计算机图形学电子教案c1讲解

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1、计算机图形学 安徽工程大学计算机与信息学 院 主讲：杨丹 E-mail: hotman19730916 Tel:13625539809 先修课程： 高等数学 线性代数 画法几何与机械制图（可选） C/C+或其它有绘图功能的编程语言 数据结构 教学要求： 了解计算机图形学的发展概况；了解计算机图形学的发展概况； 了解计算机绘图系统的软硬件组成；了解计算机绘图系统的软硬件组成； 掌握计算机图形学的基本算法和理论；掌握计算机图形学的基本算法和理论； 具有一定的图形程序设计能力；具有一定的图形程序设计能力； 了解计算机图形学的应用概况了解计算机图形学的应用概况。 教学内容 n二维光栅图形学 n基本图元

2、的生成、显示 n图形变换（选学） n几何变换、坐标变换 n投影 n自由曲线与曲面 n几何造型技术简介 n真实感图形学简介 n消隐、光照、纹理 n计算机图形学的相关应用 教材或参考书： n教材： n孙家广等，计算机图形学基础教程，清华大学出版 社，2005。 n主要参考书： n孙家广等，计算机图形学（第三版），清华大学出 版社，2002。 n潘云鹤等，计算机图形学原理、方法及应用，高 等教育出版社，2003。 n魏海涛，计算机图形学，电子工业出版社，2001。 n杜世培，计算机图形学，重庆大学出版社，2001。 推荐资料 n图形学的杂志和会议 n会议： Siggraph， Eurograph，

3、Pacific Graphics， Computer Graphics International， Graphics Interface n杂志: ACM Transaction on Graphics IEEE Computer Graphics and Application IEEE Visualization and Computer Graphics Graphical Models Computer Graphics Forum The Visual Computer 中国图形图象学报 第1章 绪论 1.1 计算机图形学的发展简史 1.2 计算机图形学的研究内容 1.3 计算机图

4、形学的应用领域 1.4 计算机图形学与相关学科的关系 1.1 计算机图形学发展简史 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）计算机的附件诞生 了。该显示器用一个类似于示波器的阴极射线管（ CRT）来显示一些简单的图形。 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。 n到50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，第一次使用了具有指挥和 控制功能的CRT显示器，操作者可以用笔在屏幕上指 出被确定的目标。 n在整个50年代，计算机

5、图形学处于准备和酝酿时期 。 台式绘图机滚筒绘图机 五十年代麻省理工制造的超级电脑 Whirlwind I 阴极射线管（CRT） 台式绘图机 滚筒绘图机 字长：16 bit 速度：1 Mhz 主存：4K 占地：一万平方尺 重量：两万磅 价值：450万美元 电力消耗：150kwh 1.1 计算机图形学发展简史 n60年代 n1963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。首次使用“Computer Graphics”这个术语，证明了交 互式计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域。 n提出图形学的概念，

6、成就“图形学之父”的英名 n获： IEEE 计算机杰出成就奖 “图灵”奖 Coons奖 1.1 计算机图形学发展简史 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。 n他们成为CAGD、CAD的先驱。 n图形学最高奖以Coons的名字命名。 Pierre Bzier Spacewars: first computer graphics game (MIT 1961) SketchPad: first interactive

7、graphics (1961) Whirlwind: early graphics using VectorScope (1951) first CAD system (IBM 1959) 1.1 计算机图形学发展简史 n70年代是计算机图形学发展过程中一个重要的历史时期。 n光栅显示器的产生，图形学进入了第一个兴盛的时期，并开 始出现实用的CAD图形系统。 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

8、、GKS、PHIGS GourandPhong 1.1 计算机图形学发展简史 n70年代，计算机图形学另外两个重要进展是真实感 图形学和实体造型技术的产生。 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， 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。 这些可以算是真实感图形学最早的开创性工作。 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 1.1 计算机图形学发展简史 n1980年Whitted提出了一个光透视模型Whitte

9、d模 型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，并实现了 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，用辐射度方法成功地模拟了理想漫反射表面 间的多重漫反射效果。 n光线跟踪算法和辐射度算法的提出，标志着真实感 图形的显示算法已逐渐成熟。 n如何生成？ n建模 n渲染 n投影 1.1 计算机图形学发展简史 n80年代中期以来，超大规模集成电路的发展，为图 形学的飞速发展奠定了物质基础。 n图形工作站的出现，如Apollo、Sun、HP等。 n计算机的运算能力的提高，图形处理速度的加快， 使得图形学的各个研究方向

10、得到充分发展。图形学 已广泛应用于动画、科学计算可视化、CAD/CAM、 影视娱乐等各个领域。 1.1 计算机图形学发展简史 n90年代中期以来，PC和软件系统的普及使得图形学 的应用领域日益广泛。 n图形学已经同模式识别、人工智能、数据库等众多 领域结合，形成一些交叉学科，如多媒体、虚拟现 实等。 n计算机图形学之所以能在它短短的40多年历史中获 得飞速发展，其根本原因是图形为传递信息的最主 要媒体之一。 1.1 计算机图形学发展简史 五十年代 MIT 旋风一号，计算机驱动CRT，SAGE( 交互式图形技术诞生) 六十年代图形学之父，CAD ，随机扫描显示器 光栅扫描显示器，新型的图形输入设

11、备， 图形软件标准，真实感图形学产生 八十年代至九十年 代初 图形工作站(Apollo,Sun,Hp)，真实感图形 学发展 时间特 征 九十年代至今PC普及，学科交叉（多媒体、VR等） 七十年代至八十年 代初 1.2 计算机图形学的研究内容 n什么是计算机图形学？ n是研究怎样利用计算机表示、生成、处理和显示 图形的(原理、算法、方法和技术)一门学科。 nIEEE定义：Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer. 1.2 计算机图形学的研究内容 n图

12、形与图像 n图像指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰 度信息。 n图形含有几何属性，更强调物体的几何表示， 是由物体的几何模型(几何参数)和物理属性(属 性参数)共同组成的。 1.2 计算机图形学的研究内容 定义义 具体内容 图图形的输输入研究将图形或图形数据输入到计 算机中的技术和设备 键盘 、鼠标、图形输入 板、扫描仪等设备 的研 制 图图形的表示研究在计算机中用点、线、面的坐 标值 (几何信息)和连接关系(拓扑信 息)建立几何模型的方法 线框模型、面模型、体模 型等 图图形的存储储按一定数据结构组织图 形数据并 将其存储在动态 或永久性介质中 常用的数据结构有线性 链表、二叉树、

13、四叉树 等 图图形的处处理对图 形进行几何变换 或投影变换 以及并、交、差运算等操作 图图形的显显示 与输输出 将计算机内特定表示形式的图形转 换成图形输出设备 能够接受的表 示形式，并将图形在计算机屏幕上 或者打印机等输出设备 上显示或 绘制输出 主要研制各种显示器和打 印、绘图设备 ，如液晶 显示器、等离子显示器以 及携带更方便、色彩更丰 富的新一代显示器 1.3 计算机图形学的应用领域 n图形用户界面 n计算机辅助设计与制造（CAD/CAM） n科学计算可视化 n地理信息系统 n计算机动画 n计算机艺术 n虚拟现实 n逆向工程 1.3.1 CAD/CAM n以计算机为主要技术手段来生成和

14、运用各种数字信息 与图形信息，以进行产品设计和制造。 nCAD/CAM和计算机图形学（ Computer Graphics）是 紧密联系在一起的。 nCAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃 的应用领域 n飞机、汽车、船舶的外形的设计 n发电厂、化工厂等的布局 n土木工程、建筑物的设计 n电子线路、电子器件的设计 n设计结果直接送至后续工艺进行加工处理，如波 音777飞机的设计和加工过程 奥迪线框图和效果图 机械CAD系统所生成的零件、装配件 boeing777 n科学技术的迅猛发展，数据量的与日俱增，如果能将 这些数据用图形形式表示出来，便于找到变化规律， 提取特征，常常会使问题迎

15、刃而解。 n科学计算可视化(Visualization in Scientific Computation )综合利用计算机图形学、图像处理、计 算机视觉、计算机辅助设计等多门学科，将数据转换 成图形及图像并进行交互处理，利用人的视觉功能提 高人的理解数据的能力。 n科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元 分析、气象分析当中。 1.3.2 科学计算可视化 流场可视化 声场可视化 温度场可视化 医学应用 地学应用 1.3.3 计算机艺术 n利用计算机软件进行艺术创作。 n可用于美术创作的软件很多，如二维平面的画笔 程序(如CorelDraw，Photoshop，PaintShop)、专

16、门的图表绘制软件(如Visio)、三维建模和渲染软 件包(如3DMAX，Maya)、以及一些专门生成动画 的软件(如Alias，MaYa，SoftImage)等。 艺术实例 分形图案艺术实例 1.3.3 计算机艺术 n影视制作 n游戏 n动画 n 基于特征的图象变形（猫变虎） 1.3.4 计算机艺术 n用户接口是人们使用计算机的第一观感。一个友好的 图形化的用户界面能够大大提高软件的易用性，在 DOS时代，计算机的易用性很差，编写一个图形化的 界面要费去大量的劳动，过去软件中有60的程序 是用来处理与用户接口有关的问题和功能的。 n进入80年代后，随着Xwindow标准的面世，苹果公 司图形化操作系统的推出，特别是微软公司Windows 操作系统的普及，标志着图形学已经全面融入计算机 的方方面面。 n人机交互技术通常是以WIMP为特征的图形用户界面 。 1.3.4 图形用户界面 1.3.5真实感图形绘制与自然景物仿真 n计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘 制； n真实感绘制的主要任务是模拟真