計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 黃章進(jìn)zhuang@ustc.edu.cn第二章 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)2.1 圖形系統(tǒng)的組成2.2 輸出設(shè)備2.3 輸入設(shè)備2.4 成像模型2.5 渲染流水線(xiàn)2.6 圖形API2Sketchpad項(xiàng)目• Ivan Sutherland (MIT 1963年)建立了刻畫(huà)交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本框架：– 用戶(hù)在顯示器上看到一個(gè)對(duì)象(的圖像)– 用戶(hù)利用輸入設(shè)備(光筆、鼠標(biāo)、跟蹤球等)點(diǎn)選該對(duì)象– 對(duì)象發(fā)生改變(移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、變形等)– 重復(fù)上述過(guò)程圖形系統(tǒng)的主要元素• 輸入設(shè)備• 中央處理器（CPU）• 圖形處理器（GPU）• 存儲(chǔ)器• 幀緩沖區(qū)• 輸出設(shè)備4交互式圖形系統(tǒng)圖像在幀緩存形成輸入設(shè)備 輸出設(shè)備5像素與光柵• 現(xiàn)代圖形系統(tǒng)都是基于光柵的，在輸出設(shè)備上看到的圖像都是圖形元素組成的的陣列。• 像素（pixel=picture element）：圖像的基本單元• 光柵（raster）：像素的陣列6幀緩沖區(qū)• 幀緩沖區(qū)（frame buffer）：圖形系統(tǒng)的核心部件，存儲(chǔ)屏幕上像素的顏色信息• 分辨率（resolution）：幀緩沖區(qū)中像素的個(gè)數(shù)• 深度（depth）或精度（precision）：每個(gè)像素的位數(shù)– 全彩（真彩）色：24位， 224 種顏色。也稱(chēng)為RGB-顏色，每個(gè)像素被賦予紅、綠、藍(lán)三基色顏色組（各8位）7處理器• CPU (Central Processing Unit)• GPU (Graphics Processing Unit)• 處理由應(yīng)用程序生成的圖元(線(xiàn)段、圓和多邊形等）的屬性，并為幀緩沖區(qū)中的像素賦值• 光柵化或掃描轉(zhuǎn)換：幾何實(shí)體到幀緩沖區(qū)中像素的顏色和位置的轉(zhuǎn)換過(guò)程。8第二章 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)2.1 圖形系統(tǒng)的組成2.2 輸出設(shè)備2.3 輸入設(shè)備2.4 成像模型2.5 渲染流水線(xiàn)2.6 圖形API9輸出設(shè)備 • 顯示器 • 投影儀 • 繪圖儀 • 打印機(jī)10圖形顯示設(shè)備的發(fā)展• 60年代中期：畫(huà)線(xiàn)顯示器（亦稱(chēng)向量顯示器）– 需要刷新；設(shè)備昂貴，限制普及• 60年代后期：存儲(chǔ)管式顯示器– 不需刷新，價(jià)格較低，缺點(diǎn)是不具有動(dòng)態(tài)修改圖形功能，不適合交互• 70年代初，刷新式光柵掃描顯示器出現(xiàn)，大大地推動(dòng)了交互式圖形技術(shù)的發(fā)展– 以點(diǎn)陣形式表示圖形，使用專(zhuān)用的緩沖區(qū)存放點(diǎn)陣，由視頻控制器負(fù)責(zé)刷新掃描11圖形顯示設(shè)備 • 刷新式CRT – 光柵掃描顯示器 – 隨機(jī)掃描顯示器 – 彩色CRT顯示器 • 平板顯示器 – 發(fā)射顯示器 – 非發(fā)射顯示器 • 三維觀察設(shè)備12刷新式CRT• CRT(Cathode Ray Tube )：陰極射線(xiàn)管• 組成：包括電子槍、聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏• 工作原理：電子槍發(fā)射電子束，經(jīng)過(guò)聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，轟擊到熒光屏的不同部位，被其內(nèi)表面的熒光物質(zhì)吸收，發(fā)光產(chǎn)生可見(jiàn)的圖形13CRT顯示器• 余輝時(shí)間：從屏幕發(fā)光到衰減為其原亮度十分之一的時(shí)間• 刷新率：在屏幕上重復(fù)畫(huà)圖的頻率14光柵掃描顯示器• 基于電視技術(shù)• 電子束橫向掃描屏幕，一次一行，從頂?shù)降滓来芜M(jìn)行– 每一行稱(chēng)為一條掃描線(xiàn)(scan line)– 一次掃描所產(chǎn)生的圖像稱(chēng)為一幀(frame)• 圖形元素或像素(pixel, picture element)：每個(gè)可由電子束點(diǎn)亮的屏幕點(diǎn)• 圖形信息保存在刷新緩沖區(qū)或幀緩沖區(qū)– 每像素一位的幀緩沖區(qū)稱(chēng)為位圖(bitmap)– 每像素多位的幀緩沖區(qū)稱(chēng)為像素圖(pixmap)16光柵掃描顯示器17光柵掃描顯示器• 水平回掃：刷新每條掃描線(xiàn)后，電子束回到屏幕左端• 垂直回掃：在每幀的終止處，電子束返回到屏幕的左上角18隔行掃描• 可采用隔行刷新方式分兩次顯示每一幀19隨機(jī)掃描顯示器• 隨機(jī)掃描顯示器也稱(chēng)為向量顯示器、筆劃顯示器或筆跡顯示器• 電子束只在屏幕上顯示圖形的部分移動(dòng)• 電子束逐條地跟蹤圖形的組成線(xiàn)段，生成線(xiàn)框圖• 圖形的定義是存放在稱(chēng)為刷新顯示文件存儲(chǔ)區(qū)的一組畫(huà)線(xiàn)命令– 刷新顯示文件稱(chēng)為顯示列表、向量文件或顯示程序20隨機(jī)掃描顯示器21隨機(jī)掃描顯示器• 隨機(jī)掃描系統(tǒng)的刷新頻率依賴(lài)于顯示的線(xiàn)段數(shù)• 隨機(jī)掃描系統(tǒng)用于畫(huà)線(xiàn)應(yīng)用，不能顯示逼真的有陰影場(chǎng)景• 向量顯示器一般具有比光柵系統(tǒng)更高的分辨率• 向量顯示器生成光滑線(xiàn)條，而光柵系統(tǒng)生成鋸齒狀線(xiàn)條• 光柵系統(tǒng)以其靈活性和提高的畫(huà)線(xiàn)能力淘汰了向量技術(shù)22彩色CRT顯示器• 利用能發(fā)射不同顏色光的熒光層的組合來(lái)顯示彩色圖形• 電子束穿透法– 用于隨機(jī)掃描監(jiān)視器– 使用紅和綠兩層熒光層– 顏色由電子束在熒光層中的穿透深度決定• 紅、綠、橙、黃四色• 蔭罩法– 用在光柵掃描系統(tǒng)– 產(chǎn)生RGB顏色模型表示的彩色范圍23彩色蔭罩式CRT24平板顯示器• 平板顯示器相比CRT能減小體積、減輕重量并節(jié)省能耗• 分為兩類(lèi)– 發(fā)射顯示器• 將電能轉(zhuǎn)化為光能• 例如，等離子體顯示板、薄膜光電顯示器、發(fā)光二極管(LED)– 非發(fā)射顯示器• 利用光學(xué)效應(yīng)將來(lái)自其他光源的光轉(zhuǎn)換為圖形模式• 例如，液晶監(jiān)視器(LCD)26等離子體顯示板• 等離子體顯示板，也稱(chēng)為氣體放電顯示器– 通常將包含氖氣的混合氣體充入兩塊玻璃板之間的區(qū)域而構(gòu)成– 圖形信息存儲(chǔ)在刷新緩沖區(qū)中– 在成對(duì)的水平和垂直導(dǎo)電帶上施加點(diǎn)火電壓，激發(fā)交叉點(diǎn)處的氣體進(jìn)入發(fā)光的等離子態(tài)27等離子體顯示板28液晶顯示器• 液晶顯示器常用于小型系統(tǒng)– 通過(guò)能阻塞或傳遞光的液晶材料，傳遞來(lái)自周?chē)�的或�?nèi)部光源的偏振光– 液晶是指化合物具有晶狀結(jié)構(gòu)的分子，并可以像液體那樣流動(dòng)– 將電壓置于兩交叉導(dǎo)體，改變液晶分子的排列方向來(lái)允許/阻擋光線(xiàn)通過(guò)29液晶顯示器30顯示設(shè)備• 縱橫比或高寬比– 4:3 (1.33:1)– 16:9 (1.77:1)– 寬銀幕電影：1.85:1或2.39:1• 分辨率– VGA: 640x480– XGA: 1024x768– SXGA: 1280x1024– HDTV 720p: 1280x720– HDTV 1080p: 1920x1080– 4K: 4096x2160 or 3840x216031立體感• 為觀察者的每只眼睛給出不同的視圖來(lái)提供三維效果，從而使場(chǎng)景帶有深度– 偏光式、快門(mén)式32三維打印33第二章 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)2.1 圖形系統(tǒng)的組成2.2 輸出設(shè)備2.3 輸入設(shè)備2.4 成像模型2.5 渲染流水線(xiàn)2.6 圖形API34輸入設(shè)備• 第一階段：控制開(kāi)關(guān)、穿孔紙等• 第二階段：鍵盤(pán)• 第三階段：二維定位設(shè)備，如鼠標(biāo)、光筆、圖形輸入板、觸摸屏、語(yǔ)音等等• 第四階段：三維輸入設(shè)備（如空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣），用戶(hù)的手勢(shì)、表情等• 第五階段：用戶(hù)的思維35輸入設(shè)備• 二維– 鍵盤(pán)– 鼠標(biāo)– 數(shù)據(jù)板– 游戲桿• 三維– 三維空間球– 激光測(cè)距儀– 數(shù)據(jù)手套– 三維掃描儀、CT、MRI– Microsoft Kinect– Leap Motion36三維空間球Microsoft Kinects(2011)• 無(wú)接觸體感交互37Leap Motion (2013)• 無(wú)接觸手勢(shì)交互38第二章 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)2.1 圖形系統(tǒng)的組成2.2 輸出設(shè)備2.3 輸入設(shè)備2.4 成像模型2.5 渲染流水線(xiàn)2.6 圖形API39成像模型 • 物理成像系統(tǒng) – 人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng) – 針孔照相機(jī) • 虛擬照相機(jī)系統(tǒng) – 成像模型 – 全局和局部光照40物理圖像 --- 圖片• 二維格式• 物理成像系統(tǒng)– 照相機(jī)– 顯微鏡– 望遠(yuǎn)鏡– 人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)41計(jì)算機(jī)圖像 • 在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，圖像的生成過(guò)程完全類(lèi)似于照相機(jī)和人類(lèi)視覺(jué)等物理成像系統(tǒng)• 來(lái)源可以是不存在 的42對(duì)象(Object)• 物理成像系統(tǒng)：照相機(jī)等– 三維世界：人物、風(fēng)景等• 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)– 虛擬/人造對(duì)象：通過(guò)點(diǎn)、線(xiàn)和多邊形等幾何圖元來(lái)構(gòu)造對(duì)象43對(duì)象• 頂點(diǎn)(vertex)：空間中的位置• OpenGL等圖形系統(tǒng)用頂點(diǎn)的集合來(lái)定義或逼近對(duì)象– 直線(xiàn)：兩個(gè)端點(diǎn)– 多邊形：有序的頂點(diǎn)列表– 球面：球心和球面上一點(diǎn)• AutoCAD等系統(tǒng)提供圖形化界面來(lái)方便構(gòu)造現(xiàn)實(shí)世界的虛擬模型44觀察者(Viewer)• 觀察者觀察對(duì)象，生成對(duì)象的圖像– 人：成像在視網(wǎng)膜– 照相機(jī)：成像在底片• 對(duì)象獨(dú)立于觀察者– 對(duì)同一對(duì)象，不同觀察者會(huì)看到不同的圖像– 橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近高低各不同45對(duì)象與觀察者的獨(dú)立性46(a) 觀察者A的視圖 (b) 觀察者B的視圖 (c) 觀察者C的視圖伸手不見(jiàn)五指47光(light)• 人(被)看到圖像，是對(duì)象發(fā)射或反射的光進(jìn)入人眼• 光是電磁輻射的一種形式• 電磁波：電磁能以波的形式傳播– 波長(zhǎng)λ或頻率f表征：f λ = c，其中c是光速– 電磁波譜包括無(wú)線(xiàn)電波、紅外線(xiàn)和可見(jiàn)光譜等48可見(jiàn)光• 可見(jiàn)光就是人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)它有反應(yīng)的那部分– 波長(zhǎng)大約介于350 ~ 780 nm (納米, 10-8米)– 不同波長(zhǎng)對(duì)于不同顏色：紅色 –- 650nm，藍(lán)色–- 450nm，綠色 –- 520nm49X-射線(xiàn) 可見(jiàn)光 無(wú)線(xiàn)電波 (nm)350  (nm) 780光源與幾何光學(xué)• 光源所發(fā)出光學(xué)的頻率可以是一組離散值或連續(xù)值– 激光：?jiǎn)我活l率的光– 日光燈/白熾燈：頻率范圍內(nèi)的光• 幾何光學(xué)– 光源是具有固定強(qiáng)度的光能發(fā)射器– 光線(xiàn)從光源射出，沿直線(xiàn)傳播，直到遇到物體• 理想點(diǎn)光源：從一個(gè)點(diǎn)向所有方向均勻發(fā)射光線(xiàn)50成像系統(tǒng)的三要素• 物體/對(duì)象• 觀察者（人、照相機(jī)）• 光源• 物體表面材質(zhì)的屬性確定光照射在物體上的效果• 注意對(duì)象、觀察者以及光源是完全獨(dú)立的51成像模型• 給定– 場(chǎng)景中的對(duì)象– 對(duì)象的光反射屬性– 光源屬性– 觀察者：人或照相機(jī)• 如何生成該場(chǎng)景的圖像？52跟蹤光線(xiàn)• 從點(diǎn)光源出發(fā)，跟蹤所有的光線(xiàn)，確定哪些光線(xiàn)進(jìn)入照相機(jī)的鏡頭• 光線(xiàn)在被吸收或者進(jìn)入無(wú)窮空間之前，有可能與物體發(fā)生多次相互作用– 反射：鏡面– 散射– 折射：透明物體53物理成像方法• 基于跟蹤光線(xiàn)– 光線(xiàn)跟蹤(ray tracing)和光子映射(photonmapping)– 對(duì)物理世界很好的近似，可模擬任意復(fù)雜的物理效果• 基于能量守恒– 輻射度方法(radiosity)：適合把入射光線(xiàn)均勻散射的表面54光線(xiàn)跟蹤原理55光線(xiàn)跟蹤效果56物理成像系統(tǒng)• 人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)(human visual system)– 遵循同樣物理原理的復(fù)雜系統(tǒng)– 三色理論• 針孔照相機(jī)(pinhole camera)– 理解照相機(jī)和其他光學(xué)成像儀器的工作原理– 圖形系統(tǒng)成像模型的基礎(chǔ)57亮度圖像與彩色圖像• 亮度圖像(luminance image)– 單色圖像– 值為灰度等級(jí)– 類(lèi)似于黑白電影和電視• 彩色圖像(color image)– 可以顯示出色調(diào)(hue), 飽和度(saturation)和亮度(lightness)– 必須匹配可見(jiàn)光譜中的所有波長(zhǎng)嗎？否!58人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)角膜cornea晶狀體 lens虹膜 iris視網(wǎng)膜retina感光細(xì)胞sensors視神經(jīng)optic nerve59感光細(xì)胞• 兩種類(lèi)型的感光細(xì)胞– Rods 視桿細(xì)胞• 僅能感知亮度，不能感知顏色，夜視– Cones 視錐細(xì)胞• 感知亮度(較強(qiáng)光)和色彩• 三種類(lèi)型的錐狀細(xì)胞• 只有三種刺激值送到大腦60強(qiáng)度和亮度• 強(qiáng)度：光線(xiàn)能量的物理度量• 亮度：度量我們所感知到的物體發(fā)射出的光線(xiàn)有多強(qiáng)• 人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)不同波長(zhǎng)光的響應(yīng)不同– 對(duì)強(qiáng)度相同的紅光和綠光，感知到的亮度不同– 對(duì)綠光最敏感，對(duì)紅光和藍(lán)光最不敏感61視錐細(xì)胞的感知曲線(xiàn)• 人類(lèi)能夠區(qū)分顏色是由于三種視錐細(xì)胞具有不同的光譜敏感度。– 全色盲、紅綠色盲62三色理論• 使用三種基色或原色(primary color) 來(lái)近似所感知到的所有顏色• 在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中所謂的三原色不一定與人眼所感知的三種值恰好完全匹配63彩色蔭罩式CRT顯示器的原理64加色與減色 • 加色– 通過(guò)把三原色的值加在一起形成一種顏 色• 彩色顯示器、投影儀、照片正片(positive film)– 原色為紅 (R),綠(G),藍(lán)(B)• 減色– 通過(guò)在白光中過(guò)濾掉青色(cyan), 品紅 色(magenta)和黃色(yellow)形成最終的顏色• 光線(xiàn)與物體的相互作用 • 彩色打印 • 照片負(fù)片(negative film)65針孔照相機(jī) • 方形盒一個(gè)側(cè)面的中心有一個(gè)小孔，膠片放在盒子里與小孔相對(duì)的內(nèi)表面上 – 小孔非常小，僅容一條光線(xiàn)進(jìn)入– 膠片平面與針孔距離 為d – 坐標(biāo)系原點(diǎn)在小孔處66針孔照相機(jī) • (x, y, z)點(diǎn)的投影(xp,yp,-d)xp =-d*x/zyp =-d*y/z• 視域或視角：膠片上能成完整像的最大物體所張的角度 θ=2 tan-1(h/2d)• 無(wú)窮景深：不論遠(yuǎn)近都會(huì)清晰成像67針孔照相機(jī)的缺點(diǎn)• 針孔太小：?jiǎn)螚l光線(xiàn)– 透鏡替換小孔• 視角不能調(diào)節(jié)– 焦距可調(diào)的透鏡– 等價(jià)地，膠片平面與小孔距離可調(diào)68虛擬照相機(jī)模型投影平面 pp的投影投影中心投影線(xiàn)69折疊暗箱照相機(jī)虛擬照相機(jī)模型• 投影線(xiàn)：對(duì)象上一點(diǎn)到透鏡中心的連線(xiàn)• 投影中心(COP)：透鏡中心• 投影平面：移至透鏡前的虛擬成像平面• 對(duì)象上一點(diǎn)的像位于投影線(xiàn)與投影平面的交點(diǎn)70裁剪窗口• 圖像大小是有限的– 場(chǎng)景中位于視角/視域體中對(duì)象在膠片上成像• 在投影平面內(nèi)設(shè)置一個(gè)裁剪矩形(clipping rectangle)或裁剪窗口(clipping window)• 給定投影中心的位置、投影平面的位置和方向，還有裁剪窗口的大小，我們就能確定哪些對(duì)象會(huì)在圖像中出現(xiàn)。71優(yōu)勢(shì)• 把對(duì)象、觀察者和光源區(qū)分開(kāi)• 二維圖形是三維圖形的一個(gè)特殊情形• 可以得到簡(jiǎn)單的軟件API (Applicationprogramming interface)– 指定對(duì)象、光源、照相機(jī)、材料屬性– 由API的實(shí)現(xiàn)確定最終的圖像• 可以得到快速的硬件實(shí)現(xiàn)• 主流API，如OpenGL和Direct3D都是基于該模型72全局光照 • 不能對(duì)每個(gè)對(duì)象獨(dú)立地計(jì)算它的顏色和陰影 – 有些對(duì)象被其它對(duì)象遮住了光源– 光可以在對(duì)象之間反射– 有些對(duì)象是透明的73全局與局部光照• 全局光照模型– 光線(xiàn)跟蹤、光子映射– 輻射度方法– 目標(biāo)：照片真實(shí)感圖形渲染• 局部光照模型– Phong光照模型– 目標(biāo)：交互式或?qū)崟r(shí)圖形渲染74光線(xiàn)跟蹤方法的不足• 光線(xiàn)跟蹤在很上大程度上是基于物理模型的，但為何不應(yīng)用它設(shè)計(jì)一個(gè)圖形系統(tǒng)？• 對(duì)于由多邊形和二次曲面構(gòu)成的對(duì)象，應(yīng)用點(diǎn)光源時(shí)，它確實(shí)非常簡(jiǎn)單• 原則上它可以得到全局光照效果，例如陰影和多重反射，但是光線(xiàn)跟蹤速度很慢，不適用于交互系統(tǒng)的需要• 借助GPU實(shí)現(xiàn)的光線(xiàn)跟蹤接近于實(shí)時(shí)75第二章 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)2.1 圖形系統(tǒng)的組成2.2 輸出設(shè)備2.3 輸入設(shè)備2.4 成像模型2.5 渲染流水線(xiàn)2.6 圖形API76成像模型回顧• 能否模擬虛擬照相機(jī)模型設(shè)計(jì)圖形系統(tǒng)中的硬件和軟件？• 應(yīng)用程序編程接口(API)– 只需指定• 對(duì)象• 材料屬性• 觀察者• 光源• 如何實(shí)現(xiàn)API？77成像模型回顧• 全局光照模型– 光線(xiàn)跟蹤方法– 輻射度方法– 計(jì)算量非常大，目前沒(méi)有硬件加速支持，不適合實(shí)時(shí)或交互式系統(tǒng)• 局部光照模型– Phong光照模型– 計(jì)算量適中，有硬件加速支持– 當(dāng)前主流API：OpenGL, Direct3D78流水線(xiàn)體系• 按照應(yīng)用程序定義對(duì)象的先后順序，依次處理每個(gè)對(duì)象– 只考慮局部光照• 流水線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)• 所有步驟都可以通過(guò)顯示卡的硬件實(shí)現(xiàn)79頂點(diǎn) 頂點(diǎn) 像素 處理器裁剪器與圖片裝配器 光柵化器 片段處理器應(yīng)用程序 顯示設(shè)備流水線(xiàn)(pipeline)• 工廠裝配線(xiàn)• 算術(shù)流水線(xiàn)：a+(b*c)• 圖形渲染流水線(xiàn)80成像過(guò)程• 四個(gè)主要步驟：– 頂點(diǎn)處理– 裁剪和圖元裝配– 光柵化– 片段處理81頂點(diǎn)處理• 圖元的類(lèi)型和頂點(diǎn)集定義了場(chǎng)景的幾何– 對(duì)象由一組圖元組成，而每個(gè)圖元又包含一組頂點(diǎn)• 流水線(xiàn)中大部分工作是把對(duì)象在一個(gè)坐標(biāo)系中表示轉(zhuǎn)化為另一坐標(biāo)系中的表示：– 世界坐標(biāo)系– 照相機(jī)(眼睛)坐標(biāo)系– 屏幕坐標(biāo)系• 坐標(biāo)的每個(gè)變換相當(dāng)于一次矩陣乘法• 

頂點(diǎn)處理器也計(jì)算頂點(diǎn)的顏色82頂點(diǎn) 頂點(diǎn) 像素 處理器裁剪器與圖元裝配器 光柵化器 片段處理器投影• 把三維觀察者位置與三維對(duì)象結(jié)合在一起，確定二維圖像的構(gòu)成– 透視投影：所有投影線(xiàn)交于投影中心– 平行投影：投影線(xiàn)平行，投影中心在無(wú)窮遠(yuǎn)，用投影方向表示• 在頂點(diǎn)處理步中，對(duì)各個(gè)頂點(diǎn)的處理是相互獨(dú)立的頂點(diǎn) 頂點(diǎn) 像素 處理器裁剪器與圖元裝配器 光柵化器 片段處理器83圖元裝配•

 在進(jìn)行裁剪和光柵化處理之前，頂點(diǎn)必須組裝成幾何對(duì)象– 線(xiàn)段– 多邊形– 曲線(xiàn)和曲面84頂點(diǎn) 頂點(diǎn) 像素 處理器裁剪器與圖元裝配器 光柵化器 片段處理器裁剪• 真正的照相機(jī)不能“看到”整個(gè)世界，圖形學(xué)中的虛擬照相機(jī)也只能看到世界的一部分– 不在視景體中的對(duì)象要從場(chǎng)景中裁剪掉• 裁剪必須針對(duì)逐個(gè)圖元進(jìn)行85光柵化• 如果一個(gè)對(duì)象不被裁掉，那么在幀緩沖區(qū)中相應(yīng)的像素就必須被賦予顏色• 

光柵化程序?yàn)槊總�(gè)圖元生成一組片段• 片段是“潛在的像素”– 在幀緩沖區(qū)中有一個(gè)位置– 具有顏色和深度屬性• 光柵化程序在對(duì)象上對(duì)頂點(diǎn)的屬性進(jìn)行插值得到片段的屬性86頂點(diǎn) 頂點(diǎn) 像素 處理器裁剪器與圖元裝配器 光柵化器 片段處理器片段處理• 對(duì)片段進(jìn)行處理，以確定幀緩沖區(qū)中相應(yīng)像素的顏色

• 顏色可以由紋理映射確定，也可以由頂點(diǎn)顏色插值得到• 片段可能被離照相機(jī)更近的其它片段擋住– 隱藏面消除87頂點(diǎn) 頂點(diǎn) 像素 處理器裁剪器與圖元裝配器 光柵化器 片段處理器固定功能流水線(xiàn)88可編程流水線(xiàn)89第二章 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)2.1 圖形系統(tǒng)的組成2.2 輸出設(shè)備2.3 輸入設(shè)備2.4 成像模型2.5 渲染流水線(xiàn)2.6 圖形API90編程接口• 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)人員是通過(guò)軟件接口訪(fǎng)問(wèn)圖形系統(tǒng)，這個(gè)接口就是應(yīng)用編程接口(API)91應(yīng)用程序圖形庫(kù)(API)驅(qū)動(dòng)程序鍵盤(pán)鼠標(biāo)顯示設(shè)備筆式繪圖儀模型• 二維模型• PostScript的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)• 基本函數(shù)：– moveto(x,y)：移位– lineto(x,y)：畫(huà)線(xiàn)– 初始化/終止– 改變畫(huà)筆顏色或線(xiàn)寬92例子• 程序片段：moveto(0,0)lineto(1,0)lineto(1,1)lineto(0,1)lineto(0,0)93基于光柵的二維系統(tǒng)• 基于光柵：把像素直接寫(xiě)到幀緩存中• 單個(gè)函數(shù)write_pixel(x, y, color)– (x,y)是幀緩存中像素的位置– color是該位置像素的顏色94三維API的構(gòu)成• 函數(shù)：定義生成一幅圖像所需要的內(nèi)容– 對(duì)象– 觀察者– 光源– 材料屬性• 其它信息– 從鼠標(biāo)和鍵盤(pán)等設(shè)備獲取輸入– 系統(tǒng)的能力95對(duì)象的定義• 絕大多數(shù)API支持有限的基本幾何對(duì)象，例如：– 點(diǎn) points（零維對(duì)象）– 線(xiàn)段 line segments（一維對(duì)象）– 多邊形 polygons（二維對(duì)象）– 某些曲線(xiàn)和曲面• 二次曲面 quadrics• 多項(xiàng)式參數(shù)曲面• 所有基本形狀都是通過(guò)空間中的位置或頂點(diǎn)(vertices)定義的。96例子glBegin(GL_POLYGON)glVertex3f(0.0, 0.0, 0.0);glVertex3f(0.0, 1.0, 0.0);glVertex3f(0.0, 0.0, 1.0);glEnd( );對(duì)象類(lèi)型頂點(diǎn)位置對(duì)象定義結(jié)束97照相機(jī)的指定 • 六個(gè)自由度 – 鏡頭中心的位置，即投影中心(COP)– 方向• 鏡頭、焦距 • 膠卷尺寸 • 膠卷平面的方向98光源與材料• 光源類(lèi)型– 點(diǎn)光源與分布式光源– 聚光燈– 遠(yuǎn)光源與近光源– 光源的顏色屬性• 材料屬性– 吸收性：顏色屬性– 反射性：漫反射、鏡面99建模-渲染模式• 建模器：交互式地設(shè)計(jì)并擺放對(duì)象– 工作站– 基于虛擬照相機(jī)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染的建模軟件• 渲染器：生成高質(zhì)量的圖像– 渲染農(nóng)場(chǎng)：計(jì)算集群– RenderMan、POV-Ray：基于光線(xiàn)跟蹤• 接口文件：描述要渲染的對(duì)象以及光源、相機(jī)和材料屬性等信息的（文本）文件100本章小結(jié)• 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成• 虛擬照相機(jī)模型• 圖形處理流水線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)• 圖形API的構(gòu)成101