計算機圖形學(xué)第一章

1、2022-4-51計算機圖形學(xué)計算機圖形學(xué)成都理工大學(xué)土地資源管理系成都理工大學(xué)土地資源管理系何新東何新東二零一二年九月二零一二年九月4/5/20222教學(xué)要求 了解圖形系統(tǒng)的框架及其涉及的軟件、硬件技術(shù)； 了解圖形學(xué)的基本問題，掌握圖形學(xué)的基本概念、方法與算法； 對與圖形相關(guān)的應(yīng)用及當(dāng)前的研究熱點有一個初步認識； 具有一定實踐體會和相關(guān)的編程能力。 4/5/20223教材或參考書： 教材 倪明田等，“計算機圖形學(xué)”，北京大學(xué)出版社，1999。 主要參考書： 孫家廣：計算機圖形學(xué)（第三版），清華大學(xué)出版社，1999。 Donald Hearn, M. Pauline Baker ,“Compu

2、ter Graphics (C Version)”, Prentice Hall , 1997. James D. Foley, Andries van Dam etc., “Introduction to Computer Graphics”, Addison-Wesley, 1996 董士海，計算機用戶界面及其工具，科學(xué)出版社，1994 龍曉苑：數(shù)字化藝術(shù)，北京大學(xué)出版社，1999.124/5/20224第一講 計算機圖形學(xué)概述 1.1 研究內(nèi)容1.2 發(fā)展歷史1.3 應(yīng)用舉例1.4 當(dāng)前研究動態(tài)4/5/202251.1 研究內(nèi)容v何謂圖形v構(gòu)成圖形的要v兩種表示法v所研究的內(nèi)容4/5/2

3、0226 計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容圖形：計算機圖形學(xué)的研究對象 能在人的視覺系統(tǒng)中產(chǎn)生視覺印象的客觀對象 包括自然景物、拍攝到的圖片、用數(shù)學(xué)方法描述的圖形等等構(gòu)成圖形的要素 幾何要素：刻畫對象的輪廓、形狀等 非幾何要素：刻畫對象的顏色、材質(zhì)等計算機中表示圖形的方法 點陣表示 枚舉出圖形中所有的點(強調(diào)圖形由點構(gòu)成) 簡稱為圖像（數(shù)字圖像） 參數(shù)表示 由圖形的形狀參數(shù)(方程或分析表達式的系數(shù)，線段的端點坐標(biāo)等)+屬性參數(shù)(顏色、線型等)來表示圖形 簡稱為圖形4/5/20227計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容.與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型圖像生成（計算機圖形學(xué)）模型（特征）提?。ㄓ嬎?/p>

4、機視覺，模式識別）模型變換（計算幾何）圖像變換（圖像處理）.發(fā)展特點: 交叉、界線模糊、相互滲透4/5/20228計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容所研究的內(nèi)容圖形的輸入 如何開發(fā)利用圖形輸入設(shè)備及軟件將圖形輸入到計算機中去，以便作各種處理。圖形的處理包括對圖形進行變換(幾何變換，投影變換)和運算（集合運算）,著色，形變等圖形的輸出 如何將圖形特定的表示形式轉(zhuǎn)換成圖形輸出系統(tǒng)便于接受的表示形式，并將圖形在顯示屏或打印機等輸出設(shè)備上輸出。4/5/20229CAGD（Computer Aided Geometric Design） 幾何形體在計算機中的表示，分析、研究怎樣靈活方便地建立幾

5、何形體的數(shù)學(xué)模型，提高算法效率，在計算機內(nèi)更好地存儲和管理這些模型等。研究曲線、曲面的表示、生成、拼接、數(shù)據(jù)擬合。 4/5/202210圖象處理： 研究如何對一幅連續(xù)圖像取樣、量化以產(chǎn)生數(shù)字圖像， 如何對數(shù)字圖像做各種變換以方便處理， 如何濾去圖像中的無用噪聲， 如何壓縮圖像數(shù)據(jù)以便存儲和傳輸，圖像邊緣提取，特征增強和提取。 4/5/202211計算機視覺和模式識別： 圖形學(xué)的逆過程，分析和識別輸入的圖像并從中提取二維或三維的數(shù)據(jù)模型（特征）。手寫體識別、機器視覺。 4/5/2022121.2 發(fā)展歷史v 歷史追溯v 硬件發(fā)展 圖形顯示器的發(fā)展 圖形輸入設(shè)備的發(fā)展v 圖形軟件及軟件標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展4

6、/5/202213歷史追溯 1950年，MIT，旋風(fēng)一號（Whirlwind I 計算機的圖形顯示器，類似于示波器的CRT來顯示簡單圖形。-CRT的出現(xiàn)為計算機生成和顯示圖形提供了可能。 50年代末期，MIT林肯實驗室，在Whirlwind上開發(fā)SAGE空中防御系統(tǒng)，通過光筆在屏幕上指點與系統(tǒng)交互。-標(biāo)志著交互式圖形技術(shù)的誕生。4/5/202214歷史追溯1962年MIT林肯室驗室Ivan.E.Sutherland的博士論文：Sketchpad：一個人機通信的圖形系統(tǒng)。-確定了交互圖形學(xué)作為一個學(xué)科分支（提出基本交互技術(shù)、圖元分層表示概念及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))。60年代：MIT、Bell Lab、 通用

7、汽車公司、劍 橋大學(xué)開展大規(guī)模的研究 。 60年代確立并得到發(fā)展 70年代進入技術(shù)實用化 但80年代初，圖形學(xué) 依然是較小的學(xué)科，原 因是圖形硬件設(shè)備十分昂貴，且基于圖形的應(yīng)用相 對較少。后來，情況發(fā)生了變化4/5/202215硬件發(fā)展 圖形顯示器的發(fā)展 圖形顯示器是計算機圖形學(xué)中關(guān)鍵的設(shè)備 60年代中期：畫線顯示器（亦稱矢量顯示器） 需要刷新。設(shè)備昂貴，限制普及 60年代后期：存儲管式顯示器 不需刷新，價格較低，缺點是不具有動態(tài)修改 圖形功能，不適合交互式。4/5/202216硬件發(fā)展 70年代初，刷新式光柵掃描顯示器出現(xiàn)，大大地推動了交互式圖形技術(shù)的發(fā)展。 以點陣形式表示圖形，使用專用的緩

8、沖區(qū)存放點陣，由視頻控制器負責(zé)刷新掃描。4/5/202217 圖形顯示設(shè)備的發(fā)展：畫線顯示器（矢量顯示器/隨機掃描顯示器）存儲管式顯示器刷新式光柵掃描顯示器4/5/202218硬件發(fā)展圖形輸入設(shè)備的發(fā)展 第一階段：控制開關(guān)、穿孔紙等等 第二階段：鍵盤 第三階段：二維定位設(shè)備，如鼠標(biāo)、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等，語音 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），用戶的手勢、表情等等 第五階段：用戶的思維4/5/2022194/5/2022204/5/202221 圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)形成 三種類型的計算機圖形軟件系統(tǒng)： (1)用某種語言寫成的子程序包 如: GKS (Graphic

9、s Kernel System) PHIGS(ProgrammersHerarchical Iuteractive Graphics system ) GL 便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對較慢，效率低 (2）擴充計算機語言，使其具有圖形生成和處理的功能 如：Turbo Pascal、Turbo C，AutoLisp等。 簡練、緊湊、執(zhí)行速度快，但不可移植（3）專用圖形系統(tǒng)：效率高，但系統(tǒng)開發(fā)量大，可移植性差。4/5/202222發(fā)展歷程發(fā)展歷程諸侯割據(jù)標(biāo)準(zhǔn)討論標(biāo)準(zhǔn)形成圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)的形成4/5/202223通用的、與設(shè)備無關(guān)的圖形包，圖形標(biāo)準(zhǔn)lGKS (Graphics Kernel

10、System) (第一個官方標(biāo)準(zhǔn)，1977)lPHIGS(Programmers Herarchical Iuteractive Graphics system)一些非官方圖形軟件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)界，成為事實上的標(biāo)準(zhǔn)lDirectX (MS)lXlib(X-Window系統(tǒng))lOpenGL(SGI)lAdobe公司Postscript開放式、高效率的發(fā)展趨勢4/5/2022241.3 應(yīng)用舉例圖形用戶界面 介于人與計算機之間，人與機器的通信，人機界面（HCI）：軟件硬件 發(fā)展：由指示燈和機械開關(guān)組成的操縱界面由終端和鍵盤組成的字符界面（80年代）由多種輸入設(shè)備和光柵圖形顯示設(shè)備構(gòu)成的圖形用戶界

11、面（GUI），（90年代）PC，工作站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointing devices)界面，所見即所得VR技術(shù)（發(fā)展方向）4/5/202225圖形用戶界面 由計算機發(fā)展決定： 科學(xué)計算型無處不在的計算機，人機溶合，提高交互效率。 課程：“人機交互技術(shù)” 董士海教授主講4/5/202226 CAD/CAM 圖形學(xué)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。 建筑、機械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品設(shè)計（結(jié)構(gòu)分析和外形設(shè)計）、布局（各種管道，電子線路） Boeing 777, 無紙設(shè)計。 AutoCAD, GHCAD, SolidWorks, Pro/E, UG, CATIA, MDT,

12、4/5/2022274/5/202228Teapot4/5/202229Blending of the modeling4/5/202230可視化 科學(xué)計算可視化(Scientific Visualization) 必要性：直接分析大量的測量數(shù)據(jù)或統(tǒng)計數(shù)據(jù)有困難 目標(biāo)：用圖形表現(xiàn)抽象的數(shù)據(jù) 應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)圖象重建，遙感，流場、氣象、核爆模擬，有限元分析。 等等 信息可視化：信息流量，商業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，股市行情。4/5/202231地理信息系統(tǒng)（GIS）建立在地理圖形之上的關(guān)于各種資源的綜合信息管理系統(tǒng)數(shù)字地球，地形數(shù)據(jù)作為載體，（70）全球信息化.軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查。 多媒體多媒體 在

13、計算機控制下，對多種媒體信息進行生成、操作、表現(xiàn)、存儲、通信、或集成的信息系統(tǒng)，其中媒體至少應(yīng)包括一種“連續(xù)媒體”及一種“離散媒體” 計算機處理的常見媒體：文本、圖形、圖像、語音、音頻、視頻、動畫 特點：媒體的多樣性、操作的交互性、系統(tǒng)的集成性CAI， 教學(xué)娛樂。4/5/202232 娛樂電腦游戲?qū)崟r性逼實性蘊含了先進的圖形處理技術(shù)電視廣告，節(jié)目片頭，科教演示（CAI） Quake III，“古墓麗影”，“侏羅紀(jì)公園”、“皇帝的新衣”、完美風(fēng)暴 MAYA, 3D-MAX, SOFTIMAGE4/5/202233計算機藝術(shù) Coreldraw, Photoshop, 金山畫王筆, 相片真實感模擬

14、與自然媒體仿真技術(shù) 分形藝術(shù)4/5/2022344/5/2022354/5/202236Virtual Reality（虛擬現(xiàn)實、靈境）Virtual Reality 或稱虛擬環(huán)境（Virtual Environment) 是用計算機技術(shù)來生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對這一生成的虛擬世界客體進行瀏覽和交互考察。 輸入輸出設(shè)備4/5/202237 在線虛擬現(xiàn)實：虛擬現(xiàn)實建模語言VRML4/5/2022381.4 當(dāng)前的研究動態(tài) 造型技術(shù)造型技術(shù) 規(guī)則形體：歐氏幾何方法規(guī)則形體：歐氏幾何方法 不規(guī)則形體：不規(guī)則形體： 分形幾何方法分形幾何方法 粒子系統(tǒng)粒子系統(tǒng) 紋理映射紋理映射4/5/202239當(dāng)前的研究動態(tài) 實體造型實體造型 基于物理的造型基于物理的造型 基于圖像的造型基于圖像的造型