XJTUSE计算机图形学总结笔记

时间：2022-08-26 23:30:00 数字传感器cz 转角传感器装夹不紧 950h精密直线位移传感器 3005na接近开关传感器 3176b1加速计传感器彩色感光剂膜厚传感器

文章目录

XJTUSE计算机图形学总结笔记笔记
- 第一章绪论
- - 研究内容
  - - 图形系统的主要任务
    - 计算机图形学研究对象
    - 图形的要素【填空题】
    - 图形图像表示法
    - 图形研究的例子
    - 相关学科
  - 发展历史
  - - 历史追溯
    - 硬件发展
    - 计算机图形学的应用
  - 目前的研究动态
  - 图形设备
  - - 图形输出设备
    - - 图形显示
      - 彩色CRT显示器
        
        球面显示器和柱面显示器
        
        LCD(Liquid Crystal Display)显示器
        
        LED（Light Emitting Diode）显示器
      - 图形绘制
      - 打印机重点
    - 图形处理器
    - 图形输入设备
- 第二章光栅图形学
- - 基本概念
  - 直线段扫描转换算法
  - - 数值微分(DDA)法
    - - 增量算法
    - 中点画线法[重点]
    - Bresenham算法[重点很有可能会考]
    - 总结
  - 圆弧扫描转换算法
  - - 圆弧扫描算法
    - 角度DDA法
    - 中点画圆法
  - 多边形扫描转换和区域填充
  - - 扫描算法需要完全掌握
    - - 基本思想
      - 数据结构掌握
      - 交点的取舍
      - 算法过程
      - 示例
    - 边界标志算法理解
    - - 基本思想
      - 实现步骤
    - 区域填充算法理解
    - - 种子填充算法
      - 扫描线算法
  - 字符
  - - 点阵字符
    - 矢量字符
  - 裁剪
  - - 直线段裁剪
    - - 直接求交算法
      - Cohen-Sutherland裁剪
      - 基本思想
        
        法则
        
        优点
        
        缺点
      - 切割中点算法
      - 算法特点
      - 梁友栋－Barsky算法
      - 特点
      - Nicholls-Lee-Nicholl算法[考试不要求]
      - 总结
    - 多边形裁剪
    - - 逐边裁剪算法
    - 字符剪裁填空题
  - 反向走样重点
  - - 提高分辨率
    - 区域采样
    - 加权区取样
    - 半色调技术
  - 消隐
  - - 基本概念
    - 常见的提高消隐算法效率的方法
    - - 利用连贯性
      - 包围盒技术
      - 背面剔除
      - 空间分割技术
      - 物体分层表示
    - 消隐的分类
    - - 根据消隐对象和输出结果进行分类
      - 根据消隐空间进行分类
    - 消除隐藏线
    - 消除隐藏面(考题不好)
    - - 画家算法
      - Z缓冲区算法
      - 扫描线Z-buffer算法[了解]
      - 区间扫描线算法
      - 区域子分割算法
      - 光投射算法
- 第三章-参数曲线和曲面
- - 表示曲线曲面参数
  - - 非参数表示
    - 参数表示
  - 曲线的基本概念
  - 插值、拟合和光顺(掌握概念)
  - 参数化
  - - 概念
    - 常用的参数化方法
    - 规范参数区间
  - 参数曲线的代数和几何形式(了解)
  - - 代数形式
    - 几何形式
  - 连续性
  - - 引进几何连续的重要性
    - 举例说明
  - 参数曲面基本概念
- 第三章—Bezier 曲线与曲面(11分)
- - Bezier 曲线的定义与性质
  - - 定义
    - 习题
    - Bernstein基函数性质
    - Bezier曲线的性质(选择)
    - 矩阵表示形式
  - Bezier曲线的递推算法(必考)
  - - 算法原理
    - 习题举例
  - Bezier曲线的拼接(了解)
  - Bezier曲线的升阶与降阶（考过了）
  - - Bezier曲线的升阶
    - - 定义
      - 新控制顶点的计算
      - 题目
    - Bezier曲线的降阶
    - - 新控制点的计算
  - Bezier曲面(不考)
  - - 定义
    - 性质
    - 曲面的拼接
    - 递推算法
- 第三章——B样条曲线与曲面
- - B样条的递推定义与性质
  - - 基本概念
    - 定义
    - de Boor-Cox递推定义
    - 特殊观察
    - 性质
    - B样条曲线类型的划分
  - B样条曲线的性质
  - - 局部性
    - 开曲线定义域
    - 凸包性
    - 贝塞尔曲线是B样条曲线的特例
    - 分段参数多项式
    - 连续性
    - 导数公式
    - 变差缩减性
    - 仿射不变性
    - 几何不变性
    - 直线保持性
    - 习题
  - De Door算法（了解）
  - 三次B样条的Bezier表示（了解）
  - 节点插入算法
  - B样条曲线的优点
  - B样条曲面
- 第四章——真实感图形学
- 第四章——颜色视觉
- - 基本概念
  - - 光源(了解)
    - 颜色类型
    - 颜色的属性
    - 颜色的三个视觉特性(心理学属性）——HSV
    - 颜色的物理特性
    - 色调
    - 色调环
    - 辨认阈限
    - 亮度
    - 饱和度
    - 颜色三属性的相互关系
    - 颜色纺锤体
    - 光的物理知识
  - 颜色视觉理论
  - - 三色学说
    - 四色学说
    - 现代阶段学说
    - 色光混合定律
    - 几种颜色视觉现象
  - CIE色度图(了解)
  - - RGB系统
    - XYZ系统
    - 色度图
  - 常用颜色模型
  - - 两种原色混合系统
    - RGB颜色模型
    - CMY颜色模型
    - HSV颜色模型
- 第四章——简单光照明模型
- - 相关物理知识
  - - 光的传播
    - 光的度量
  - Phong光照明模型
  - - 理想漫反射
    - 镜面反射光
    - 环境光
  - 增量式光照明模型
  - - Gouraud双线性光强插值
    - - 顶点的计算
      - 顶点平均光强计算
      - 增量算法
    - Phong双线性法向插值
    - 两种模型的评价
  - 阴影
  - - 相关术语
    - Hard 阴影 vs Soft阴影
    - 阴影分类
    - - 自身阴影
      - 投影阴影
      - 经典的三种本影阴影方法
- 第四章——纹理和纹理映射
- - 纹理概述
  - 二维纹理映射
  - - 定义方法
    - 合成纹理
    - 映射
    - - 圆柱面映射
      - 球面映射
    - 滤波
  - 几何纹理

XJTUSE计算机图形学总结笔记

第一章绪论

研究内容

图形系统的主要任务

利用计算机来显示、生成和处理图形。

建模(Modeling)

几何处理(Geometric Processing)

光栅化(Rasterization)：三维物体二维表示

片元处理(Fragment Processing)：对逐个像素进行处理

计算机图形学的研究对象

能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象

包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描述的图形等等

图形的要素【填空题】

几何要素：刻画对象的轮廓、形状等

非几何要素：刻画对象的颜色、材质等

图形图像表示法

1️⃣ 点阵表示：点阵图

枚举出图形中所有的点,简称为图像(Image)。

2️⃣ 参数表示：矢量图

由图形的形状参数(方程或分析表达式的系数,线段的端点坐标等)+属性参数(颜色、线型等)来表示,简称为图形(Graphics)。

图像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。

一类是基于线条信息表示的，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等；

另一类是真实感图形（明暗图）

图形研究例子

图形的输入：如何开发利用图形输入设备及软件将图形输入到计算机中去，以便作各种处理

图形的处理：

几何变换平移,缩放,旋转……

投影变换平行投影,透视投影

运算（集合运算）交,并,差… 着色形变……

图形的输出: 将图形特定的表示形式转换成图形输出系统便于接受的表示形式，并将图形在显示屏或打印机等输出设备上输出。

发展历史

历史追溯

1950年，MIT，旋风一号(Whirlwind I)计算机图形显示器，类似于示波器的CRT来显示简单图形

CRT的出现为计算机生成和显示图形提供了可能

50年代末期，MIT林肯实验室，在Whirlwind上开发SAGE空中防御系统，通过光笔在屏幕上指点与系统交互

标志着交互式图形技术的诞生

1962年MIT林肯室验室Ivan.E.Sutherland的博士论文：Sketchpad：一个人机通信的图形系统。该系统确定了交互图形学作为一个学科分支

60年代：MIT、Bell Lab、通用汽车公司、剑桥大学开展大规模的研究

70年代进入技术实用化

80年代初，图形学依然是较小的学科，原因是图形硬件设备十分昂贵，且基于图形的应用相对较少

80年代中期以来，超大规模集成电路的发展，为图形学的飞速发展奠定了基础

硬件发展

图形显示器的发展

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

软件发展及软件标准

三种类型的计算机图形软件系统：

1️⃣ 用某种语言写成的子程序包

如:GKS (Graphics Kernel System) ,OpenGL

便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低

2️⃣ 扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理功能

如：Turbo Pascal、Turbo C，AutoLisp等。

简练、紧凑、执行速度快，但不可移植

3️⃣ 专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差

通用标准：GKS (第一个官方标准，1977)、PHIGS

事实标准：DirectX (MS)、OpenGL(SGI)、Adobe公司Postscript

计算机图形学的应用

早期的计算机动画：基于“关键帧”的动画

基于特征的动画

基于变形物体的动画

最新：基于物理模型的计算机动画生成方法

运用弹性和流体力学的物理方程进行计算，力求

使动画过程最体现出最符合真实世界的运动规律：关节动画与人体动画

当前研究动态

真实感图形实时绘制

自然景物模拟

造型技术

几何处理

图形学的杂志和会议

会议：

Siggraph， Eurograph，Asiagraph
IEEE Virtual Reality
IEEE Visualization Conference

杂志

ACM Transaction on Graphics
IEEE Computer Graphics and Application
IEEE Visualization and Computer Graphics
IEEE T. on Visualization and Computer Graphics
Graphical Models
Computer Graphics Forum
The Visual Computer

图形设备

图形输出设备

图形输出包括图形的显示和图形的绘制

图形显示

彩色CRT显示器

CRT（CRT Cathode－Ray Tube，阴极射线管）组成：

电子枪、聚焦系统、加速系统、荧光屏磁偏转系统

工作原理：荧光物质在高速电子的轰击下会发生电子跃迁（低能态到高能态），高能态很不稳定，返回低能态，发出荧光。

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

球面显示器与柱面显示器

球面管：**荫罩式结构，**呈略微凸起的球面状；

柱面管：**荫栅式结构，**在水平方向略微凸起，在垂直方向上却是笔直的，呈圆柱状（色彩鲜艳）

LCD(Liquid Crystal Display)显示器

使用液晶：液晶受到电压的影响时，改变物理性质而发生形变，通过它的光的折射角度就会发生变化

LED（Light Emitting Diode）显示器

点亮(不同电压，不同灰度)，低电压维持。由细小氖气灯泡矩阵组成，由于氖泡有两种状态：开启、关闭，且状态可保持。高电压

有记忆功能，无需“刷新”、可动态修改图形

图形绘制

打印机【重点】

1️⃣ 针式打印机：依靠打印针击打色带在打印介质上形成色点的组合来实现规定字符和图像（24针）

控制驱动电路：

微处理器：处理打印命令，寻址，读取编码

ROM存储器：存储管理程序、字符库和汉字库

RAM存储器：需要打印的内容

2️⃣ 喷墨打印机：打印头上的喷口将墨滴按特定的方式喷到打印介质上形成文字或图像, 分为热汽泡式和压电式

打印质量较好、噪音低、较易实现低成本彩色打印等优点，适合于家用打印机领域

连续喷墨(喷绘机)、随机喷墨（用的比较多）

三色混合所产生的黑色是不纯的，为了产生真正的黑色需加入了第四种颜色的墨水-K。

3️⃣ 激光打印机：采用电子成像技术，激光束扫描感光鼓，将墨粉吸附到感光区域，再将墨粉转印到打印介质上，最后通过加热装置将墨粉熔化固定到打印介质上

光、机、电一体化的精密设备，结构比较复杂

电荷“同性相吸”的现像被用作一种“临时性的粘合剂”：墨粉带正电荷，纸张和硒鼓带负电，而且纸张的电荷更大

核心：电子成像，融合了影像学与电子学的原理和技术以生成图像，核心部件是可以感光的感光鼓

图形处理器

图形系统结构的重要元件，连接计算机和显示终端的纽带

早期只包含简单的存储器和帧缓冲区，起了图形的存储和传递作用，操作须有CPU来控制

当前不仅存储图形，且能完成大部分图形函数，专业的图形卡已具有很强的3D处理能力，减轻了CPU的负担，提高了显示质量和显示速度

显示主芯片（ GPU ）：对系统输入的视频信息进行构建和渲染

显示缓存：存储将要显示的图形信息及保存图形运算的中间数据；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：把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号

图形输入设备

最常用最基本的计算机输入设备——键盘和鼠标

跟踪球和空间球：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：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

第二章光栅图形学

基本概念

扫描转换（光栅化）：确定最佳逼近图形的像素几何，并用指定属性写像素的过程

区域填充：光栅化过程中确定区域对应的像素集，并用指定的属性或图案显示

裁减：确定一个图形的哪部分在窗口内显示

走样：由于显示器的空间分辨率有限，因像素逼近误差，使所画图形产生畸变（台阶、锯齿）的现象

反走样：减少或消除走样的技术：硬件、软件的方法

隐藏部分：当不透光的物体遮挡了来自某些物体部分的光线，使其无法到达观察者

消隐：把隐藏的部分从图中删除，消除歧义性

直线段的扫描转换算法

直线的扫描转换: 确定最佳逼近于直线的一组象素，且按扫描线顺序，对这些象素进行写操作

数值微分(DDA)法

已知过端点 $P_0(x_0,y_0),P_1(x_1,y_1)$ 的直线段L： $y = k x + b$ 直线斜率为
$k=\frac{y_1-y_0}{x_1-x_0}$
从 $x$ 的左端点 $x_0$ 开始，向 $x$ 右端点步进。步长=1(个象素)，计算相应的y坐标 $y = k x + b$ ；取象素点(x, round(y)) 作为当前点的坐标

方法直观，效率低

作为最底层的光栅图形算法，在通常的CAD/图形系统中，会被大量应用

由此出发，导致增量算法的思想

增量算法

在一个迭代算法中，每一步的x、y值是用前一步的值加上一个增量来获得
$计算y_{i+1}=kx_{i+1}+b=kx_i+b+k\Delta x=y_i+k\Delta x\\ 当\Delta x=1时: y_{i+1}=y_i+k$
当x每递增1，y递增k(即直线斜率)；

由此注意上述分析的算法仅适用于|k| ≤1的情形。在这种情况下，x每增加1，y最多增加1

当 |k| >1时，必须把x，y位置互换

void DDALine(int x0,int y0,int x1,int y1,int color)     { 
                   int x；								float dx, dy, y, k;							dx= x1-x0, dy=y1-y0;					   	k=dy/dx, y=y0;	 					   	for (x=x0; x<=x1, x++)					   	{ 
        drawpixel (x, int(y+0.5), color);		   	   y=y+k;     }}

在此算法中，y、k必须是float，且每一步都必须对y进行舍入取整，不利于硬件实现

中点画线法[重点]

将一个加法改为一个整数加法

基本思想

对于理想直线 $L(p_0(x_0,y_0),p_1(x_1,y_1))$ ,采用直线 $F (x, y) = a x + b y + c = 0$ 表示。其中 $a=y_0-y_1, b=x_1-x_0, c=x_0y_1-x_1y_0$

当前象素点为$(x_p, y_p) $，下一个象素点为$ P_1$ 或 $P_2$

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