計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

伍鐵軍

1《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)最活躍的分支之一，與計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)相互影響、發(fā)展。由于圖形是傳遞信息的最主要媒體之一，所以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)被廣泛應(yīng)用于生活、科學(xué)、工程技術(shù)、藝術(shù)、音樂、舞蹈、電影等方面。反過來(lái)，廣泛的應(yīng)用需求又大大促進(jìn)了它的發(fā)展。2《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍教學(xué)目的與要求介紹交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本概念、原理、算法及其系統(tǒng)組成。重點(diǎn)駕馭光柵圖形生成算法、2D/3D幾何變換及視察限制原理、幾何建模和真實(shí)感圖形顯示技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)和用戶界面設(shè)計(jì)方法。了解圖形標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)，圖形系統(tǒng)的組成及性能、主要外設(shè)的工作原理；了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)。介紹交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本概念、原理、算法及其系統(tǒng)組成。重點(diǎn)了解ICG的基本理論學(xué)問、圖形系統(tǒng)的組成、計(jì)算機(jī)圖形機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，實(shí)踐和提高圖形編能。3《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍教學(xué)方法原理、算法的講解；用3DSMax演示，幫助對(duì)原理、算法的理解；VC＋＋、OpenGL編程實(shí)現(xiàn)；課堂探討和學(xué)生上臺(tái)來(lái)演示。整個(gè)課程要完成幾個(gè)大作業(yè)，是最終成果好壞的關(guān)鍵，也是能不能有所收獲的關(guān)鍵。要求：確定要按時(shí)完成，超過時(shí)間不再接收提交的作業(yè)。4《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍教學(xué)任務(wù)：32（總學(xué)時(shí)）：32（理）+20（上機(jī)）

形式：課堂（20）+輔導(dǎo)上機(jī)（12）+自己上機(jī)（20）5《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍1.《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》，航空工業(yè)出版社，2000。2.《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》（新版），孫家廣，楊長(zhǎng)貴，清華高校出版社，1995。3.《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教程》（修訂版），唐榮錫，彭群生等，科學(xué)出版社，2000。4.《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的算法基礎(chǔ)》，DavidF.Rogers著，石教英，彭群生等譯。5.《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》，DonaldHearn，M.PaulineBaker著，蔡士杰等譯6.ComputerGraphicswithOpenGL（美）DonaldHearn，M.PaulineBaker主要參考書6《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍7.ComputerGraphicsUsingOPENGL,SecondEdition（美）F.S.Hill,JR.8.OPENGL編程權(quán)威指南MasonWooJackieNeiderFTomDavisDaveShreiner9.ProgrammingVISUALC++6.0技術(shù)內(nèi)幕（第五版）（修訂版）

DavidJ.Kruglinski，ScotWingo，GeorgeShepherd10.VISUALC++6從入門到精通

(美)MichaelJ.Young

7《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍

0.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史0.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域0.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的探討內(nèi)容0.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的探討動(dòng)態(tài)0

緒論8《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍背景：1946年，計(jì)算機(jī)誕生時(shí),CG還未出現(xiàn)。計(jì)算機(jī)僅僅是為了科學(xué)(數(shù)值)計(jì)算而研制的,因?yàn)榫哂小白詣?dòng)精確快速高效”特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)在科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域中應(yīng)用的深化，同時(shí)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，人們對(duì)計(jì)算機(jī)的要求已不僅僅滿足于計(jì)算了，又有新的要求-----數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)處理的結(jié)果具有直觀性-----用圖形表示（顯示/0.1

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史

一.發(fā)展歷史與背景9《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍繪制/打?。┏鰜?lái)。（如示波器效果）特殊是在工程應(yīng)用領(lǐng)域-----機(jī)械/電子/建筑/航空/航天/船舶/汽車…等，以大量的圖形信息為處理對(duì)象,結(jié)果仍用圖形表示.可見,使計(jì)算機(jī)具有圖形處理功能是客觀現(xiàn)實(shí)的迫切須要。1950年，MIT第一臺(tái)圖形顯示器作為旋風(fēng)1號(hào)計(jì)算機(jī)的附件誕生。用一個(gè)類似于示波器的CRT由計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)顯示簡(jiǎn)潔圖形，無(wú)交互功能。

20世紀(jì)50年頭（萌芽期）10《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍1958年，兩種繪圖儀器問世。20世紀(jì)50年頭末，MIT林肯試驗(yàn)室在“旋風(fēng)”計(jì)算機(jī)上研制的SAGE（美國(guó)戰(zhàn)術(shù)防空系統(tǒng)）中第一次運(yùn)用具有指揮/限制功能的CRT顯示器（可用光筆在屏幕上指定目標(biāo)）。-----這些預(yù)示ICG的誕生。

1963年，MIT林肯試驗(yàn)室的I.E.Sutherland發(fā)表了博士論文:“Sketchpad:一個(gè)人機(jī)通信的圖形系統(tǒng)”，第一次運(yùn)用了“ComputerGraphics”20世紀(jì)60年頭（發(fā)展期）11《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍術(shù)語(yǔ)。論文證明白ICG是一個(gè)可行/有用的探討領(lǐng)域，確立了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為一個(gè)獨(dú)立學(xué)科的地位。因此，I.E.Sutherland被稱為“圖形學(xué)之父”。1964年，MIT的S.A.Coons教授提出了“超限插值”的新思想（即，插值四條邊界曲線構(gòu)造曲面片，再拼接整張曲面）。幾乎同時(shí)，法國(guó)雷諾汽車公司的PierreBezier工程師發(fā)展了一套Bezier曲線/曲面的理論，開發(fā)了用于汽車等幾何外形設(shè)計(jì)的UNISURF系統(tǒng)。Coons方法和Bezier方法是CAGD最早的開創(chuàng)性工作。CG的最高獎(jiǎng)是以Coons名字命名的，Coons獲得了第一屆（1983），1985年其次屆獎(jiǎng)給12《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍I.E.Sutherland和PierreBezier。60年頭，CAD/CAM在計(jì)算機(jī)、汽車及航空工業(yè)領(lǐng)域被發(fā)展起來(lái)。例如，美國(guó)MIT/通用汽車公司/貝爾電話試驗(yàn)室/LKXD公司，英國(guó)JQ高校等紛紛開展….顯示器的發(fā)展;CG進(jìn)入教化/科研/管理等領(lǐng)域;基礎(chǔ)探討更加深化(區(qū)域填充/裁剪/消隱/明暗處理等概念及相應(yīng)算法紛紛提出，為3維真實(shí)感應(yīng)用做技術(shù)理論準(zhǔn)備);20世紀(jì)70~80年頭(普及期)13《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍提出制定統(tǒng)一的圖形軟件標(biāo)準(zhǔn).20世紀(jì)80年頭以來(lái)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件性能不斷提高，體積縮小、價(jià)格降低（特殊是廉價(jià)的圖形I/O和大容量存儲(chǔ)介質(zhì)的出現(xiàn)），使得以微型計(jì)算機(jī)、工作站為基礎(chǔ)的圖形系統(tǒng)進(jìn)入市場(chǎng)成為主流，CAD/CAM系統(tǒng)的應(yīng)用因此擴(kuò)大（大普及、大發(fā)展）。

CG向標(biāo)準(zhǔn)化/集成化/智能化/網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展:圖形標(biāo)準(zhǔn)趨于成熟;多媒體技術(shù)、人工智能及專家系統(tǒng)技術(shù)使CG應(yīng)用效果更好更強(qiáng)；20世紀(jì)90年頭以來(lái)(提高增加期)

14《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍因特網(wǎng)的普及使人們感到CG應(yīng)用無(wú)處不在；科學(xué)計(jì)算可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的應(yīng)用又對(duì)CG提出更新更高的要求，促進(jìn)CG向3維/高維的真實(shí)性、實(shí)時(shí)性方向快速發(fā)展。15《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍二.CG發(fā)展的幾個(gè)重要標(biāo)記圖形顯示設(shè)備的發(fā)展隨機(jī)掃描顯示器（1960’中期）：只能畫矢量線、價(jià)格貴；用刷新方式使圖像不閃爍。存儲(chǔ)管式顯示器（1960’后期）：無(wú)需刷新，價(jià)格較低；不能動(dòng)態(tài)修改圖形。光柵掃描顯示器（1970’中期）：可刷新，性能/價(jià)格比高；已普遍運(yùn)用。16《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍圖形輸入設(shè)備的發(fā)展限制開關(guān)、穿孔紙等；鍵盤；二維定位設(shè)備（如鼠標(biāo)、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等）；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(shì)、表情等）；用戶的思維（無(wú)形的，需結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）17《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍數(shù)據(jù)手套18《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍光筆，三維輸入設(shè)備19《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展背景（割據(jù)時(shí)代）：1970’前，各硬件廠商的圖形設(shè)備具有不同的功能，開發(fā)的圖形軟件包有各自專用的硬件平臺(tái)和高級(jí)語(yǔ)言接口，互不兼容，無(wú)法移植，限制了圖形設(shè)備技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)探討時(shí)代：為了提高軟件的通用性、發(fā)展與設(shè)備無(wú)關(guān)的圖形軟件。1974年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局ANSI在ACMSIGGRAPH的一個(gè)“與機(jī)器無(wú)關(guān)的圖形技術(shù)”會(huì)議上，提出了制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基本規(guī)則。此后，ACM特地成立了圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。20《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍標(biāo)準(zhǔn)形成時(shí)代：ACM于1977、1979年先后制定修改了CoreGraphicsSystem。ISO隨后發(fā)布了CGI、CGM、GKS、PHIGS等。這為CG的推廣、應(yīng)用、資源共享起了重要作用。非官方標(biāo)準(zhǔn)：由某個(gè)公司或商業(yè)組織開發(fā)推廣、在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。如SGI的OpenGL、MS的DirectX、X財(cái)團(tuán)的X-Window系統(tǒng)、Adobe的Postscript等。21《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍真實(shí)感圖形和實(shí)體造型技術(shù)的發(fā)展20世紀(jì)70年頭，CG另兩個(gè)重要進(jìn)展是真實(shí)感圖形學(xué)和實(shí)體造型技術(shù)的產(chǎn)生。1970年：Bouknight提出了第一個(gè)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(jiǎn)潔光照模型-Phong模型1973年：出現(xiàn)了英國(guó)劍橋高校CAD小組的Build系統(tǒng)、美國(guó)羅徹斯特高校的PADL-1系統(tǒng)等實(shí)體造型系統(tǒng)22《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍1980年：Whitted提出了一個(gè)光透視模型Whitted模型，第一次給出光線跟蹤算法的范例，實(shí)現(xiàn)Whitted模型1984年：美國(guó)Cornell高校和日本廣島高校的學(xué)者分別將熱輻射工程中的“輻射度方法”引入到CG中，成功地模擬了志向漫反射表面間的多重漫反射效果。光線跟蹤算法和輻射度算法的提出，標(biāo)記著真實(shí)感圖形的顯示算法已漸漸成熟。23《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍CG有關(guān)學(xué)術(shù)會(huì)議的發(fā)展ACMSIGGRAPH（theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques）會(huì)議是CG領(lǐng)域最權(quán)威的國(guó)際會(huì)議，每年在美國(guó)召開，參與會(huì)議的人數(shù)在50，000左右。SIGGRAPH會(huì)議很大程度上促進(jìn)了圖形學(xué)的發(fā)展，世界上不會(huì)有其次個(gè)領(lǐng)域會(huì)每年召開如此規(guī)模巨大的專業(yè)會(huì)議。SIGGRAPH是大約60年頭中期，由Brown高校的教授AndriesvanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa發(fā)起的。24《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍1974年，在Colorado高校召開了第一屆SIGGRAPH年會(huì)，并取得了巨大的成功，到了1997年，參與會(huì)議的人數(shù)已經(jīng)增加到48,700。因?yàn)槊磕曛讳浻么蠹s50篇論文，在ComputerGraphics雜志上發(fā)表，因此論文的學(xué)術(shù)水平較高，基本上代表了圖形學(xué)發(fā)展的主流方向。我國(guó)從1986年起，每年都有圖形學(xué)的學(xué)者參與該會(huì)并在會(huì)上宣讀論文。中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)、工程圖學(xué)學(xué)會(huì)自1988年起，每?jī)赡陮?shí)行一次與圖形學(xué)有關(guān)的國(guó)際會(huì)議：CADDM。25《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍0.2

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域26《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍是最廣泛、最活躍、最重的要應(yīng)用領(lǐng)域。與CG互為促進(jìn)發(fā)展。如：基于PDM的CAD/CAPP/數(shù)控仿真/CAM、建筑/機(jī)械結(jié)構(gòu)/產(chǎn)品設(shè)計(jì)（結(jié)構(gòu)分析和外形設(shè)計(jì)）、布局（各種管道，電子線路）、Boeing777的無(wú)紙?jiān)O(shè)計(jì)?；诠こ虉D紙的三維形體重建。

設(shè)計(jì)軟件：AutoCAD、SolidWorks、Pro/E、UG、CATIA、MDT、I-DEAS等。1.CAD/CAM27《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍28《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍29《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍30《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍31《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍32《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍33《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍34《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍35《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍2.可視化

干脆分析和處理海量的科學(xué)(工程)計(jì)算(測(cè)量)的數(shù)據(jù)，很難找到（提?。?shù)據(jù)的最本質(zhì)特征。但用圖形表示則能清晰地發(fā)覺事物的發(fā)展趨勢(shì)、變更規(guī)律。1986年，美科學(xué)基金會(huì)（NSF）特地召開研討會(huì)，提出了“科學(xué)計(jì)算可視化（VisualizationinScientificComputing）”。其次年，美國(guó)計(jì)算機(jī)成像專業(yè)委員會(huì)向NSF提交了“科學(xué)計(jì)算可視化的探討報(bào)告”后，VISC就快速發(fā)展起來(lái)了。目前應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)（CT、核磁共振圖像的重建），遙感遙測(cè)（的地球資源、軍事偵察、氣象數(shù)據(jù)），流體流場(chǎng)分析（風(fēng)洞、水槽試驗(yàn)中的渦流、湍流），石油勘探（油、氣隱藏分布），核爆模擬，有限元分析……。36《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍37《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍38《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍39《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍40《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍41《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍42《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍43《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍44《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍3.圖形實(shí)時(shí)繪制與自然景物仿真模擬真實(shí)由計(jì)算機(jī)重現(xiàn)真實(shí)世界場(chǎng)景的方法叫做真實(shí)感繪制。主要是模擬真實(shí)物體的物理屬性（包括物體形態(tài)、光學(xué)性質(zhì)、表面紋理細(xì)微環(huán)節(jié)，物體間的相對(duì)位置、遮擋關(guān)系等）。模擬光照效果：簡(jiǎn)潔/局部/整體光照模型。繪制方法：光線跟蹤法（模擬光的實(shí)際傳播過程）、輻射度方法（模擬能量交換）。45《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍實(shí)時(shí)顯示為在最短時(shí)間內(nèi)繪制出最真實(shí)的場(chǎng)景，真實(shí)感繪制還需探討加速算法——求交算法的加速、光線跟蹤的加速等，如包圍體樹、自適應(yīng)八叉樹都是著名的加速算法。當(dāng)前真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制的兩個(gè)熱點(diǎn)問題是：物體網(wǎng)格模型的面片簡(jiǎn)化（層次細(xì)微環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化）：網(wǎng)格模型的面片簡(jiǎn)化，就是指對(duì)網(wǎng)格面片表示的模型，在確定誤差的精度范圍內(nèi)，刪除點(diǎn)、邊、面，從而簡(jiǎn)化所繪制場(chǎng)景的困難程度，加快圖形繪制速度?；趫D象的繪制IBR（ImageBasedRendering）：IBR完全摒棄傳統(tǒng)的先建模，然后確定光源的繪制的方法。它干脆從一系列已知的圖象46《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍中生成未知視角的圖象，省去了建立場(chǎng)景的幾何模型和光照模型的過程，也不用進(jìn)行如光線跟蹤等極費(fèi)時(shí)的計(jì)算。該方法尤其適用于野外極其困難場(chǎng)景的生成和漫游。真實(shí)感繪制已經(jīng)發(fā)展到自然景物的模擬，如繪制山、水、云、樹、火等，可用多種方法繪制。如繪制火和草的粒子系統(tǒng)（ParticleSystem），基于生理模型的繪制植物的方法，繪制云的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)方法等；也出現(xiàn)了一些自然景物仿真繪制的綜合平臺(tái)，如德國(guó)Lintermann和Deussen的繪制植物的平臺(tái)Xforg，以及清華高校自主開發(fā)的自然景物設(shè)計(jì)平臺(tái)。47《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍48《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍4.計(jì)算機(jī)動(dòng)畫人們已經(jīng)不滿足于僅僅生成高質(zhì)量的靜態(tài)場(chǎng)景。事實(shí)上，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫也是生成一幅幅靜態(tài)圖象，但是每一幅都是對(duì)前一幅做一小部分修改（如何修改便是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的探討內(nèi)容），當(dāng)這些畫面連續(xù)播放時(shí)，整個(gè)場(chǎng)景就動(dòng)起來(lái)了。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫生成方法多種多樣，如基于特征的圖象變形，二維形態(tài)混合，軸變形方法、三維自由形體變形(FFD,Free-FormDeformation)等。49《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍基于特征的圖象變形（貓變虎）50《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍三維自由形體變形51《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍52《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍53《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍5.用戶接口用戶接口是人們運(yùn)用計(jì)算機(jī)的第一觀感。一個(gè)友好的圖形化的用戶界面能夠大大提高軟件的易用性。在DOS時(shí)代，傳統(tǒng)的軟件中有60％的程序是用來(lái)處理與用戶接口有關(guān)的問題和功能的。80年頭后，隨著X-window標(biāo)準(zhǔn)的提出，蘋果公司圖形化操作系統(tǒng)Macos的推出，特殊是微軟公司W(wǎng)indows操作系統(tǒng)的普及，以及Internet網(wǎng)頁(yè)閱讀器的廣泛運(yùn)用，標(biāo)記著圖形學(xué)已經(jīng)全面融入計(jì)算機(jī)的方方面面。操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件中的圖形、動(dòng)畫比比皆是，程序直觀易用。很多軟件幾乎可以不看任何說(shuō)明書，而依據(jù)它的圖形、或動(dòng)畫界面的指示進(jìn)行操作。54《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍6.計(jì)算機(jī)藝術(shù)用于美術(shù)創(chuàng)作的軟件很多，如二維平面的畫筆程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）、特地的圖表繪制軟件（如Visio）、三維建模和渲染軟件包（如3DMAX，Maya）、以及一些特地生成動(dòng)畫的軟件（如Alias，Softimage）等。這些軟件不僅供應(yīng)多種風(fēng)格的畫筆畫刷，而且供應(yīng)多種多樣的紋理貼圖，甚至能對(duì)圖象進(jìn)行霧化，變形等操作。55《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍56《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍57《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍傳統(tǒng)藝術(shù)的一些效果是上述軟件所不能達(dá)到的，比如鋼筆素描的效果，中國(guó)毛筆書法的效果；很多個(gè)人風(fēng)格化的效果。模擬藝術(shù)效果的非真實(shí)感繪制（NPRNon-PhotorealisticRendering）在真實(shí)感圖形學(xué)發(fā)展的同時(shí)也在漸漸發(fā)展。鋼筆素描是非真實(shí)感繪制的一個(gè)重要內(nèi)容，用計(jì)算機(jī)模擬鋼筆繪畫是20世紀(jì)90年頭的事情。很多學(xué)者已經(jīng)在這方面做了卓有成效的工作，比如華盛頓高校的GeorgesWinkenbach，MichaelP.Salisbury，德國(guó)Magdeburg高校的OliverDeussen等人都在Siggraph會(huì)議上發(fā)表了高水平的論文。輸入工具：鍵盤、鼠標(biāo)、手寫筆等;軟件工具：PhotoShop、CorelDraw、PaintBrush等58《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍Salisbury繪制的茶壺（Siggraph’97）

59《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍Salisbury繪制的熊（Siggraph’97）

60《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍OliverDeussen繪制的素描樹（Siggraph’2000）

61《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍7、其它領(lǐng)域醫(yī)療、教化、商業(yè)領(lǐng)域的交互式繪圖、統(tǒng)計(jì)分析/管理、等等62《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍63《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)生成一個(gè)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(diǎn)動(dòng)身，利用自然的技能和某些設(shè)備對(duì)這一生成的虛擬世界客體進(jìn)行閱讀和交互考察。網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)模擬（模擬核試驗(yàn)、虛擬制造/裝配）虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（VirtualReality）或稱虛擬環(huán)境（VirtualEnvironment)64《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍65《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍66《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍67《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍68《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍69《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍70《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍71《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍72《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍以圖形/圖像為主要數(shù)據(jù)的各種資源的數(shù)據(jù)庫(kù)（信息）系統(tǒng)。例如，城市交通信息系統(tǒng)、某地的地貌/地下資源信息系統(tǒng)，數(shù)字城市、數(shù)字地區(qū)、數(shù)字國(guó)家、數(shù)字地球。用于軍事、政府部門決策，旅游詢問、資源調(diào)查等。圖形信息系統(tǒng)（GIS）73《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍在計(jì)算機(jī)限制下，對(duì)多種媒體信息進(jìn)行生成、操作、表現(xiàn)、存儲(chǔ)、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(jì)算機(jī)處理的常見媒體：文本、圖形、圖像、語(yǔ)音、音頻、視頻、動(dòng)畫。特點(diǎn)：媒體的多樣性、操作的交互性、系統(tǒng)的集成性。例如，用于CAI教學(xué)、消遣游戲。多媒體74《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍電腦游戲---實(shí)時(shí)性、逼真性電視廣告，節(jié)目片頭，科教演示（CAI）作品：“獅子王”、“花木蘭”、“古墓麗影”，“侏羅紀(jì)公園”、“皇帝的新衣”，“西游記”、“寶蓮燈”……軟件：MAYA,3DS-MAX,SOFTIMAGE…消遣過程限制化工流程/電力監(jiān)控系統(tǒng)、火箭放射限制與監(jiān)視系統(tǒng)……75《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍76《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍77《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍78《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍0.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的探討內(nèi)容

一、CG是什么?

1.CG定義通過程序和算法，將計(jì)算機(jī)的輸入/輸出信息以圖形方式顯示給用戶。運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟、硬件生成圖形的理論、方法、技術(shù)。概括地說(shuō)：CG是探討用計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備處理圖形的原理、方法、技術(shù)的學(xué)科。79《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍圖形處理的內(nèi)容：圖形生成、圖形描述、圖形存儲(chǔ)、圖形變換、圖形繪制、圖形輸入/輸出。2.圖形是什么？從廣義上說(shuō)，圖形是指能在人的視覺系統(tǒng)中產(chǎn)生視覺印象的客觀對(duì)象，它包括人眼視察到的自然景物、拍攝到的圖片、繪圖工具得到的工程圖、用數(shù)學(xué)方法描述的圖形等。圖形是由點(diǎn)、線、面、體等幾何元素和灰度、色調(diào)、線型、線寬等非幾何屬性組成。80《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍從處理技術(shù)上來(lái)看，圖形主要分為兩類：基于線條信息表示的，如工程圖、等高線圖、曲面的線框圖等；明暗圖(Shanding)，也就是通常所說(shuō)的真實(shí)感圖形。

圖形構(gòu)成要素：幾何要素：刻畫對(duì)象的輪廓形態(tài)的點(diǎn)、線、面、體等幾何信息；非幾何要素：刻畫對(duì)象表面屬性或材質(zhì)的顏色、灰度等非幾何信息。81《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍由于真實(shí)感圖形計(jì)算的結(jié)果是以數(shù)字圖象的方式供應(yīng)的，圖形與圖象兩個(gè)概念間的區(qū)分越來(lái)越模糊。但我們認(rèn)為還是有區(qū)分的：圖象純指計(jì)算機(jī)內(nèi)以位圖(Bitmap)形式存在的灰度信息，而圖形含有幾何屬性，或者說(shuō)更強(qiáng)調(diào)場(chǎng)景的幾何表示，是由場(chǎng)景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成的。82《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍3.計(jì)算機(jī)中表示圖形的方法

點(diǎn)陣表示：枚舉出圖形中全部的點(diǎn),稱像素圖、圖像。強(qiáng)調(diào)圖形由哪些點(diǎn)組成，各點(diǎn)有什么顏色。

參數(shù)表示：形態(tài)參數(shù)+屬性參數(shù)表示，簡(jiǎn)稱參數(shù)圖、圖形。形態(tài)參數(shù)指描述圖形的方程或分析表達(dá)式的系數(shù)、線段或多邊形的頂點(diǎn)坐標(biāo)等；屬性參數(shù)指顏色、線型等。83《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的探討內(nèi)容特別廣泛，具體地說(shuō)，包括：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(shí)體造型、真實(shí)感圖形計(jì)算與顯示算法，以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。概括地說(shuō)，包括：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(jì)算機(jī)，以便進(jìn)行各種處理

二、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的探討內(nèi)容84《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍圖形的處理----對(duì)圖形進(jìn)行變換（幾何、投影）和運(yùn)算（并、交、差）處理

圖形的輸出----將圖形的特定表示形式轉(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(jī)上輸出或者說(shuō)，CG主要探討：圖形硬件設(shè)備/圖形專用算法/圖形軟件系統(tǒng)85《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍三、與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的學(xué)科

CG是探討圖形（圖像）的計(jì)算機(jī)生成和基本圖形操作，是從數(shù)據(jù)描述到圖形生成的過程。圖像處理----探討對(duì)象為數(shù)字圖像，包括對(duì)一幅連續(xù)圖像采樣、量化以產(chǎn)生數(shù)字圖像，對(duì)數(shù)字圖像做各種變換以便利處理，如何濾去圖象噪聲，壓縮圖像數(shù)據(jù)以便存儲(chǔ)和傳輸，如何提取圖像的物體邊緣，增加圖像的某些特征等。是由模糊圖像再現(xiàn)清晰圖像的過程。例如：氣象衛(wèi)星云圖分析、CT掃描……。86《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍計(jì)算機(jī)視覺(模式識(shí)別)----分析和識(shí)別輸入的數(shù)字圖像，從中提取二維或三維的數(shù)據(jù)模型（特征）。是從圖像到數(shù)據(jù)/幾何模型描述的過程。例如：手寫漢字識(shí)別、郵政編碼識(shí)別、工程圖矢量識(shí)別……。計(jì)算幾何----探討幾何模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示、分析和綜合，以及數(shù)據(jù)處理的學(xué)科。包括曲線曲面的表示、生成、拼接和造型，三維立體造型，散亂數(shù)據(jù)插值，計(jì)算困難性等。87《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍數(shù)字圖像數(shù)據(jù)幾何模型圖像生成（CG）模型（特征）提?。ㄓ?jì)算機(jī)視覺，模式識(shí)別）模型變換（計(jì)算幾何）圖像變換（圖像處理）四門學(xué)科的相互關(guān)系特點(diǎn):相互交叉、滲透，界線已變得模糊88《交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》南京航空航天高校伍鐵軍0.4CG的