计算机图形学1——绪论
bingxuelengmei 2019-11-06
第一讲 绪论
一、图形学的概念
计算机图形学：计算机图形学（CG，Computer Graphics）是研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。
能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象称为图形。eg：自然景物 图片、照片 工程图 美术绘图 数学方程描述的图形。
图形的要素：图形=图+形 形（几何要素）：点、线、面、体 图（非几何要素）：颜色、亮度
计算机图形学研究的图形对象：从客观世界物体中抽象出来的颜色(图)及形状（形）信息。
图形在计算机中的表示方法：
点阵法：用枚举出图形中所有的点来表示图形，强调图形由哪些点组成，这些点具有什么样的色彩。通常把点阵法描述的图形叫做图像（Image）。
参数法：用图形的形状参数与属性参数来表示图形的一种方法。一个直线段：1起点和终点的坐标 2线段的宽度 3线段的颜色
计算机图形学研究对象是参数法表示的图形，称为图形（Graphics）。
二、计算机图形学的应用
计算机图形学的应用领域：
工业领域（Computer Aided Design，CAD）
商业娱乐领域（电影游戏动画）
军事领域（虚拟现实与仿真等）
科学领域（科学数据可视化等）
三、计算机图形学的内容
几何建模：三维模型在计算机中的表示
真实感绘制技术：从数据模型（几何模型）出发，生成逼真的图片
计算机图形学与相关学科的关系：
计算机图形学（CG）：从数据/几何模型生成（逼真的）图像
图像处理（Digital Image Processing）：对图像进行各种加工处理
计算机视觉（Computer Vision）：分析和识别数字图像，并从中提取出二维或三维的数据模型（特征）
集合处理（Geometric Processing）：对几何模型进行加工处理
四、计算机图形学的发展
图形学的重要特征：
计算机应用学科中发展最快、应用最广的学科之一
以硬件设备发展为基础，以应用需求为巨大驱动力，相互促进相互影响。
以应用带动学科的发展（具有生命力的特征）
计算机图形学会议和期刊:
Symposium on Interactive 3D Graphics and Games
EuroGraphics(欧洲图形学大会)
Pacific Graphics
Eurographics Symposium on Rendering
Eurographics Symposium on Geometry
Processing
Shape Modeling International
Geometric Modeling and Processing
SIGGRAPH
SIGGRAPH ASIA
ACM Transactions on Graphics
IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics
IEEE Computer Graphics and Applications
Computer Aided Geometric Design
Computer-Aided Design
Computer Graphics Forum
The Visual Computer
Computers & Graphics
第二讲 计算机图形系统
一、计算机图形系统
一个交互式计算机图形系统应具有计算、存储、交互、输入和输出等五种基本功能。
图形系统的功能：
图形系统的结构：
二、图形硬件系统
1、输入设备：将图形数据及命令等转换成电信号，并传递给计算机。
图形输入设备的发展：
第一阶段：控制开关、穿孔纸等等
第二阶段：键盘
第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音
第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等
第五阶段：用户的思维
键盘：键盘用来进行屏幕坐标的输入、菜单选择、图形功能选择，以及输入那些如辅助图形显示的图片标记等非图形数据
鼠标：推动鼠标器在平面上移动时，鼠标将记录移动的方向和距离。这个方向和距离被传送给计算机，转换成对应的光标的位移。
触摸屏：用手指或者小杆触摸屏幕。触点位置以光学的（红外线式触摸屏）、电子的（电阻式触摸屏和电容式触摸屏）或声音的（声音探测式）方式记录下来。
操纵杆：由一根小的垂直杠杆组成的可摇动装置，该杠杆装配在一个其四周可移动的底座上。控制屏幕光标。
跟踪球：球转动时送出相应的x方向与y方向的编码。控制屏幕上的光标随球的移动方向移动。
数据手套：戴在手上的传感器，由一系列检测手和手指运动的传感器构成。提供关于手的位置和方向的信息。
手写板：用于文字、符号、图形等输入。可提供光标定位功能。手写板可以同时替代键盘与鼠标，成为一种独立的输入工具。
图像扫描仪：图像扫描仪直接把图纸、图表、照片、广告画等输入到计算机中，在将它们传过一个光学扫描机构时，灰度或彩色等级被记录下来，并按图像方式进行存储。
摄像头：获取图像或视频，通过模式识别技术得到用户的指示信息。
麦克风：输入声音，通过语音识别技术获取用户的指示信息。
脑机接口：
侵入式：接口通常直接植入到大脑的灰质，因而获取的神经信号质量比较高。缺点是容易引发免疫反应和愈伤组织。（灰质是一种神经组织，是中枢神经的重要组成部分。灰质由神经元，神经胶质细胞，微血管组成。）
部分侵入式：Neuralink。接口一般植入到颅腔内，位于灰质外，其空间分辨率不如侵入式脑机接口，但是优于非侵入式；引发免疫反应和愈伤组织的几率较小。eg：实验鼠头上的USB-C接口，通过上千的电极接入老鼠的大脑。
非侵入式：神经成像术、脑电图、核磁共振技术。
激光扫描设备：通过已有的实物零件得到计算表示的三维实体模型/一种设备来采集实物表面各个点的位置信息/得到空间点集
2、显示设备
图形显示设备的发展
矢量显示器/随机扫描显示器：60年代中后期出现，只能绘制线条，任意方向连续扫描。
存储管式显示器：60年代末期，具有内在的存储部件，生成静态图像。
刷新式光栅扫描显示器：70年代初，以点阵形式表示图形。点阵存放在专用缓存区中，由视频控制器负责扫描，显示图形。
平板显示器（液晶显示器，等离子显示器）
矢量显示器：电子束沿着要绘制的图形移动
光栅扫描显示器：电子束从左至右，从上至下进行移动，与电视工作原理类似。
抽象表示：像素阵列
显示图形：几何属性+视觉属性，真实感图形。
阴极射线管（CRT）图形显示器：CRT（Cathode Ray Tube）是一种真空器件，它利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置轰击屏幕表面的荧光材料而产生可见图形。
CRT从结构上分为：电子枪（阴极，栅极，聚焦极、加速极）、聚焦系统、偏转系统、荧光屏。
彩色CRT显示器：利用三基色原理（R，G，B），三色荧光屏，电子束的强度控制三基色的亮度。混合形成彩色图像。（主要结构：三色荧光屏，三只电子枪， 荫罩板）
图形显示子系统：显示器由图形显示子系统中的显示控制部件进行控制，这里介绍光栅扫描显示器的图形显示子系统（帧缓冲存储器，显示控制器（视频控制器））。
帧缓冲存储器：用来存储像素颜色（灰度）值的存储器。
双缓存：一个缓存用来刷新显示器，同时，另一个缓存写入像素信息，然后这两个缓存互换角色；使得显示的动画流畅而没有滑动感。
扫描转换过程：像素信息从应用程序转换并放入帧缓冲区的过程。
分辨率：屏幕分辨率：也称为光栅分辨率，它决定了显示系统最大可能的分辨率。通常用水平方向上的光点数与垂直方向上的光点数的乘积来表示。
显示分辨率
存贮分辨率：帧缓存的大小，与显示分辨率和像素点的色彩有关。
像素点存储在帧缓存中的方法：
组合像素法（Packed Pixel Method）
颜色位面法（Color Plane Method）在颜色位面法中，帧缓存被分成若干独立的存储区域，每一个区域称为一个位面（Bit Plane）；每一个象素点在每个位面中占一位，通过几个位面中的同一位组合成一个象素的颜色（灰度）信息。
真彩色:显示系统可同时产生2^24种颜色；每个像素需要24位(每种基色占8位)。
显示控制器（视频控制器）：
显示控制器是显示子系统的心脏，完成图像的生成与操纵，独立于CPU。
主要功能是依据设定的显示方式，自主地、反复不断读取帧缓存中的图像点阵数据，转换为RGB三色信号传送至显示器，刷新屏幕。
建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应，负责刷新。 刷新周期开始，光栅扫描发生器置X地址寄存器为0，置Y地址寄存器为N-1，首先取出对应像素（0，N-1）,放入像素值寄存器，用来控制像素的颜色，然后X的地址寄存器的地址加1，……
高分辨率和真彩模式下，两个问题：
1）需要大容量帧缓存
2）要求视频控制器对帧缓存有较快的存取速率
解决办法：
1）采用查色表机制
2）采用隔行扫描方法
查色表机制
问题：假如帧缓存是8位，如何存储1000种颜色？
解决方法：
引入一个位数更长，单元数较少的存贮部件，即调色板；
帧缓存里存放调色板里单元的地址。
查色表（调色板）：
1. 一维线性表，每一项的内容对应一种颜色。
2. 查色表由高速的随机存储器组成。
3. 查色表中每个单元的位数一般大于帧缓存的位数。
帧缓冲存储器中每一象素对应单元的代码不再代表该象素的色彩值，而是作为查色表的地址索引。
目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下，具有大范围内挑选颜色的能力。
隔行扫描
一帧完整的画面分成两场，奇数场&偶数场。
帧缓存中数据量比逐行扫描少一半。
降低了视频控制器存取帧缓存的速度及传输带宽的要求。
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