描述模型,根据硬件和结构组成数据结构,表达对象的结构和性质等
  • 支撑平台:图形支撑软件,扩展系统高级语言和操作系统的图形处理功能
  • 应用平台:应用软件

数据平台

描述图形对象构成及对象间的相互关系。

模型中的数据包括两大类:

  • 几何模型:描述图元形状(几何信息)及其相互关系(拓扑关系)
  • 属性数据:描述图元外观(线性、线宽、颜色、纹理等)及材料、加工等其他非几何数据

对象描述模型的核心是对象几何性质,即几何模型。

对象模型主要包括:

  • 点云模型
  • 线框模型
  • 曲面模型
  • 实体模型

模型之间的主要差异在于几何基元。模型的选择取决于数据获取方式、数据处理环境和应用目标要求。各种模型数据间可以相互转化。

支撑平台

  • 设备驱动程序
  • 标准图形支撑软件:GKS(图形核心系统)、PHIGS(程序员层次式交互图形系统)等
  • 工业图形支撑软件
    • 标准图形编程软件包:提供高级程序编程和图形功能扩展集,如OpenGL、DirectX、X-Window、Postscript等
    • 专用图形软件编程包:为非程序员设计,与图形子程序的接口允许以用户的术语与程序通讯

标准图形支撑软件的功能:

  • 输出图源
  • 属性定义
  • 几何变换
  • 观察变换
  • 对象定义
  • 输入功能
  • 控制操作

标准图形支撑软件的好处:

  • 设备无关性
  • 应用适应性
  • 具有较高性能

计算机图形学的相关学科

广义的图形概念:人眼所观察到的客观世界物体和景象;只关注其语义,不关注具体构成。

计算机图形学中的图形定义:

  • 能采用数学表示方法表示;
  • 能在计算机内表示和存储;
  • 能在图形输出设备上绘制。

计算机图形学的目标:在计算机系统内“逼真”地模拟(描绘)各种客观世界的对象或场景。

计算机图形学的图形特点:

  • 通过图形能够具体了解所表示的物体;
  • 图形仍只是一种抽象,只能“逼真”地“模拟”这个物体;
  • 难点:无法用颜色、纹理等显式(图形化)表示的非几何信息处理。

计算机图形中的图形表示:

  • 图形:用矢量形式表达客观世界对象构成元素间的内在联系
  • 图形:用点阵形式表示客观世界对象外部表现的设备输出结果

对于大多数计算机,图形系统结合两种方式:矢量形式交互建模;点阵形式设备输出。

图像生成原理:

  • 光栅扫描显示
  • 随机扫描显示

图形生成基本要素:扫描+刷新

  • 图形呈现:设置颜色和风格
  • 图形生成:扫描过程
  • 图形保持:刷新过程

图形输出设备:

  • 图形显示设备
  • 图形硬拷贝设备:打印机(光栅扫描)、绘图机(小部分为随机扫描)
  • 笔试绘图机

图形生成算法的类型机理:

  • 线画图元生成/扫描转换算法
  • 填充图元生成/渲染绘制算法

计算机图形的点阵表示:

  • 以矩阵形式(点阵图)枚举图形构成点(像素点)表示图形。
  • 点阵表示是一种电视图像形态,提供一种近似“真实”的表示,也称为像素矩阵表示。
  • 硬拷贝设备多是以许多小圆点输出图形,适合于设备的输出。
  • 缺点:需要大量的存储空间,进行编辑修改相对更困难,放大操作会使图形失真。

计算机图形的矢量表示:

  • 以数学方程等数学形式对图形进行描述。
  • 矢量图形的关键是:如何用算法及数学公式进行描述,并将之在图形显示设备上绘制出来。
  • 优点:所占的空间比点阵小得多;矢量图形的各部分是独立的(也称为面向对象图形表示);矢量图形的输出与实际显示的分辨率无关。
  • 缺点:非真实感图形,看起来很抽象;输出必须采用矢量式输出设备。

计算机图形学的图形类别:

  • 点阵图形
    • 全灰度/彩色图形
    • 二值或少色图形
  • 矢量图形
    • 连续的曲线和直线
    • 离散的点或多边形

计算机图形学的图形转换:

  • 模式识别(图像理解,点阵变为矢量):由较低的类变换到较高的类;
  • 图形绘制(显示,矢量变为点阵):由较高的类变换到较低的类;
  • 图像处理:不仅涉及类间变换,还要涉及类内变换。

计算机图形学的类内转换:

  • 滤波变换:对比度增强、高频噪声滤波等;
  • 坐标系统的改变:旋转、平移、投影、反投影等。

计算机图形学的相关学科:

  • 计算机图形学
  • 计算几何
  • 计算机视觉
  • 图像处理

计算机图形学的应用

  • 计算机辅助设计(CAD)
    • 产品外形及工程图纸设计、产品效果
    • 产品实时功能模拟
  • 计算机辅助制造(CAM)
    • 加工工艺设计和优化,加工过程模拟
  • 计算机辅助工程(CAE)
    • 机构运动、热力学、有限元分析与模拟
  • 可视化
    • 将数据转换为图形并进行交互处理的方法和技术
    • 三大特点:交互性、多维性、可视性
    • 处理过程:后处理、跟踪(tracking)、驾驭(steering)
    • 三类应用:科学计算可视化、商业可视化(图示图形学)、信息可视化(信息图形化)
  • 大数据可视化
    • 模型驱动
    • 数据驱动
  • 地理信息系统(GIS)
  • 数字化艺术
  • 数字娱乐
  • 多媒体
  • 图形用户界面(GUI)
  • 虚拟显示(VR)
    • 沉浸感(Immersion)
    • 交互性(Interaction)
    • 想象力(Imagination)

计算机图形学的研究方向

三大方向:

  • 建模:自然化+复杂性
  • 绘制:真实感+规模化+细节层次化
  • 交互:自然化+高效性

规则形体造型:规则形体的集合模型是数据模型,用欧氏几何描述

  • 非均匀有理B样条(NURBS)曲面建模
  • 实体特征造型(Feature Modeling)
  • 非流型造型(Non-manifold Modeling)

数字几何建模/大规模场景建模

  • 从三位扫描数据中重建三维模型
    • 点云增强
    • 智能结构单元
  • 利用少量样本声场大规模三维场景
    • 结构单元+构成关系扩展
    • 模型综合
    • 实例建模

不规则形体造型/自然场景建模

  • 不能仅用欧氏几何描述
  • 一般是由几何数据与一个过程共同描述的

动态场景建模:随机动画

群体行为动画:人工生命

不规则形体造型

  • 分形几何造型
    • 描述自然界不规则物体表面/边界的无穷细节和动态变化过程
    • 分形(Fractal)是一类数学几何体
      • 在任意尺度上都具有复杂且精细的结构,分形几何体是自相似的
      • 描述方式:本征几何体+递归过程
  • 粒子系统
    • 描述自然界中的不规则运动着的模糊物体(场景)的运动过程
    • 描述方式:粒子+动力方程
  • 形状文法
    • 过程建模:利用形状文法及规则描述不规则物体的细节层次/粒度
    • 将产生式应用到初始物体,增加与原形状协调的细节层次
    • 描述方式:初始物体(本征几何)+产生式规则

柔性造型

  • 描述对象或场景符合物理特性或规律的状态:布料和丝织物+人体等
  • 方式:本征几何+物理特性+物理规律 -> 物理(状态)模型

光照效果生成

  • 逼真地表示真实世界的几何、环境、关系及光照效果等
  • 光照模型、消隐处理、立体效果

纹理生成

  • 颜色纹理:映射贴图
  • 集合纹理:几何扰动
  • 基于样图的纹理合成

基于图像的绘制(不进行建模)

  • 从图像中直接获取对象或场景的几何、纹理及其运动等模型数据
  • 独立于场景复杂性,仅与要生成画面的分辨率有关
  • 无需重建真实场景的三维几何模型,对计算资源要求低

计算机图形学的作用

  • 计算机图形学是计算机系统不可缺少的重要组成部分。
  • 计算机图形系统是计算机图形学及其应用的具体表现。
  • 计算机图形学是计算机应用的桥梁。