計算機圖形學(xué)課件

計算機圖形學(xué)河海大學(xué)計算機學(xué)院主講：劉惠義E-mail:hyliu@課件下載：學(xué)院網(wǎng)站/教學(xué)體系/下載區(qū)計算機圖形學(xué)河海大學(xué)計算機學(xué)院1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(rèn)識；具有一定實踐體會和相關(guān)的編程能力。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)；2教材或參考書：教材孫家廣等，計算機圖形學(xué)（第三版），清華大學(xué)出版社，2002。主要參考書：潘云鶴等，“計算機圖形學(xué)—原理、方法及應(yīng)用”，高等教育出版社，2003。魏海濤，“計算機圖形學(xué)”，電子工業(yè)出版社，2001。教材或參考書：教材3第一章緒論

1.1研究內(nèi)容1.2發(fā)展歷史1.3計算機圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿第一章緒論1.1研究內(nèi)容41.1研究內(nèi)容?何謂圖形?構(gòu)成圖形的要素?圖形的兩種表示法?圖形學(xué)所研究的內(nèi)容1.1研究內(nèi)容5圖形以及構(gòu)成圖形的要素圖形：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)等圖形以及構(gòu)成圖形的要素6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：圖形主要分為兩類：基于線條信息表示明暗圖(Shading)計算機中表示圖形的方法7什么是計算機圖形學(xué)定義：計算機圖形學(xué)是研究怎樣用數(shù)字計算機生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科。計算機圖形學(xué)計算機科學(xué)中，最為活躍、得到廣泛應(yīng)用的分支之一什么是計算機圖形學(xué)定義：計算機圖形學(xué)是研究怎樣用數(shù)字計算機生8

計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法，構(gòu)成了計算機圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容。

圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計算與顯示算法，以及科學(xué)計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實等。

計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容如何在計算機中表示圖形、以及利用計算9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嬎銠C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10CAGD（ComputerAidedGeometricDesign）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、擬合。CAGD（ComputerAidedGeometric11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。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12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。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13第一章緒論

1.1研究內(nèi)容1.2發(fā)展歷史1.3計算機圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿第一章緒論1.1研究內(nèi)容141.2發(fā)展歷史?歷史追溯?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?圖形軟件及軟件標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展1.2發(fā)展歷史?歷史追溯15歷史追溯50年代1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學(xué)院（MIT）旋風(fēng)I號（WhirlwindI）計算機的附件誕生了1958年，美國Calcomp公司由聯(lián)機的數(shù)字記錄儀發(fā)展成滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數(shù)控機床發(fā)展成為平板式繪圖儀50年代末期，MIT的林肯實驗室在“旋風(fēng)”計算機上開發(fā)SAGE空中防御體系歷史追溯1660年代1962年，MIT林肯實驗室的I.E.Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個人機交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文--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)…)。1962年，雷諾汽車公司的工程師PierreBézier提出Bézier曲線、曲面的理論1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了超限插值的新思想，通過插值四條任意的邊界曲線來構(gòu)造曲面。60年代1770年代光柵圖形學(xué)迅速發(fā)展區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應(yīng)算法紛紛誕生圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化1974年，ACMSIGGRAPH的“與機器無關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會議ACM成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會，制定“核心圖形系統(tǒng)”（CoreGraphicsSystem）ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS70年代18真實感圖形學(xué)1970年，Bouknight提出了第一個光反射模型1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理1975年，Phong提出了著名的簡單光照模型-Phong模型實體造型技術(shù)英國劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng)美國羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)真實感圖形學(xué)1980年代1980年Whitted提出了一個光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例，實現(xiàn)Whitted模型1984年，美國Cornell大學(xué)和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計算機圖形學(xué)中圖形硬件和各個分支均在這個時期飛速發(fā)展80年代2090年代：微機和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化多媒體技術(shù)、人工智能、科學(xué)計算可視化、虛擬現(xiàn)實三維造型技術(shù)90年代：微機和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。21ACMSIGGRAPH會議小知識全稱“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”60年代中期，由Brown大學(xué)的教授AndriesvanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa發(fā)起1974年，在Colorado大學(xué)召開了第一屆SIGGRAPH年會，并取得了巨大的成功每年只錄取大約50篇論文ACMSIGGRAPH會議小知識22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。硬件發(fā)展圖形顯示器的發(fā)展23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，使用專用的緩沖區(qū)存放點陣，由視頻控制器負責(zé)刷新掃描。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24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25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：用戶的思維硬件發(fā)展圖形輸入設(shè)備的發(fā)展26計算機圖形學(xué)課件27計算機圖形學(xué)課件28

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(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)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：TurboPascal、TurboC，AutoLisp等。簡練、緊湊、執(zhí)行速度快，但可移植性差（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。

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)：29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30通用的、與設(shè)備無關(guān)的圖形包，圖形標(biāo)準(zhǔn)GKS(GraphicsKernelSystem)(第一個官方標(biāo)準(zhǔn)，1977)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)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)DirectX(MS)Xlib(X-Window系統(tǒng))OpenGL(SGI)Adobe公司Postscript

開放式、高效率的發(fā)展趨勢通用的、與設(shè)備無關(guān)的圖形包，圖形標(biāo)準(zhǔn)31第一章緒論

1.1研究內(nèi)容1.2發(fā)展歷史1.3計算機圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿第一章緒論1.1研究內(nèi)容321.3計算機圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿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)成的圖形用戶界面（GUI），（90年代）PC，工作站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointingdevices)界面，所見即所得→VR技術(shù)（發(fā)展方向）1.3計算機圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿圖形用戶界面33計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）-CAD/CAM是計算機圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域飛機、汽車、船舶的外形的設(shè)計發(fā)電廠、化工廠等的布局土木工程、建筑物的設(shè)計電子線路、電子器件的設(shè)計設(shè)計結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進行加工處理，如波音777飛機的設(shè)計和加工過程計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）-CAD/CAM是計算34奧迪效果圖和線框圖奧迪效果圖和線框圖35計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）基于工程圖紙的三維形體重建定義：從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對應(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點、線、面及其拓撲關(guān)系，從而實現(xiàn)形體的重建優(yōu)勢：可以做裝配件的干涉檢查、以及有限元分析、仿真、加工等后續(xù)操作，代表CAD技術(shù)的發(fā)展方向計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）基于工程圖紙的三維形體36工程圖及其三維重建結(jié)果1工程圖及其三維重建結(jié)果137工程圖及其三維重建結(jié)果2工程圖及其三維重建結(jié)果238可視化科學(xué)計算可視化(ScientificVisualization)海量的數(shù)據(jù)使得人們對數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來越難，用圖形來表示數(shù)據(jù)的迫切性與日俱增1986年，美國科學(xué)基金會（NSF）專門召開了一次研討會，會上提出了“科學(xué)計算可視化（VisualizationinScientificComputing）”科學(xué)計算可視化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、有限元分析、氣象分析當(dāng)中可視化科學(xué)計算可視化(ScientificVisualiz39在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途是機械手術(shù)和遠程手術(shù)的基礎(chǔ)將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖象，幫助醫(yī)生判別病人體內(nèi)的患處由CT數(shù)據(jù)產(chǎn)生在人體內(nèi)漫游的圖象可視化的前沿與難點可視化硬件的研究實時的三維體繪制體內(nèi)組織的識別分割——Segmentation在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途40真實感圖形實時繪制與自然

景物仿真計算機中重現(xiàn)真實世界的場景叫做真實感繪制真實感繪制的主要任務(wù)是模擬真實物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀，光學(xué)性質(zhì)，表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置，遮擋關(guān)系等等真實感圖形實時繪制與自然

景物仿真41真實感圖形實時繪制與自然

景物仿真光照模型簡單光照模型整體光照模型繪制方法光線跟蹤輻射度加速算法包圍體樹、自適應(yīng)八叉樹等等真實感圖形實時繪制與自然

景物仿真光照模型42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。

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43數(shù)字地球：1998年1月31日美國副總統(tǒng)戈爾在洛杉機加利福尼亞科學(xué)中心召開的地理信息系統(tǒng)年會上提出了這一設(shè)想。比如，可以設(shè)想一個小孩來到地方博物館的一個數(shù)字地球陳列室，當(dāng)他戴上頭盔顯示器，她將看到就象是出現(xiàn)在空中的地球。使用“數(shù)據(jù)手套”，她開始放大景物，伴隨越來越高的分辨率，她會看到大洲，隨之是區(qū)域、國家、城市、最后是房屋、樹木以及其它各種自然和人造物體。在發(fā)現(xiàn)自己特別感興趣的某地塊時，她可乘上“魔毯”，即通過地面三維圖象顯示去深入查看。當(dāng)然，地塊信息只是她可以了解的多種信息中的一種。使用數(shù)字地球系統(tǒng)的聲音識別裝置，小孩還可以詢問有關(guān)的土地覆蓋、植物和動物種類的分布、實時的氣候、道路、行政區(qū)線，以及人口等方面的信息。在這里，她還可以看到自己以及世界各地的學(xué)生們?yōu)椤叭蝽椖俊笔占沫h(huán)境信息。這些信息可以無縫地融入數(shù)字地圖或地面數(shù)據(jù)里。用數(shù)據(jù)手套向超連接部分敲擊，她還可以獲得更多的有關(guān)她所見物體的信息。比如，為了準(zhǔn)備全家去國家黃石公園渡假，她策劃一個完美的步行旅游，去觀看剛從書中讀到的噴泉、北美野牛和巨角巖羊。甚至在離開她家鄉(xiāng)的地方博物館之前，她就可以把要去步行旅游的地方從頭到尾地瀏覽一遍。數(shù)字地球：1998年1月31日美國副總統(tǒng)戈爾在洛杉機加利福尼44娛樂●電腦游戲?qū)崟r性逼真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）●QuakeIII，“古墓麗影”，“侏羅紀(jì)公園”、“皇帝的新衣”、完美風(fēng)暴………●MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGE…娛樂●電腦游戲45多媒體在計算機控制下，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，娛樂。多媒體在計算機控制下，對多種媒體信息進行生成、操作、表現(xiàn)、存46VirtualReality（虛擬現(xiàn)實、靈境）VirtualReality或稱虛擬環(huán)境（VirtualEnvironment)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VirtualReality（虛擬現(xiàn)實、靈境）Virtua47虛擬現(xiàn)實（VirtualReality簡稱VR）虛擬現(xiàn)實是指用立體眼鏡、傳感手套等一系列傳感輔助設(shè)施來實現(xiàn)的一種三維現(xiàn)實，人們通過這些設(shè)施以自然的方式（如頭的轉(zhuǎn)動、手的運動等）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(shè)施使人們得到三維的視覺、聽覺等感覺世界。隨著人們不同的動作，這些感覺也隨之改變。虛擬現(xiàn)實（VirtualReality簡稱VR）虛48QuickTime技術(shù)簡介QuickTime是蘋果公司開發(fā)的新一代虛擬現(xiàn)實技術(shù)。它是一種基于靜態(tài)圖像處理的，在微機平臺上能夠?qū)崿F(xiàn)的初級虛擬現(xiàn)實技術(shù)。它的出現(xiàn)使得以往專業(yè)實驗室中成本昂貴的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用普及有了廣闊的前景。假定我們在一室空間進行觀察，室內(nèi)空間一般有六個面，如果我們獲取了這六個面的許多不同距離，不同方位的實景照片并將它們按照相互的關(guān)系有機連接起來，就可以在視覺上形成這個房間整個空間的整體認(rèn)識，這就是全景概念。QuickTime技術(shù)簡介QuickTime是蘋果公49當(dāng)前研究熱點當(dāng)前研究熱點真實感圖形實時繪制物體網(wǎng)格模型的面片簡化：對網(wǎng)格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內(nèi)，刪除點、邊、面，從而簡化所繪制場景的復(fù)雜層度，加快圖形繪制速度基于圖象的繪制(IBR，ImageBasedRendering)：完全摒棄傳統(tǒng)的先建模，然后確定光源的繪制的方法。它直接從一系列已知的圖象中生成未知視角的圖象，適用于野外極其復(fù)雜場景的生成和漫游當(dāng)前研究熱點當(dāng)前研究熱點50野外自然景物的模擬野外場景遠遠復(fù)雜于室內(nèi)場景，繪制難度更大，方法更趨多樣化主要繪制山、水、云、樹、草、火等等繪制火的粒子系統(tǒng)（ParticleSystem），基于生理模型的繪制植物的方法，繪制云的細胞自動機方法等野外自然景物的模擬51由清華大學(xué)自然景物平臺生成的野外場景由清華大學(xué)自然景物平臺生成的野外場景52日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實感云日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實感云53Xfrog3.0生成的挪威云杉Xfrog3.0生成的挪威云杉54與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的緊密結(jié)合遠程醫(yī)療與診斷遠程導(dǎo)航與維修遠程教育與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的緊密結(jié)合55計算機動畫

計算機動畫計算機動畫近十多年來取得了很大的發(fā)展，已滲透到人們生活的各個角落商業(yè)廣告、影視特技/片頭、動畫片教育、軍事、飛行模擬等分類二維動畫 圖象變形形狀混合計算機動畫

計算機動畫56三維動畫關(guān)鍵幀動畫變形物體的動畫過程動畫關(guān)節(jié)動畫與人體動畫三維動畫57基于特征的圖象變形（貓變虎）基于特征的圖象變形（貓變虎）58我國第一部利用計算機輔助攝制的動畫片是《咪咪釣魚》，1991年由北方工業(yè)大學(xué)和北京電視臺合作制作，以二維動畫為主。用386微機和C語言編程，利用數(shù)字化儀和攝象機產(chǎn)生關(guān)鍵幀，再由計算機在相鄰兩幅關(guān)鍵幀之間內(nèi)插生成中間幀，并自動跟蹤上色。多層畫面疊加在一起，形成完整的畫面。10分鐘的片子，5人小組花了10個月時間。我國第一部利用計算機輔助攝制的動畫片是《咪咪釣59用戶接口用戶接口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圖形學(xué)已經(jīng)全面融入計算機的方方面面，很多軟件幾乎可以不看任何說明書，而根據(jù)它的圖形、或動畫界面的指示進行操作用戶接口用戶接口60目前幾個大的軟件公司都在研究下一代用戶界面，開發(fā)面向主流應(yīng)用的、自然、高效多通道的用戶界面。研究多通道語義模型、多通道整合算法及其軟件結(jié)構(gòu)和界面范式是當(dāng)前用戶界面和接口方面研究的主流方向，而圖形學(xué)在其中起主導(dǎo)作用。目前幾個大的軟件公司都在研究下一代用戶界面，開發(fā)面向主流應(yīng)用61計算機藝術(shù)

計算機藝術(shù)用計算機軟件從事藝術(shù)創(chuàng)作二維平面的畫筆程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）圖表繪制軟件（如Visio）三維建模和渲染軟件包（如3DMAX，Maya）、以及一些專門生成動畫的軟件（如Alias，Softimage）計算機藝術(shù)

計算機藝術(shù)62優(yōu)點：提供多種風(fēng)格的畫筆畫刷提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖象進行霧化，變形等操作可以任意修改，取消敗筆不足：無法達到傳統(tǒng)繪畫中風(fēng)格化的藝術(shù)效果很難得到有素描效果、油畫效果的藝術(shù)品優(yōu)點：63計算機圖形學(xué)課件64非真實感繪制（NPR，Non-PhotorealisticRendering）用于模擬藝術(shù)效果，研究方法有別于真實感圖形學(xué)鋼筆素描的生成鋼筆素描產(chǎn)生于中世紀(jì)，從19世紀(jì)開始成為一門藝術(shù)20世紀(jì)90年代開始研究用計算機模擬中國國畫與書法的生成非真實感繪制（NPR，Non-Photorealistic65GeorgesWinkenb1ach繪制的壺和碗(Siggraph’96)GeorgesWinkenb1ach繪制的壺和碗(Sigg66Salisbury繪制的茶壺(Siggraph’97)Salisbury繪制的茶壺(Siggraph’97)67Salisbury繪制的熊(Siggraph’97)Salisbury繪制的熊(Siggraph’97)68OliverDeussen繪制的素描樹(Siggraph’2000)OliverDeussen繪制的素描樹(Siggraph’69概念與術(shù)語圖形圖形的表示圖形學(xué)的研究內(nèi)容圖形學(xué)的應(yīng)用主要的研究動態(tài)所熟悉的圖形軟件包圖形軟件的標(biāo)準(zhǔn)概念與術(shù)語圖形70計算機圖形學(xué)河海大學(xué)計算機學(xué)院主講：劉惠義E-mail:hyliu@課件下載：學(xué)院網(wǎng)站/教學(xué)體系/下載區(qū)計算機圖形學(xué)河海大學(xué)計算機學(xué)院71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(rèn)識；具有一定實踐體會和相關(guān)的編程能力。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)；72教材或參考書：教材孫家廣等，計算機圖形學(xué)（第三版），清華大學(xué)出版社，2002。主要參考書：潘云鶴等，“計算機圖形學(xué)—原理、方法及應(yīng)用”，高等教育出版社，2003。魏海濤，“計算機圖形學(xué)”，電子工業(yè)出版社，2001。教材或參考書：教材73第一章緒論

1.1研究內(nèi)容1.2發(fā)展歷史1.3計算機圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿第一章緒論1.1研究內(nèi)容741.1研究內(nèi)容?何謂圖形?構(gòu)成圖形的要素?圖形的兩種表示法?圖形學(xué)所研究的內(nèi)容1.1研究內(nèi)容75圖形以及構(gòu)成圖形的要素圖形：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)等圖形以及構(gòu)成圖形的要素76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：圖形主要分為兩類：基于線條信息表示明暗圖(Shading)計算機中表示圖形的方法77什么是計算機圖形學(xué)定義：計算機圖形學(xué)是研究怎樣用數(shù)字計算機生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科。計算機圖形學(xué)計算機科學(xué)中，最為活躍、得到廣泛應(yīng)用的分支之一什么是計算機圖形學(xué)定義：計算機圖形學(xué)是研究怎樣用數(shù)字計算機生78

計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法，構(gòu)成了計算機圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容。

圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計算與顯示算法，以及科學(xué)計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實等。

計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容如何在計算機中表示圖形、以及利用計算79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80CAGD（ComputerAidedGeometricDesign）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、擬合。CAGD（ComputerAidedGeometric81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。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82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。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83第一章緒論

1.1研究內(nèi)容1.2發(fā)展歷史1.3計算機圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿第一章緒論1.1研究內(nèi)容841.2發(fā)展歷史?歷史追溯?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?圖形軟件及軟件標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展1.2發(fā)展歷史?歷史追溯85歷史追溯50年代1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學(xué)院（MIT）旋風(fēng)I號（WhirlwindI）計算機的附件誕生了1958年，美國Calcomp公司由聯(lián)機的數(shù)字記錄儀發(fā)展成滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數(shù)控機床發(fā)展成為平板式繪圖儀50年代末期，MIT的林肯實驗室在“旋風(fēng)”計算機上開發(fā)SAGE空中防御體系歷史追溯8660年代1962年，MIT林肯實驗室的I.E.Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個人機交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文--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)…)。1962年，雷諾汽車公司的工程師PierreBézier提出Bézier曲線、曲面的理論1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了超限插值的新思想，通過插值四條任意的邊界曲線來構(gòu)造曲面。60年代8770年代光柵圖形學(xué)迅速發(fā)展區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應(yīng)算法紛紛誕生圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化1974年，ACMSIGGRAPH的“與機器無關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會議ACM成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會，制定“核心圖形系統(tǒng)”（CoreGraphicsSystem）ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS70年代88真實感圖形學(xué)1970年，Bouknight提出了第一個光反射模型1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理1975年，Phong提出了著名的簡單光照模型-Phong模型實體造型技術(shù)英國劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng)美國羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)真實感圖形學(xué)8980年代1980年Whitted提出了一個光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例，實現(xiàn)Whitted模型1984年，美國Cornell大學(xué)和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計算機圖形學(xué)中圖形硬件和各個分支均在這個時期飛速發(fā)展80年代9090年代：微機和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化多媒體技術(shù)、人工智能、科學(xué)計算可視化、虛擬現(xiàn)實三維造型技術(shù)90年代：微機和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。91ACMSIGGRAPH會議小知識全稱“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”60年代中期，由Brown大學(xué)的教授AndriesvanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa發(fā)起1974年，在Colorado大學(xué)召開了第一屆SIGGRAPH年會，并取得了巨大的成功每年只錄取大約50篇論文ACMSIGGRAPH會議小知識92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。硬件發(fā)展圖形顯示器的發(fā)展93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，使用專用的緩沖區(qū)存放點陣，由視頻控制器負責(zé)刷新掃描。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94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95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：用戶的思維硬件發(fā)展圖形輸入設(shè)備的發(fā)展96計算機圖形學(xué)課件97計算機圖形學(xué)課件98

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(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)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：TurboPascal、TurboC，AutoLisp等。簡練、緊湊、執(zhí)行速度快，但可移植性差（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。

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)：99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100通用的、與設(shè)備無關(guān)的圖形包，圖形標(biāo)準(zhǔn)GKS(GraphicsKernelSystem)(第一個官方標(biāo)準(zhǔn)，1977)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)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)DirectX(MS)Xlib(X-Window系統(tǒng))OpenGL(SGI)Adobe公司Postscript

開放式、高效率的發(fā)展趨勢通用的、與設(shè)備無關(guān)的圖形包，圖形標(biāo)準(zhǔn)101第一章緒論

1.1研究內(nèi)容1.2發(fā)展歷史1.3計算機圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿第一章緒論1.1研究內(nèi)容1021.3計算機圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿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)成的圖形用戶界面（GUI），（90年代）PC，工作站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointingdevices)界面，所見即所得→VR技術(shù)（發(fā)展方向）1.3計算機圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿圖形用戶界面103計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）-CAD/CAM是計算機圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域飛機、汽車、船舶的外形的設(shè)計發(fā)電廠、化工廠等的布局土木工程、建筑物的設(shè)計電子線路、電子器件的設(shè)計設(shè)計結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進行加工處理，如波音777飛機的設(shè)計和加工過程計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）-CAD/CAM是計算104奧迪效果圖和線框圖奧迪效果圖和線框圖105計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）基于工程圖紙的三維形體重建定義：從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對應(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點、線、面及其拓撲關(guān)系，從而實現(xiàn)形體的重建優(yōu)勢：可以做裝配件的干涉檢查、以及有限元分析、仿真、加工等后續(xù)操作，代表CAD技術(shù)的發(fā)展方向計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）基于工程圖紙的三維形體106工程圖及其三維重建結(jié)果1工程圖及其三維重建結(jié)果1107工程圖及其三維重建結(jié)果2工程圖及其三維重建結(jié)果2108可視化科學(xué)計算可視化(ScientificVisualization)海量的數(shù)據(jù)使得人們對數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來越難，用圖形來表示數(shù)據(jù)的迫切性與日俱增1986年，美國科學(xué)基金會（NSF）專門召開了一次研討會，會上提出了“科學(xué)計算可視化（VisualizationinScientificComputing）”科學(xué)計算可視化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、有限元分析、氣象分析當(dāng)中可視化科學(xué)計算可視化(ScientificVisualiz109在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途是機械手術(shù)和遠程手術(shù)的基礎(chǔ)將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖象，幫助醫(yī)生判別病人體內(nèi)的患處由CT數(shù)據(jù)產(chǎn)生在人體內(nèi)漫游的圖象可視化的前沿與難點可視化硬件的研究實時的三維體繪制體內(nèi)組織的識別分割——Segmentation在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途110真實感圖形實時繪制與自然

景物仿真計算機中重現(xiàn)真實世界的場景叫做真實感繪制真實感繪制的主要任務(wù)是模擬真實物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀，光學(xué)性質(zhì)，表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置，遮擋關(guān)系等等真實感圖形實時繪制與自然

景物仿真111真實感圖形實時繪制與自然

景物仿真光照模型簡單光照模型整體光照模型繪制方法光線跟蹤輻射度加速算法包圍體樹、自適應(yīng)八叉樹等等真實感圖形實時繪制與自然

景物仿真光照模型112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。

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113數(shù)字地球：1998年1月31日美國副總統(tǒng)戈爾在洛杉機加利福尼亞科學(xué)中心召開的地理信息系統(tǒng)年會上提出了這一設(shè)想。比如，可以設(shè)想一個小孩來到地方博物館的一個數(shù)字地球陳列室，當(dāng)他戴上頭盔顯示器，她將看到就象是出現(xiàn)在空中的地球。使用“數(shù)據(jù)手套”，她開始放大景物，伴隨越來越高的分辨率，她會看到大洲，隨之是區(qū)域、國家、城市、最后是房屋、樹木以及其它各種自然和人造物體。在發(fā)現(xiàn)自己特別感興趣的某地塊時，她可乘上“魔毯”，即通過地面三維圖象顯示去深入查看。當(dāng)然，地塊信息只是她可以了解的多種信息中的一種。使用數(shù)字地球系統(tǒng)的聲音識別裝置，小孩還可以詢問有關(guān)的土地覆蓋、植物和動物種類的分布、實時的氣候、道路、行政區(qū)線，以及人口等方面的信息。在這里，她還可以看到自己以及世界各地的學(xué)生們?yōu)椤叭蝽椖俊笔占沫h(huán)境信息。這些信息可以無縫地融入數(shù)字地圖或地面數(shù)據(jù)里。用數(shù)據(jù)手套向超連接部分敲擊，她還可以獲得更多的有關(guān)她所見物體的信息。比如，為了準(zhǔn)備全家去國家黃石公園渡假，她策劃一個完美的步行旅游，去觀看剛從書中讀到的噴泉、北美野牛和巨角巖羊。甚至在離開她家鄉(xiāng)的地方博物館之前，她就可以把要去步行旅游的地方從頭到尾地瀏覽一遍。數(shù)字地球：1998年1月31日美國副總統(tǒng)戈爾在洛杉機加利福尼114娛樂●電腦游戲?qū)崟r性逼真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）●QuakeIII，“古墓麗影”，“侏羅紀(jì)公園”、“皇帝的新衣”、完美風(fēng)暴………●MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGE…娛樂●電腦游戲115多媒體在計算機控制下，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，娛樂。多媒體在計算機控制下，對多種媒體信息進行生成、操作、表現(xiàn)、存116VirtualReality（虛擬現(xiàn)實、靈境）VirtualReality或稱虛擬環(huán)境（VirtualEnvironment)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VirtualReality（虛擬現(xiàn)實、靈境）Virtua117虛擬現(xiàn)實（VirtualReality簡稱VR）虛擬現(xiàn)實是指用立體眼鏡、傳感手套等一系列傳感輔助設(shè)施來實現(xiàn)的一種三維現(xiàn)實，人們通過這些設(shè)施以自然的方式（如頭的轉(zhuǎn)動、手的運動等）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(shè)施使人們得到三維的視覺、聽覺等感覺世界。隨著人們不同的動作，這些感覺也隨之改變。虛擬現(xiàn)實（VirtualReality簡稱VR）虛118QuickTime技術(shù)簡介QuickTime是蘋果公司開發(fā)的新一代虛擬現(xiàn)實技術(shù)。它是一種基于靜態(tài)圖像處理的，在微機平臺上能夠?qū)崿F(xiàn)的初級虛擬現(xiàn)實技術(shù)。它的出現(xiàn)使得以往專業(yè)實驗室中成本昂貴的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用普及有了廣闊的前景。假定我們在一室空間進行觀察，室內(nèi)空間一般有六個面，如果我們獲取了這六個面的許多不同距離，不同方位的實景照片并將它們按照相互的關(guān)系有機連接起來，就可以在視覺上形成這個房間整個空間的整體認(rèn)識，這就是全景概念。QuickTime技術(shù)簡介QuickTime是蘋果公119當(dāng)前研究熱點當(dāng)前研究熱點真實感圖形實時繪制物體網(wǎng)格模型的面片簡化：對網(wǎng)格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內(nèi)，刪除點、邊、面，從而簡化所繪制場景的復(fù)雜層度，加快圖形繪制速度基于圖象的繪制(IBR，ImageBasedRe