計算機圖形學第一章 緒論-PPT課件

1、2022/7/171第一章 緒論2022/7/172 Computer Graphics (CG) 計算機圖形學是研究怎樣用計算機生成、處理和顯示圖形的一門學科。國際標準化組織(ISO)的定義： 2022/7/173 計算機圖形學是研究通過計算機將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專門顯示設備上顯示的原理、方法和技術的學科。 它是建立在傳統(tǒng)的圖學理論、應用數(shù)學和計算機科學基礎上的一門邊緣學科。1.1 計算機圖形學的發(fā)展歷史 2022/7/1741950年，麻省理工學院MIT的Whirlwind計算機的顯示器產(chǎn)生了簡單的圖形 1962年，MIT林肯實驗室的Ivan E.Sutherland 發(fā)表了一篇題為“S

2、ketchpad：一個人機交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文1.1 計算機圖形學的發(fā)展歷史2022/7/17560年代 1964年MIT的教授Steven A. Coons提出了被后人稱為超限插值的新思想，通過插值四條任意的邊界曲線來構造曲面。同樣在60年代早期，法國雷諾汽車公司的工程師Pierre Bezier研究了被后人稱為Bezier曲線、曲面的理論，成功地用于幾何外形設計，并開發(fā)了用于汽車外形設計的UNISURF系統(tǒng)。Coons方法和Bezier方法是計算機輔助設計與制圖最早的開創(chuàng)性工作。 1.1 計算機圖形學的發(fā)展歷史2022/7/17670年代70年代是計算機圖形學發(fā)展過程中一個重要的

3、歷史時期。光柵圖形學算法，迅速發(fā)展起來，區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本概念、及其相應算法紛紛誕生 70年代，計算機圖形學另外兩個重要進展是真實感圖形學和實體造型技術的產(chǎn)生。1970年Bouknight光反射模型 ；1973年開始 Build系統(tǒng)、美國羅徹斯特大學的PADL-1系統(tǒng)等實體造型系統(tǒng) 1.1 計算機圖形學的發(fā)展歷史2022/7/17780年代 1980年Whitted提出了一個光透視模型 1984年，美國Cornell大學和日本廣島大學的學者用輻射度方法成功地模擬了理想漫反射表面間的多重漫反射效果；大量簡單易用、價格低廉的基于圖形的硬件系統(tǒng)的出現(xiàn)，為圖形學應用的大發(fā)展鋪平了道路，為圖形學

4、的飛速發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎，使得圖形學的各個研究方向得到充分發(fā)展，圖形學已廣泛應用于動畫、科學計算可視化、CAD/CAM、影視娛樂等各個領域。 1.1 計算機圖形學的發(fā)展歷史2022/7/17890年代 圖形學自身朝著標準化、集成化和智能化不斷進步。國際標準化組織推出了許多關于圖形學方面的標準，并得到了廣泛地認同和采用 1.1 計算機圖形學的發(fā)展歷史2022/7/17921世紀的這幾年計算機圖形系統(tǒng)更以其高性能價格比和優(yōu)良完善的功能進入到社會的各個領域。隨著多媒體技術、人工智能與專家系統(tǒng)技術與計算機圖形學技術的有機結合，科學計算的可視化和虛擬現(xiàn)實的應用又向計算機圖形學提出了更新的課題，三維乃至高

5、維計算機圖形學在真實感和實時性研究方面開始迅速發(fā)展，同時也推動了分形圖形學的研究與應用的發(fā)展。同時，計算機圖形學也在朝著智能化、網(wǎng)絡化的方向繼續(xù)發(fā)展。 1.2 圖形學的應用及研究前沿 2022/7/1710計算機圖形學是計算機科學的一個重要分支，在許多領域得到應用 1.2 圖形學的應用及研究前沿2022/7/17111計算機輔助設計與制造（CAD/CAM） 如：概念設計、優(yōu)化設計、有限元分析、計算機仿真、計算機輔助繪圖、計算機輔助設計過程管理等 2022/7/17122022/7/17132022/7/17142022/7/17151.2 圖形學的應用及研究前沿2022/7/17162 科學計

6、算可視化 如果能將數(shù)據(jù)用某種圖的形式表示出來，問題變得非常清晰，有助于問題的解決。科學計算可視化是20世紀80年代中期興起的計算機圖形學的重要發(fā)展方向，1986年，美國科學基金會（NSF）提出了“科學計算可視化（Visualization in Scientific Computing）”。目前科學計算可視化廣泛應用于醫(yī)學、流體力學、有限元分析、氣象分析、信息流量，商業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，股市行情。1.2 圖形學的應用及研究前沿2022/7/17172022/7/17182022/7/17192022/7/17201.2 圖形學的應用及研究前沿2022/7/17213 地圖制圖學及地理信息系統(tǒng) 地理信息

7、系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)。地理信息系統(tǒng)是指建立在地理基礎數(shù)據(jù)的基礎上的關于地理信息的綜合管理信息系統(tǒng)，其核心是地圖信息的建模儲存、分析處理和圖形顯示。計算機圖形學是建立地理信息系統(tǒng)的重要支撐技術。 Google earth2022/7/17222022/7/17231.2 圖形學的應用及研究前沿2022/7/17244 計算機動畫 1.2 圖形學的應用及研究前沿2022/7/17255人機交互界面 計算機與人之間進行交互通信的部分稱為人機界面 用戶接口是人們使用計算機的第一觀感。一個友好的圖形化的用戶界面能夠大大提高軟件的易用性。 1.2 圖

8、形學的應用及研究前沿2022/7/17261.2 圖形學的應用及研究前沿2022/7/17276 計算機藝術計算機圖形學與其他的學科結合起來，還可以構造出非常豐富的具有藝術特征的圖形、圖案、工藝外形以及傳統(tǒng)的繪畫作品，也就是可以利用計算機進行藝術的創(chuàng)作。計算機藝術是計算機圖形學又一個重要領域，借助于多種工具和繪圖軟件，可在計算機屏幕上繪出多彩的藝術圖形。借助于計算機的圖形處理功能，可以對圖形進行一系列的技術處理，從而產(chǎn)生許多豐富多彩的畫面。 二維畫2022/7/1728光照模型2022/7/1729人工繪制2022/7/17302022/7/17312022/7/17322022/7/1733

9、2022/7/17342022/7/17352022/7/17362022/7/17377虛擬現(xiàn)實技術虛擬現(xiàn)實(Virtual reality)或稱虛擬環(huán)境（Virtual Environment）是用計算機技術來生成一個逼真的具有三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺的虛擬世界，讓用戶可以從自己的視點出發(fā)，利用自然的技能（頭的轉(zhuǎn)動、手的運動等）和某些設備（立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等）與這個虛擬世界進行交互和瀏覽。人們通過人類自然的方式向計算機送入各種動作信息，并且通過視覺、聽覺以及觸覺設施使人們得到三維的視覺、聽覺等感覺。隨著人們不同的動作，這些感覺也隨之改變 1.2 圖形學的應用及研究前沿2022/7/17

10、382022/7/17392022/7/17401.3計算機圖形學的研究內(nèi)容 圖形：計算機圖形學的研究對象 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)學方法描述的圖形等 構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)， 線段的端點坐標等)+屬性參數(shù)(顏色、線型等) 來表示圖。簡稱為圖形所研究的內(nèi)容圖形的輸入 如何開發(fā)利用圖形輸入設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

11、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備上輸出。計算機圖形學的研究內(nèi)容2022/7/1743三維實體造型。 三維實體造型是如何建立模型表示自然界的三維物體的技術。三維造型包括曲面造型和立體造型。曲面造型研究在計算機中如何表示一個曲面及其顯示；立體造型研究如何在計算機中定義、表示一個三維物體；曲面造型與立體造型合稱為幾何模型造型。三維物體顯示與真實感圖形技術。 計算機圖形學要求真實地模擬顯示自然景象，越逼真越好。由此產(chǎn)生了許多描述自然景象的算法、數(shù)學模型

12、等。1.3 計算機圖形學的研究內(nèi)容2022/7/1744 計算機動畫顯示技術。 包括對實現(xiàn)動畫的各種軟件與硬件系統(tǒng)的研究，具體內(nèi)容有動畫開發(fā)工具、動畫語言以及動態(tài)圖形仿真技術。圖形標準與圖形軟件包。 圖形標準與圖形軟件包可以滿足基于圖形的應用軟件的開發(fā)， 同時又不需要直接面向硬件直接編程，方便不同系統(tǒng)之間的軟件移植。 計算機圖形學與相關學科的關系數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型圖像生成（計算機圖形學）模型（特征）提取（計算機視覺，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