計算機圖形學(xué)第一章

計算機圖形學(xué)第一章第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四教學(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)前的研究領(lǐng)域有一個初步認識；具有一定實踐體會和相關(guān)的編程能力。第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四課程內(nèi)容?計算機圖形學(xué)綜述及其應(yīng)用?計算機圖形系統(tǒng)?計算機基本圖形生成算法?幾何造型技術(shù)?圖形幾何變換?真實感圖形顯示第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四采用的教材：《計算機圖形學(xué)》，電子工業(yè)出版社，第三版，DonaldHearn,M.PaulineBaker著，蔡士杰，宋繼強，蔡敏等譯第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四主要參考目錄孫家廣，計算機圖形學(xué)（第三版），清華大學(xué)出版社，1999。?唐榮錫，計算機圖形學(xué)教程（修訂版），科學(xué)出版社，2000?唐澤圣，計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)，清華大學(xué)出版社，1995?計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報?中國圖形圖像學(xué)報?SIGGRAPH(SpecialInterestGrouponComputerGraphics(美國計算機協(xié)會)計算機繪圖專業(yè)組)第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四

第1章緒論

-計算機圖形學(xué)綜述及其應(yīng)用第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四內(nèi)容：–1、計算機圖形學(xué)定義–2、計算機圖形學(xué)的發(fā)展歷史–3、計算機圖形學(xué)的應(yīng)用第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四1、計算機圖形學(xué)定義?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、用數(shù)學(xué)方法描述的圖形等。?構(gòu)成圖形的要素–幾何要素：刻畫對象的輪廓、形狀等,點、線、面、體等。–非幾何要素：刻畫對象的顏色、材質(zhì)等。第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四計算機圖形學(xué)（COMPUTERGRAPHICS）定義：

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。第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四

IEEE(美國電氣與電子工程（IEEE）)定義：

Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)是一個國際性的電子技術(shù)與信息科學(xué)工程師的協(xié)會，是世界上最大的專業(yè)技術(shù)組織之一第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四

圖像處理（IMAGEPROCESSING）定義：

用計算機對圖像進行分析，以達到所需結(jié)果的技術(shù)。又稱影像處理。第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四

模式識別(PATTERNRECOGNITION)定義：

是指對表征事物或現(xiàn)象的各種形式的(數(shù)值的、文字的和邏輯關(guān)系的)信息進行處理和分析,以對事物或現(xiàn)象進行描述、辨認、分類和解釋的過程,是信息科學(xué)和人工智能的重要組成部分。第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四計算幾何（COMPUTATIONALGEOMETRY）定義：

由函數(shù)逼近論、微分幾何、代數(shù)幾何、計算數(shù)學(xué)等形成的邊緣學(xué)科，研究幾何形體的計算機表示、分析和綜合。它是計算機輔助設(shè)計（即CAGD）的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四2、計算機圖形學(xué)發(fā)展歷史?醞釀期（50年代）-1950年，美國MIT（麻省理工學(xué)院）的旋風(fēng)1號(WhirlwindI)計算機配備了陰極射線管(CRT)來顯示一些簡單的圖形–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空中防御體系第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四萌芽期（60年代）–1962年，美國MIT（麻省理工學(xué)院）林肯實驗室的Ivan.E.Sutherland發(fā)表了一篇題為"Sketchpad：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”–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。第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四?發(fā)展期（70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舉辦了與“與機器無關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會議。?ACM（美國計算機協(xié)會-AssociationforComputingMachinery）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、PHIGS、GL圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四–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)第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四普及期（80年代）-出現(xiàn)了帶有光柵圖形顯示器的個人計算機和工作站–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,成功模擬了理想漫反射表面間的多重漫反射效果–圖形硬件和各個分支均在這個時期飛速發(fā)展第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四提高增強期（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。–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)第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四持續(xù)發(fā)展期（21世紀(jì)）滲透到各個行業(yè)的各個方面促進計算機硬件的進一步發(fā)展總體特征：技術(shù)發(fā)展、需求驅(qū)動第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四3、計算機圖形學(xué)的應(yīng)用計算機圖形學(xué)技術(shù)近年來主要的應(yīng)用領(lǐng)域：（1）計算機輔助設(shè)計、制造（CAD/CAM）。這是計算機圖形學(xué)最重要的一個應(yīng)用領(lǐng)域，包括機械、電子、建筑、航空航天等方面。相關(guān)（2）地形地貌和自然資源圖。（3）科學(xué)技術(shù)及事務(wù)管理。（4）過程控制及系統(tǒng)環(huán)境模擬。（5）計算機輔助教學(xué)。相關(guān)（6）電子印刷及辦公自動化。（7）藝術(shù)模擬。相關(guān)（8）科學(xué)計算的可視化。相關(guān)下一內(nèi)容第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四?圖和表–主要用來形成報告、插圖–應(yīng)用于財政、統(tǒng)計、數(shù)學(xué)、科學(xué)和經(jīng)濟數(shù)據(jù)

返回第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四三維圖線框圖三維實體消影圖

返回第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四?計算機輔助設(shè)計（CAD-ComputerAidDesign返回?機械、建筑、電子線路等圖形設(shè)計?建筑、機械等二維制圖和三維實體造型）平面制圖（二維）第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四計算機藝術(shù)–主要用于美術(shù)和商業(yè)藝術(shù)中–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）、視頻編輯軟件（Premier）?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）第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四計算機藝術(shù)的例子第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四

娛樂與計算機動畫–主要用于制作動畫、音樂錄像片、電視片–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?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)動畫與人體動畫返回第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四科學(xué)計算可視化–“科學(xué)家們不僅需要分析由計算機得出的計算數(shù)據(jù)，而且需要了解在計算過程中數(shù)據(jù)的變化”–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)用于地質(zhì)、醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、有限元分析、氣象分析當(dāng)中第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四

CT照片返回第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四4.與計算機圖形學(xué)相關(guān)的學(xué)科計算機圖形學(xué)試圖從非圖象形式的數(shù)據(jù)描述來生成（逼真的）圖象。數(shù)字圖象處理旨在對圖象進行各種加工以改善現(xiàn)有圖片質(zhì)量和視覺效果。計算機視覺是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)。第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四第32頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四圖像處理?主要應(yīng)用1)改善圖片質(zhì)量2)機器視覺第33頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四圖形和圖像有什么區(qū)別？?圖形和圖像實質(zhì)是矢量圖與點位圖的關(guān)系矢量圖是用一系列計算機指令來描述一幅圖，這種方法實際是用數(shù)學(xué)方法來描述一幅圖，是許多的數(shù)學(xué)表達式通過語言表達出來。點位圖是把彩色圖分成許許多多的象素，每個象素用若干個二進制位來指定該象素的顏色、亮度和屬性。第34頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四除了在構(gòu)成原理上的區(qū)別之外，還具有以下區(qū)別：1、圖的獲取方式不同2、圖的存儲空間不同，圖像的數(shù)據(jù)量相對較大，圖形的數(shù)據(jù)量相對較少。3、圖的顯示速度不同4、圖像的像點之間沒有內(nèi)在的聯(lián)系，在放大與縮小時，部分像點被丟失或被重復(fù)添加，導(dǎo)致圖像的清晰度受影響，而圖形由