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清华大学计算机科学与技术系计算机图形学计算机图形学胡事民计算机科学与技术系清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•胡事民，浙江长兴人，计算机系教授。•办公地点：人机交互与媒体集成研究所信息技术大楼3区507房间电话

：82052Email：shimin@tsinghua.edu.cnHttp://cg.cs.tsinghua.edu.cn/清华大学计算机科学与技术系计算机图形学第一讲绪论•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、显示的学科。–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清华大学计算机科学与技术系计算机图形学1计算机图形学的研究内容•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。–图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算

法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•图形与图象–图象纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息。–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。–图形主要分为两类•基于线条信息表示•明暗图(Shading)清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•图形学与CAD–1962年，MIT林肯实验室,I.E.Sutherland“Sketchpad：一个

人机交互通信的图形系统”–Coons,“CAD”的概念，Coons曲面，Coons奖•图形学与模式识别•图形学与视觉–基于图像的绘制–基于视频的绘制清华大学计算机科学与技术系计算机图形学2计算机图形学的发展历史•

50年代–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（WhirlwindI）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。清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•60年代–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。•提出图形学的概念，成就“图形学之父”的英名•获“图灵”奖IEEE计算

机杰出成就奖Coons奖清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•I.E.Sutherland，38年生，美国人，CMU学士、Catech硕士、MIT博士，59年博士毕业，参军，26岁担任国防部高级研究计划署（DARPA）信息处理技术局局长(仅中尉衔)，该局曾组织Internet前身ARPANet

等重大项目。1964年起，先后在哈佛、Utah、Catech工作。•为博士论文答辩，制作一部电影，答辩时，边放映，边见解，大获成功，该电影广为流传。(PPT?)清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–1962年，雷诺汽车公司的工程师PierreBézier提出Bézier曲线、

曲面的理论，而成为CAGD的先驱。•Bezier与deCasteljau•Beizer的“天上掉下来”－到Forrest的“蓦然回首”–1964年MIT的教授StevenA.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。•58年提出“CAD”概念•图形学最高奖以他名字命名。清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•70年代–光栅图形学迅速发展•区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生–图

形软件标准化•1974年，ACMSIGGRAPH的与ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统”（CoreGraphicsSystem）•ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–真实感图形学•1970年，Bou

knight提出了第一个光反射模型•1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，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小组的Bu

ild系统•美国罗彻斯特大学的PADL-1系统清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•80年代–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•Greenberg-Nishita–图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•ACMSIGGRAPH会议小知识–全称“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsa

ndInteractiveTechniques”–60年代中期，由Brown大学的教授AndriesvanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa发起–1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH年会，并取得了巨大的成功http://www.siggr

aph.org清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•图形学的杂志和会议–会议：Siggraph，Eurograph，PacificGraphicsComputerGraphicsInternational，GraphicsI

nterface–杂志:ACMTransactiononGraphicsIEEEComputerGraphicsandApplicationIEEEVisualizationandComputerGraphicsGraphicalModel

sComputerGraphicsForumTheVisualComputer清华大学计算机科学与技术系计算机图形学3计算机图形学的应用及研究前沿•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–真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状，光

学性质，表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置，遮挡关系等等。清华大学计算机科学与技术系计算机图形学经典的真实感图形学–光照模型•简单光照模型•局部光照模型•整体光照模型–绘制方法•光线跟踪•辐射度–

加速算法及其他•包围体树、自适应八叉树等•阴影算法、纹理合成清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–基于多层阴影翼的软影绘制清华大学计算机科学与技术系计算机图形学研究热点–真实感图形实时绘制•物体网格模型的面片简化，LOD,Occlusionculling–吴建华

的牛头清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•基于图象的绘制、基于Vedio绘制–画中游画中游http://koigakubo.hitachi.co.jp/little/DL_TipE.htmlVideofromHKUST:http://www.cs.ust.hk/~cpeg

nel/glTIP/intro.html清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–野外自然景物的模拟：山、水、云、树、草、火等清华山水1999清华大学计算机科学与技术系计算机图形学Xfrog3.0生成的挪威云杉清华大学计算机科学与技术系

计算机图形学王希的树皮(Siggraph2003)清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–基于物理的光照Physically-BasedRenderingofGemstones(SIGGRAPH2004)清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–大规模复杂场景的

点绘制清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•计算机动画•二维动画–图象变形–形状混合•三维动画–关键帧动画–变形物体的动画–过程动画–关节动画与人体动画–基于视频(Video)的动画清华大学计算机科学与技术系计算机图形学基于特征的图象变形（猫变虎）清

华大学计算机科学与技术系计算机图形学由三维FFD操作得到的鱼的变形图清华大学计算机科学与技术系计算机图形学基于连续力学的变形(1)清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•智能生命之人工鱼清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•基于video的动画清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•几何处理–几

何纹理的迁移与合成–多片注册–T样条拟合–分割清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–几何纹理的迁移与合成清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•注册–Descriptionofregistration：Findanoptimalrigidbodymotionthatalignsamovingsu

rfacemodeltoafixedsurfacemodel.清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–N-system注册–PublishedinIJCV清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•Resultsofmulti-Viewregistration清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•

特征敏感的几何处理清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•特征敏感的几何处理：编辑清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•网格到T样条的转换清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•网格分割清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•非真实感绘制（Non-Photorealistic

Rendering）GeorgesWinkenb1ach绘制的壶和碗(Siggraph’96)清华大学计算机科学与技术系计算机图形学Salisbury绘制的熊(Siggraph’97)清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•C

AD/CAM清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•可视化与可视计算–海量的数据的图形表示–1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化（VisualizationinScientificomputing）”科学计算可视化广泛应用于医学、

流体力学、有限元分析、气象分析当中–在医学领域：机械手术和远程手术，医用CT扫描数据的三维重建，基于CT数据的人体内漫游清华大学计算机科学与技术系计算机图形学4图形设备•图形显示设备–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第一周课外选读内容清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•彩色CRT显示器–CRT（CRTCathode－RayTube，阴极射线管）–组成•电子枪•聚焦系统•加速系统•磁偏转系

统清华大学计算机科学与技术系计算机图形学电子枪聚焦系统加速系统磁偏转系统加热灯丝金属阴极电平控制器水平偏转板垂直偏转板电子束荧光屏CRT显示器的简易结构图清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–工作原理•高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、加速系统和磁偏转系统就会到达荧光屏的特定位置。由

于荧光物质在高速电子的轰击下会发生电子跃迁，即电子吸收到能量从低能态变为高能态。由于高能态很不稳定，在很短的时间内荧光物质的电子会从高能态重新回到低能态，这时将发出荧光，屏幕上的那一点就会亮了•要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束清华大学计算机

科学与技术系计算机图形学•电平控制器是用来控制电子束的强弱的，当加上正电压时，电子束就会大量通过，将会在屏幕上形成较亮的点，当控制电平加上负电压时，依据所加电压的大小，电子束被部分或全部阻截，通过的电子很少，屏幕上的点也就比较暗•聚焦系统是一个电透镜，能使众多的电子聚集于

一点•加速阳极使电子达到轰击激发荧光屏应有的速度。最后由磁偏转系统来达到指定位置清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角•CRT显示器屏幕越大整个

显象管就越长–刷新频率•刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程•刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示•隔行扫描与逐行扫描清华大学计算机科学与技术系计算机图形学电子束扫描过程示意图扫描线水平回扫0123456垂直回扫清华大学计算机科

学与技术系计算机图形学–彩色CRT显示器显示彩色的原理•彩色CRT显示器的荧光屏上涂有三种荧光物质，它们分别能发红、绿、兰三种颜色的光。而电子枪也发出三束电子束来激发这三种物质，中间通过一个控制栅格来决定三束电子到达

的位置•三束电子经过荫罩的选择，分别到达三个荧光点的位置。通过控制三个电子束的强弱就能控制屏幕上点的颜色清华大学计算机科学与技术系计算机图形学荫罩兰红绿兰红绿电子枪屏幕荧光点荫罩式彩色CRT显色原理清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–球面显示器与柱面显

示器•普通的显象管采用的都是荫罩式显象管，显象管的表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球面管”。而柱面显象管采用荫栅式结构，它的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上却是笔直的，呈圆柱状，故称之为“柱

面管”•常用的荫栅式显象管有日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）清华大学计算机科学与技术系计算机图形学RGB红绿兰荫栅荧光屏荫栅式彩色CRT显色原理清华大学计算机科学与技术系计算机图形学RGGBB0.25mmd=0.28mm0.22mm0

.31mmRGBG点距为.25的柱面显示器点距为.28的球面显示器柱面和球面显示器点距定义示意图清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•LCD显示器–CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展•屏幕

的加大必然导致显象管的加长，显示器的体积必然要加大，在使用时候就会受到空间的限制•CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，容易受电磁波干扰•长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–LCD显示器的优点•外观小巧

精致，厚度只有6.5~8cm左右。•不会产生CRT那样的因为刷新频率低而出现的闪烁现象•工作电压低，功耗小，节约能源•没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响清华大学计算机科学与技术系计算机图形学索尼公司的两款LCD外形清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–LCD显示器基本原理•液晶

是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它具有液体的流态性质和固体的光学性质。当液晶受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而发生形变，此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩•液晶屏幕后面有一个背光，这个光

源先穿过第一层偏光板，再来到液晶体上，而当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变，从液晶体射出来的光线，还得必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•液晶显示有主动式和被动式两种–被动式液晶屏幕有STN（SuperTN超扭曲向列LCD

）和DSTN（DoublelayerSuperTN双层超扭曲向列LCD）等–最流行的主动式液晶屏幕是TFT（ThinFilmTransistor薄膜晶体管）–主动式液晶显示器使用了FET场效晶体管以及共通电极，这样可以让液晶体在下一次的电压改变前一直保持电位状态。这样主动式液晶显示器就不会产

生在被动式液晶显示器中常见的鬼影、或是画面延迟的残像等清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–LCD显示器的基本指标•可视角度–视线与屏幕中心法向成一定角度时，人们就不能清晰地看到屏幕图象，而那个能看到清晰图象的最大角度被我们称为可视角度。一般所说的可视角度是指左右两边的最大角度相加。工业上有C

R10（ContrastRatio）、CR5两种标准来判断液晶显示器的可视角度清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•点距与分辨率–液晶屏幕的点距就是两个液晶颗粒（光点）之间的距离，一般0.28~0.32mm就能得到较好的显示效果–通常所说的液晶显示器的分辨率是指其真实分辨率，表

示水平方向的像素点数与垂直方向的像素点数的乘积清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•图形处理器•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•早期的图形处理器只包含简单的存储器和帧缓冲区，它们实际上只起了一个图形的存储和传递作用，一切操作都必须有CPU来控制

•现在的图形处理器不单单存储图形，而且能完成大部分图形函数，专业的图形卡已经具有很强的3D处理能力，大大减轻了CPU的负担,提高了显示质量和显示速度清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–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清华大学计算机科学与技术系计算机图形学显存模拟信号输出主

芯片计算机控制信号RAMDAC显卡工作原理简单示意图清华大学计算机科学与技术系计算机图形学•图形输入设备–最常用的图形输入设备就是基本的计算机输入设备——键盘和鼠标–跟踪球和空间球都是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。数据手套则是通过

传感器和天线来获得和发送手指的位置和方向的信息。这几种输入设备在虚拟现实场景的构造和漫游中特别有用清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–光笔是一种检测光的装置，它直接在屏幕上操作，拾取位置•光笔的形状和大小象一支圆珠笔，笔尖处开有一个圆孔，让荧光屏的光通

过这个孔进入光笔。光笔的头部有一组透镜，把所收集的光聚集至光导纤维的一个端面上，光导纤维再把光引至光笔另一端的光电倍增管，从而将光信号转换成电信号，经过整形后输出一个有合适信噪比的逻辑电平，并作为中断信号送

给计算机清华大学计算机科学与技术系计算机图形学光笔结构示意图输出信号光导纤维透镜组导线笔体光孔触钮开关光电转换放大整形开关电路清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–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清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–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（CCDCharg

eCoupledDevice）•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，最终输入到计算机清华大学计算机科学与技术系计算机图形学扫描仪的模块框图原稿荧

光灯电源CCD驱动器信号处理机控制器步进电机驱动电源存储器微机系统输出接口步进电机透镜＋5V－5V＋12V－12V～220V荧光灯清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–真实物体的三维信息的输入•在实际的产生过程中许多零件和样板

要进行大规模的生产就必须在计算机中生成三维实体模型，有时这个模型要通过已有的实物零件得到，这时候就需要一种设备来采集实物表面各个点的位置信息•一般的方法是通过激光扫描来实现，现在国外已经有许多这样的商业仪器•这项技术的一个应用就是扫描保存古代名贵的雕塑和

其它艺术品的三维信息清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–美国斯坦福大学计算机系的著名图形学专家MarcLevoy曾经带领他的30人的工作小组（包括美国斯坦福大学及美国华盛顿大学的教师和学生）于1998～1999学年专门在意大利对文艺复兴时代的雕刻大师米开朗基罗的众多艺术品进行扫描，保存其形

状和面片信息。他们为此专门设计了一套硬件和软件系统。数据量也是惊人的，光大卫像（theDavid）就有20亿个多边形和7000张彩色图象，总共需要72G的磁盘容量。清华大学计算机科学与技术系计算机图形学4本课程的主要内容•绪论•光栅图形学–扫描转换、裁减、反走样、消影•几何造型–曲线曲面造型、实体

造型•真实感图形学–Phong模型、光线跟踪、辐射度算法清华大学计算机科学与技术系计算机图形学5课程考核方式–作业20%–上机20%–考试60%清华大学计算机科学与技术系计算机图形学–可替代考试之大作业：实现以下之一：•光线跟踪及八叉树加速•

Warnack消隐•区间扫描线算法•B-样条曲线：求值、求切向及曲率圆、升阶、插节点、延伸。第十周之前报名清华大学计算机科学与技术系计算机图形学谢谢您选择图形学！