计算机图形学01 绪论讲解

《计算机图形学01 绪论讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机图形学01 绪论讲解（75页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、*1 计算机图形学 曹晓阳 *2 教学要求 n了解图形系统的框架及其涉及的软件、 硬件技术； n了解图形学的基本问题，掌握图形学的 基本概念、方法与算法； n对与图形相关的应用及当前的研究热点 有一个初步认识； n具有一定实践体会和相关的编程能力。 *3 参考书： n主要参考书： n孙家广：计算机图形学（第三版），清华大学出版 社，1999 。 nDonald Hearn, M. Pauline Baker ,“Computer Graphics (C Version)”, Prentice Hall , 1997. nJames D. Foley, Andries van Dam etc.,

2、 “Introduction to Computer Graphics”, Addison- Wesley, 1996 nSiggraph 期刊 *4 第一章 绪论 1.1 研究内容 1.2 发展历史 1.3 计算机图形学的应用及研究前沿 *5 1.1 研究内容 图形学所研究的内容何谓图形 构成图形的要素 图形在计算机中的两种表示法 *6 什么是计算机图形学 n n 定义：定义： 计算机图形学是研究怎样用数字计算机生 成、处理和显示图形的一门学科。 n图形主要分为两类： n基于线条信息表示的，如工程图、等高 线地图、曲面的线框图等线条图 n明暗图(Shading)，也就是通常所说的真 实感图形

3、（类似照片）。 *7 什么是图形 n图形：计算机图形学的研究对象 n能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观 对象 n包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法 描述的图图形等等 n构成图形的要素 n几何要素：刻画形状的点、线、面、体等几 何要素 n非几何要素：反映物体表面属性或材质的灰 度颜色等非几何要素。 n如，球体。 *8 表示图形的方法 n点阵法。枚举出图形中所有的点来表 示图形，强调图形由点构成，及其点的 属性（颜色）：通常称为像素图或图象 。 n参数法：由图形的形状参数和属性参 数来表示图形，简称图形。 n形状参数：方程或分析表达式的系数， 线段的端点坐标等。 n属性参数：颜色、线型等。

4、*9 图形与图象 n两个概念间的区别越来越模糊 n区别： n图图象纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存 在的灰度信息 n图图形含有几何属性，或者说更强调场景的 几何表示，是由场景的几何模型和景物的物 理属性共同组成的 *10 Graphics与Image的对比 1. 数据量很少 数据量很大 2. 有结构，便于编辑修改无结构，不便于编辑修改 3. 能准确表示 3D 景物， 易于生成所需的 不同视图 3D 景物的信息巳部分丢失，很难生 成不同的视图 4. 生成视图需要复杂的计算生成视图不需要复杂的计算 5. 自然景物的表示很困难参数方程自然景物的表示不困难拍照 6. 国 际 标 准 ： GKS

5、,PHIGS,OpenGL, WMF,VRML; CGM,STEP, 国际标准： JBIG,JPEG,IPI/IIF;TIFF 7. 编辑软件(绘图软件): AutoCAD,CorelDRAW 编辑软件(图象处理软件)： Photoshop,Photostyler graphicsimage *11 Graphics 与 Image 的关系 绘制 (image synthesis) graphics model digital image image analysis (recognition) image digitizing (image capturing) 现实的景物 可视的图象 计算

6、或测量 得到的大量 数据 Visualization in Scientific Computing (VISC) 假想的或 概念上的 景物 Image processing playback (reconstruction) modeling *12 图形学研究内容和方法 nmodeling + Rendering via I/O nmodeling : 构造实实体（2D, 3D）； nrendering: 使3D物体看起来更象； n各种输输入输输出（图图形）设备设备 n客观和主观实体的计算机表示 n真实实的， 虚拟拟的， n主要目标：更逼真的表达、更快捷的方法 、 更方便的交互 *13 与

7、计算机图形学相关的学科：1.CAGD（ Computer Aided Geometric Design） 计算机辅助几何设计 n几何形体在计算机中的表示，分析、研究怎样灵活 方便地建立几何形体的数学模型，提高算法效率， 在计算机内更好地存储和管理这些模型等。主要研 究曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合。与 计算机图形学的侧重点不同。 *14 2.图象处理（易混淆） n研究如何对一幅连续图像取样、量化以产生数字 图像，如何对数字图像做各种变换以方便处理， n如何滤去图像中的无用噪声，如何压缩图像数据 以便存储和传输，图像边缘提取，特征增强和提 取。 *15 3.计算机视觉和模式识别 n图形学

8、的逆过程，分析和识别输入的图像并从 中提取二维或三维的数据模型（特征）。手写 体识别、机器视觉。 *16 与相关学科的关系 数 字 图 像 数 据 模 型 图像生成（计算机图形学） 模型（特征）提取 （计算机视觉和模式识别） 模型变换 （CAGD） 图像变换 （图像处理） *17 发展特点 n交叉、界线模糊、相互渗透 n从国际会议SIGGRAPH可知 *18 1.2 发展历史 历史追溯 硬件发展 图形显示器的发展 图形输入设备的发展 图形软件及软件标准的发展 *19 历史追溯 n50年代 n1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学 院（MIT）旋风I号（Whirlwind I）计算机的附

9、件诞 生了 n1958年，美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发 展成滚筒式绘图仪 ，GerBer公司把数控机床发展 成为平板式绘图仪 n50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上 开发SAGE空中防御体系 *20 n60年代 n1962年，MIT林肯实验室的I. E. Sutherland发表了 一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系 统”的博士论文-确定了交互图图形学作为为一个 学科分支（提出基本交互技术术、图图元分层层 表示概念及数据结结构)。 n1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier 提出 Bzier曲线、曲面的理论 n1964年MIT的教

10、授Steven A. Coons提出了超限插值 的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲 面。Coons 曲面 *21 n70年代 n光栅图形学迅速发展 n区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其 相应算法纷纷诞 生 n图形软件标准化 n1974年，ACM SIGGRAPH的与“与机器无关的图 形技术”的工作会议 nACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系 统”（Core Graphics System） nISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS *22 n真实感图形学 n1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型 n1971年Gourand提出“漫反射模型插值”的思想

11、 ，被称为Gourand明暗处理 n1975年，Phong提出了著名的简单光照模型- Phong模型 n实体造型技术 n英国剑桥大学CAD小组的Build系统 n美国罗彻斯特大学的PADL-1系统 *23 n80年代 n1980年Whitted提出了一个光透视模型- Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法 的范例，实现Whitted模型 n1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学 的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法 引入到计算机图形学中 n图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发 展 *24 n90年代：微机和软件系统的普及使得图形学的 应用领域日益广泛。 n标准化、集成化、智能化

12、 n多媒体技术、人工智能、科学计算可视化 、虚拟现实 n三维造型技术 *25 nACM SIGGRAPH会议小知识 n全称 “the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques” n60年代中期，由Brown 大学的教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司的Sam Matsa发起 n1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH 年会，并取得了巨大的成功 n每年只录取大约50篇论文，图形学顶级文章 nR *26 硬件发展-图形显示器的发展 图形显示器是计算机图

13、形学中关键的设备 n60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器） 较高分辨率和对比度，良好的动态性能。 闪烁，需要刷新，缓冲存储器，需要高速处理器 。 设备昂贵，限制普及 n60年代后期：存储管式显示器 不需刷新和缓存，价格较低，缺点是不具有动态 修改图形功能，不适合交互式，已慢慢淘汰。 *27 硬件发展 n70年代初，刷新式光栅扫描显示器出现，大大地 推动了交互式图形技术的发展。 n以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区存放点 阵，由视频控制器负责刷新扫描。 n70年代中期：廉价的固体随机存储器出现。 *28 硬件发展 图形输入设备的发展 n第一阶段：控制开关、穿孔纸等等 n第二阶段：键盘 n第

14、三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔 、图形输入板、触摸屏等等，语音 n第四阶段：三维输入设备（如空间球、数 据手套、数据衣），用户的手势、表情等等 n第五阶段：用户的思维研究阶段 *29 *30 *31 图形软件发展及软件标准形成 三种类型的计算机图形软件系统： (1)用某种语言写成的子程序包 如: GKS (Graphics Kernel System) 、PHIGS(Programmers Herarchical Interactive Graphics system )、GL 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低 (2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的 功能 如：Turbo

15、 Pascal、Turbo C，AutoLisp等。 简练、紧凑、执行速度快，但可移植性差 （3）专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植 性差。针对某硬件。 *32 lGKS (Graphics Kernel System) (第一个官方标准， 1977) lPHIGS(Programmers Herarchical Iuteractive Graphics system) 一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的 标准 lDirectX (MS) lXlib(X-Window系统) lOpenGL(SGI) lAdobe公司Postscript 发展趋势：开放式、高效率的发展

16、趋势 通用的、与设备无关的图形包，图形标准 *33 图形学的发展现状 n基本内容已成熟，尤其是二维光栅图形学； 3D图形算法已较成熟，硬件上更新加快；但 无突破，更逼真更快（依赖于硬件），但难以 做到完全真实。 *34 图形学的发展现状 nModeling：NURBS曲线曲面，近二十年来 无突破，新的算法层出不穷。 nRendering（绘制）: 真实感；非真实感（表 意，插图，Cartoon, 碳笔画） nI/O(输入输出): 立体眼睛；数据手套；数 据衣；可穿戴PC，3D Mouse, 无突破。 *35 我国现状 n发展迅速，图形算法水平高，硬件采用国 外最新元器件。 n应用有差距，商品化软件产品国际竞争力 低。 n应用不错，底层平台较差 n人才缺乏。 *36 1.3计算机图形学的应用及研究前沿 图形用户界面 n介于人与计算机之间，人与机器的通信，人机界面 （HCI）：软件硬件 n发展：由指示灯和机械开关组成的操纵界面由终 端和键盘组成的字符界面（80年代）由多种输入 设备和光栅图形显示设备构成的图形用户界面（ GUI）（90年代，