CG第1章電子教案

計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)王創(chuàng)存煙臺大學(xué)計算機學(xué)院2023/2/41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.

2023/2/42課程內(nèi)容（共48學(xué)時）第1章概論 （3學(xué)時）第2章計算機圖形設(shè)備 （3學(xué)時）第3章交互式技術(shù) （3學(xué)時）第4章幾何造型技術(shù) （12學(xué)時）第5章基本圖形生成算法 （12學(xué)時）第6章二維圖形變換及二維觀察（12學(xué)時）第7章三維圖形變換及三維觀察* （2學(xué)時）第8章曲線和曲面* （2學(xué)時）第9章真實感圖形顯示* （2學(xué)時）2023/2/43主要參考書目陳傳波、陸楓，計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)，2001孫家廣，計算機圖形學(xué)（第三版），清華大學(xué)出版社，1999。唐澤圣，計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)，清華大學(xué)出版社，1995DonaldHearn,M.PaulineBaker,“ComputerGraphics(CVersion)”,PrenticeHall,1997.JamesD.Foley,AndriesvanDametc.,“IntroductiontoComputerGraphics”,Addison-Wesley,19962023/2/44第1章概論提出問題什么是計算機圖形學(xué)？計算機圖形學(xué)研究的對象是什么？計算機圖形處理系統(tǒng)的構(gòu)造？2023/2/451.1計算機圖形學(xué)及其相關(guān)概念計算機圖形學(xué)的研究對象——圖形通常意義下的圖形：能夠在人的視覺系統(tǒng)中形成視覺印象的客觀對象都稱為圖形。如：(1)自然景物(2)照片和圖片(3)工程圖、設(shè)計圖和方框圖(4)人工美術(shù)繪畫、雕塑品(5)用數(shù)學(xué)方法描述的圖形（包括幾何圖形、代數(shù)方程、分析表達(dá)式或列表所確定的圖形）2023/2/46計算機圖形學(xué)的研究對象——圖形計算機圖形學(xué)中的圖形概念:是指由點、線、面、體等幾何要素和明暗、灰度（亮度）、色彩等非幾何要素構(gòu)成的，從現(xiàn)實世界中抽象出來的帶有灰度、色彩及形狀的圖或形。2023/2/47兩類圖形要素：1.幾何要素：點，線，面，體等；2.非幾何要素：明暗，灰度，色彩等計算機圖形學(xué)中所研究的圖形：從客觀世界物體中抽象出來的帶有顏色及形狀信息的圖和形。2023/2/48圖形的兩種表示方法：點陣法是用具有顏色信息的點陣來表示圖形的一種方法，它強調(diào)圖形由哪些點組成，并具有什么灰度或色彩。參數(shù)法是以計算機中所記錄圖形的形狀參數(shù)與屬性參數(shù)來表示圖形的一種方法。通常把參數(shù)法描述的圖形叫做圖形（Graphics）

把點陣法描述的圖形叫做圖象（Image）2023/2/491.1計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容計算機圖形學(xué)（ComputerGraphics）計算機圖形學(xué)是研究怎樣利用計算機來顯示、生成和處理圖形的原理、方法和技術(shù)的一門學(xué)科。IEEE定義：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.2023/2/410計算機圖形學(xué)(computergraphics,CG)用計算機生成景物的數(shù)字模型，并將它顯示在計算機屏幕上，或者繪制在紙張或膠片上。它是研究如何在計算機環(huán)境下生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科。計算機圖形學(xué)的主要研究對象景物的幾何建模方法(modeling)、對模型的處理方法、幾何模型的繪制技術(shù)(rendering)、圖形輸入和控制的人機交互界面(userinterface)。2023/2/411與計算機圖形學(xué)相關(guān)的學(xué)科特征數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)計算機圖形學(xué)計算機視覺圖象信號數(shù)字圖象處理試圖從非圖象形式的數(shù)據(jù)描述來生成（逼真的）圖象旨在對圖象進(jìn)行各種加工以改善圖象的視覺效果研究用計算機來模擬生物外顯或宏觀視覺功能的科學(xué)和技術(shù)2023/2/412醞釀期（50年代）1946年，第一臺電子計算機的問世推動了許多學(xué)科的發(fā)展和新學(xué)科的建立，其中就包括現(xiàn)代圖形學(xué)技術(shù)。1.2計算機圖形學(xué)的發(fā)展1.2.1計算機圖形學(xué)的確立2023/2/413萌芽期（60年代）1962年，美國MIT林肯實驗室的Ivan.E.Sutherland發(fā)表了一篇題為"Sketchpad：第一個人-機通信的圖形系統(tǒng)"的博士論文，其中首次使用了“ComputerGraphics”術(shù)語。他提出的計算機圖形學(xué)、交互技術(shù)、分層存儲符號的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等新思想已被公認(rèn)為對交互圖形生成技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。這些基本理論和技術(shù)至今仍是現(xiàn)代圖形技術(shù)的基礎(chǔ)。2023/2/414發(fā)展期（70年代）：IC技術(shù)、計算機硬件性價比提高、廉價圖形IO設(shè)備及大容量磁盤等出現(xiàn);CADCAM;實用化;Lockheed,..普及期（80年代）：光柵圖形CRT,PC,WS;大量基于圖像形的應(yīng)用軟件出現(xiàn)提高增強期（90年代）：性能價格比的極大提高；標(biāo)準(zhǔn)化，集成化，智能化總體特征：技術(shù)發(fā)展、需求驅(qū)動2023/2/4151.2.2硬設(shè)備的發(fā)展圖形顯示設(shè)備60年代中期：隨機掃描的顯示器(閃爍，需刷新)60年代后期：存儲管式顯示器（不能動態(tài)顯示，不能局部刪除）70年代中期：光柵掃描的圖形顯示器（OK）。圖形顯示器正向著小型化、低電壓、數(shù)字化方向發(fā)展2023/2/416圖形繪制設(shè)備：用于把圖形畫在紙上，也稱硬拷貝打印機（針式，噴墨，激光，…）EpsonLX-800(1980s)EPSONStylusPhoto950(2005)2023/2/417繪圖儀（平板，滾筒，靜電，筆式）1959年，美國Calcomp公司研制出的世界上第一臺滾筒式繪圖機，使計算機輔助繪圖儀開始代替人工繪圖。PloterHP3500CP2023/2/418圖形輸入設(shè)備二維圖形輸入設(shè)備（鍵盤，光筆，鼠標(biāo)，…）三維圖形輸入設(shè)備（數(shù)據(jù)手套，空間球，…）2023/2/4191.2.3圖形軟件的發(fā)展隨著計算機圖形顯示器從專用設(shè)備發(fā)展成標(biāo)準(zhǔn)化的人機通信接口，圖形顯示及應(yīng)用軟件必然應(yīng)有相應(yīng)的發(fā)展。圖形軟件的發(fā)展早期的繪圖軟件大都采用線框式圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)特別適合于圖形的幾何變換和交互顯示，但無法在計算機內(nèi)完整地定義三維物體。20世紀(jì)60年代末期開始研究和發(fā)展實體造型技術(shù)，如英國劍橋大學(xué)的I.C.Braid的BUILD系統(tǒng)、美國羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)和日本北海道大學(xué)的TIPS-1系統(tǒng)。這些系統(tǒng)都在計算機內(nèi)提供了對物體的完整的幾何定義，可隨時提取所需信息。

開放式、高效率、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化、學(xué)科交叉2023/2/420

IBM公司的CADAM系統(tǒng)目前國際上應(yīng)用較廣的實體造型系統(tǒng)有IBM公司的CADAM、DassaultSystem公司的CATIA、SDRC公司的Geomod、PT公司的Pro/Engineer、SpatialTechnology公司的ACIS、Solidworks公司的Solidworks等。設(shè)計人員可直接在三維空間進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計、修改、觀察，從而使設(shè)計活動變得直觀、簡單、高效。2023/2/4211.2.3計算機圖形的標(biāo)準(zhǔn)化圖形顯示軟件由底層次的與設(shè)備有關(guān)的軟件包轉(zhuǎn)變?yōu)楦邔哟蔚呐c設(shè)備無關(guān)的軟件包，就是圖形軟件的標(biāo)準(zhǔn)化過程。與設(shè)備無關(guān)、與應(yīng)用無關(guān)，具有較高性能官方標(biāo)準(zhǔn)第一個圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)是由德國提出的圖形核心系統(tǒng)GKS(GraphicsKernelSystem)，這是一個二維圖形軟件包。1988年，GKS的三維擴充GKS-3D成為三維圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)。GKS標(biāo)準(zhǔn)下的圖形2023/2/4221986年，ISO提出程序員分層交互圖形系統(tǒng)PHIGS(Programmer'sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem)，支持三維圖形的層次嵌套結(jié)構(gòu)。PHIGS標(biāo)準(zhǔn)下的圖形2023/2/423近二十年中，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO已經(jīng)批準(zhǔn)和正在討論的與計算機圖形有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還有： CGM(ComputerGraphicsMetafile)、 CGI(ComputerGraphicsInterface)、 IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)事實標(biāo)準(zhǔn)(非官方標(biāo)準(zhǔn)) 如SGI的OpenGL，微軟的DirectX，Adobe的Postscript等這些標(biāo)準(zhǔn)包括面向圖形設(shè)備的驅(qū)動程序包、面向用戶的圖形生成及管理程序包等，其主要作用是為實現(xiàn)程序的可移植性等。2023/2/424OpenGL1stenvironmentfordevelopingportable,interactive2Dand3Dgraphicsapplications(1992)Industry'smostwidelyusedandsupported2Dand3Dgraphicsapplicationprogramminginterface(API),awidevarietyofcomputerplatforms.2023/2/425DirectXAnadvancedsuiteofmultimediaapplicationprogramminginterfaces(APIs)builtintoMicrosoftWindows(1995)ProvidesastandarddevelopmentplatformforWindows-basedPCswithouthavingtowritehardware-specificcode.2023/2/426PostScriptAprogramminglanguageoptimizedforprintinggraphicsandtext(whetheronpaper,film,orCRT)(1985)Provideaconvenientlanguageinwhichtodescribeimagesinadeviceindependentmanner:theimageisdescribedwithoutreferencetoanyspecificdevicefeatures.2023/2/427用AdobeAcrobat處理文件2023/2/4281.3計算機圖形系統(tǒng)1.3.1計算機圖形系統(tǒng)的功能

2023/2/4291.計算功能計算功能包括：1）圖形的描述、分析和設(shè)計；2）圖形的平移、旋轉(zhuǎn)、投影、透視等幾何變換；3）曲線、曲面的生成；4）圖形之間相互關(guān)系的檢測等。2023/2/4302.存儲功能和輸入功能存儲功能

圖形數(shù)據(jù)庫可以存放各種圖形的幾何數(shù)據(jù)及圖形之間的相互關(guān)系，并能快速方便地實現(xiàn)對圖形的刪除、增加、修改等操作。輸入功能

通過圖形輸入設(shè)備可將基本的圖形數(shù)據(jù)（如點、線等）和各種繪圖命令輸入到計算機中，從而構(gòu)造更復(fù)雜的幾何圖形。2023/2/4313.輸出功能和交互功能輸出功能

圖形數(shù)據(jù)經(jīng)過計算后可在顯示器上顯示當(dāng)前的狀態(tài)以及經(jīng)過圖形編輯后的結(jié)果，同時還能通過繪圖儀、打印機等設(shè)備實現(xiàn)硬拷貝輸出，以便長期保存。交互功能

設(shè)計人員可通過顯示器或其他人機交互設(shè)備直接進(jìn)行人機通信，對計算結(jié)果和圖形利用定位、拾取等手段進(jìn)行修改，同時對設(shè)計者或操作員輸入的錯誤給以必要的提示和幫助。2023/2/432圖形的基本處理流程利用各種圖形輸入設(shè)備及軟件或其他交互設(shè)備將圖形輸入到計算機中，以便進(jìn)行處理；在計算機內(nèi)部對圖形進(jìn)行各種變換（如幾何變換、投影變換）和運算（如圖形的并、交、差運算等）；處理后，將圖形轉(zhuǎn)換成圖形輸出系統(tǒng)便于接受的表示形式，并在輸出設(shè)備上輸出；在交互式的系統(tǒng)中上述過程可重復(fù)進(jìn)行多次，直至產(chǎn)生滿意的結(jié)果。2023/2/4331.3.2計算機圖形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2023/2/4341.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）計算機輔助繪圖計算機輔助教學(xué)（CAI）辦公自動化和電子出版技術(shù)計算機藝術(shù)設(shè)計在工業(yè)控制及交通方面的應(yīng)用在醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用圖形用戶界面(GUI:Windows,Menu,Icon)。。。2023/2/435（1）計算機輔助設(shè)計與制造

計算機輔助設(shè)計(CAD)已廣泛應(yīng)用于飛機、汽車、船舶的外形設(shè)計、超大規(guī)模集成電路設(shè)計，以及建筑、服裝、印染、玩具設(shè)計等領(lǐng)域。CAD技術(shù)使得工程、雪佛萊敞篷轎車曲面造型產(chǎn)品設(shè)計和施工圖紙不必再由人工繪制，可大大縮短設(shè)計周期。2023/2/436（2）地理信息系統(tǒng)(GeographicalInformationSystem,GIS)

地理信息系統(tǒng)記錄著關(guān)于人口、城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村、高山平原地形、礦藏、森林、旅游等大量信息。利用地理系統(tǒng)中的圖形軟件可繪制出地理、地質(zhì)的以及其他自然現(xiàn)象的高精度勘探、測量圖形，如地理圖、人口分布圖、水資源分布圖等。2023/2/437（3）科學(xué)計算可視化（VisualizationinScientificComputing）