计算机图形学PPT课件

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1、可编辑 1 计算机图形学伍铁军 可编辑 2 计算机图形学是计算机科学最活跃的分支之一 与计算机软 硬件技术相互影响 发展 由于图形是传递信息的最主要媒体之一 所以计算机图形学被广泛应用于生活 科学 工程技术 艺术 音乐 舞蹈 电影等方面 反过来 广泛的应用需求又大大促进了它的发展 可编辑 3 教学目的与要求 介绍交互式计算机图形学的基本概念 原理 算法及其系统组成 重点掌握光栅图形生成算法 2D 3D几何变换及观察控制原理 几何建模和真实感图形显示技术 人机交互技术和用户界面设计方法 了解图形标准的特点 图形系统的组成及性能 主要外设的工作原理 了解计算机图形学的最新发展动态 介绍交互式计算机

2、图形学的基本概念 原理 算法及其系统组成 重点了解ICG的基本理论知识 图形系统的组成 计算机图形机图形学的发展动态 实践和提高图形编能 可编辑 4 教学方法 原理 算法的讲解 用3DSMax演示 帮助对原理 算法的理解 VC OpenGL编程实现 课堂讨论和学生上台来演示 整个课程要完成几个大作业 是最后成绩好坏的关键 也是能不能有所收获的关键 要求 一定要按时完成 超过时间不再接收提交的作业 可编辑 5 教学任务 32 总学时 32 理 20 上机 形式 课堂 20 辅导上机 12 自己上机 20 可编辑 6 1 交互式计算机图形学 航空工业出版社 2000 2 计算机图形学 新版 孙家广

3、 杨长贵 清华大学出版社 1995 3 计算机图形学教程 修订版 唐荣锡 彭群生等 科学出版社 2000 4 计算机图形学的算法基础 DavidF Rogers著 石教英 彭群生等译 5 计算机图形学 DonaldHearn M PaulineBaker著 蔡士杰等译6 ComputerGraphicswithOpenGL 美 DonaldHearn M PaulineBaker 主要参考书 可编辑 7 7 ComputerGraphicsUsingOPENGL SecondEdition 美 F S Hill JR 8 OPENGL编程权威指南MasonWooJackieNeiderFTom

4、DavisDaveShreiner9 ProgrammingVISUALC 6 0技术内幕 第五版 修订版 DavidJ Kruglinski ScotWingo GeorgeShepherd10 VISUALC 6从入门到精通 美 MichaelJ Young 可编辑 8 0 1计算机图形学的发展历史0 2计算机图形学的应用领域0 3计算机图形学的研究内容0 4计算机图形学的研究动态 0绪论 可编辑 9 背景 1946年 计算机诞生时 CG还未出现 计算机仅仅是为了科学 数值 计算而研制的 因为具有 自动准确快速高效 特点 随着计算机在科学计算领域中应用的深入 同时应用范围的扩大 人们对计算

5、机的要求已不仅仅满足于计算了 又有新的要求 数值计算 数据处理的结果具有直观性 用图形表示 显示 0 1计算机图形学的发展历史一 发展历史与背景 可编辑 10 绘制 打印 出来 如示波器效果 特别是在工程应用领域 机械 电子 建筑 航空 航天 船舶 汽车 等 以大量的图形信息为处理对象 结果仍用图形表示 可见 使计算机具有图形处理功能是客观现实的迫切需要 1950年 MIT第一台图形显示器作为旋风1号计算机的附件诞生 用一个类似于示波器的CRT由计算机驱动显示简单图形 无交互功能 20世纪50年代 萌芽期 可编辑 11 1958年 两种绘图仪器问世 20世纪50年代末 MIT林肯实验室在 旋风

6、 计算机上研制的SAGE 美国战术防空系统 中第一次使用具有指挥 控制功能的CRT显示器 可用光笔在屏幕上指定目标 这些预示ICG的诞生 1963年 MIT林肯实验室的I E Sutherland发表了博士论文 Sketchpad 一个人机通信的图形系统 第一次使用了 ComputerGraphics 20世纪60年代 发展期 可编辑 12 术语 论文证明了ICG是一个可行 有用的研究领域 确立了计算机图形学作为一个独立学科的地位 因此 I E Sutherland被称为 图形学之父 1964年 MIT的S A Coons教授提出了 超限插值 的新思想 即 插值四条边界曲线构造曲面片 再拼接整

7、张曲面 几乎同时 法国雷诺汽车公司的PierreBezier工程师发展了一套Bezier曲线 曲面的理论 开发了用于汽车等几何外形设计的UNISURF系统 Coons方法和Bezier方法是CAGD最早的开创性工作 CG的最高奖是以Coons名字命名的 Coons获得了第一届 1983 1985年第二届奖给 可编辑 13 I E Sutherland和PierreBezier 60年代 CAD CAM在计算机 汽车及航空工业领域被发展起来 例如 美国MIT 通用汽车公司 贝尔电话实验室 LKXD公司 英国JQ大学等纷纷开展 显示器的发展 CG进入教育 科研 管理等领域 基础研究更加深入 区域填

8、充 裁剪 消隐 明暗处理等概念及相应算法纷纷提出 为3维真实感应用做技术理论准备 20世纪70 80年代 普及期 可编辑 14 提出制定统一的图形软件标准 20世纪80年代以来 随着大规模集成电路技术的飞速发展 计算机硬件性能不断提高 体积缩小 价格降低 特别是廉价的图形I O和大容量存储介质的出现 使得以微型计算机 工作站为基础的图形系统进入市场成为主流 CAD CAM系统的应用因此扩大 大普及 大发展 CG向标准化 集成化 智能化 网络化方向发展 图形标准趋于成熟 多媒体技术 人工智能及专家系统技术使CG应用效果更好更强 20世纪90年代以来 提高增强期 可编辑 15 因特网的普及使人们感

9、到CG应用无处不在 科学计算可视化 虚拟现实环境的应用又对CG提出更新更高的要求 促进CG向3维 高维的真实性 实时性方向快速发展 可编辑 16 二 CG发展的几个重要标志 图形显示设备的发展随机扫描显示器 1960 中期 只能画矢量线 价格贵 用刷新方式使图像不闪烁 存储管式显示器 1960 后期 无需刷新 价格较低 不能动态修改图形 光栅扫描显示器 1970 中期 可刷新 性能 价格比高 已普遍使用 可编辑 17 图形输入设备的发展 控制开关 穿孔纸等 键盘 二维定位设备 如鼠标 光笔 图形输入板 触摸屏等 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 用户的思维 无形的

10、需结合神经网络技术 可编辑 18 数据手套 可编辑 19 光笔 三维输入设备 可编辑 20 图形软件标准的发展 背景 割据时代 1970 前 各硬件厂商的图形设备具有不同的功能 开发的图形软件包有各自专用的硬件平台和高级语言接口 互不兼容 无法移植 限制了图形设备技术和应用的发展 标准讨论时代 为了提高软件的通用性 发展与设备无关的图形软件 1974年 美国国家标准局ANSI在ACMSIGGRAPH的一个 与机器无关的图形技术 会议上 提出了制定有关标准的基本规则 此后 ACM专门成立了图形标准化委员会制定有关标准 可编辑 21 标准形成时代 ACM于1977 1979年先后制定修改了Core

11、GraphicsSystem ISO随后发布了CGI CGM GKS PHIGS等 这为CG的推广 应用 资源共享起了重要作用 非官方标准 由某个公司或商业组织开发推广 在工业上广泛应用的标准 如SGI的OpenGL MS的DirectX X财团的X Window系统 Adobe的Postscript等 可编辑 22 真实感图形和实体造型技术的发展 20世纪70年代 CG另两个重要进展是真实感图形学和实体造型技术的产生 1970年 Bouknight提出了第一个光反射模型1971年 Gourand提出 漫反射模型 插值 的思想 被称为Gourand明暗处理1975年 Phong提出了著名的简单

12、光照模型 Phong模型1973年 出现了英国剑桥大学CAD小组的Build系统 美国罗彻斯特大学的PADL 1系统等实体造型系统 可编辑 23 1980年 Whitted提出了一个光透视模型Whitted模型 第一次给出光线跟踪算法的范例 实现Whitted模型1984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CG中 成功地模拟了理想漫反射表面间的多重漫反射效果 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 可编辑 24 CG有关学术会议的发展 ACMSIGGRAPH theSpecialInterestGrouponCom

13、puterGraphicsandInteractiveTechniques 会议是CG领域最权威的国际会议 每年在美国召开 参加会议的人数在50 000左右 SIGGRAPH会议很大程度上促进了图形学的发展 世界上不会有第二个领域会每年召开如此规模巨大的专业会议 SIGGRAPH是大约60年代中期 由Brown大学的教授AndriesvanDam Andy 和IBM公司的SamMatsa发起的 可编辑 25 1974年 在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH年会 并取得了巨大的成功 到了1997年 参加会议的人数已经增加到48 700 因为每年只录取大约50篇论文 在Compute

14、rGraphics杂志上发表 因此论文的学术水平较高 基本上代表了图形学发展的主流方向 我国从1986年起 每年都有图形学的学者参加该会并在会上宣读论文 中国计算机学会 工程图学学会自1988年起 每两年举行一次与图形学有关的国际会议 CADDM 可编辑 26 0 2计算机图形学的应用领域 可编辑 27 是最广泛 最活跃 最重的要应用领域 与CG互为促进发展 如 基于PDM的CAD CAPP 数控仿真 CAM 建筑 机械结构 产品设计 结构分析和外形设计 布局 各种管道 电子线路 Boeing777的无纸设计 基于工程图纸的三维形体重建 设计软件 AutoCAD SolidWorks Pro

15、E UG CATIA MDT I DEAS等 1 CAD CAM 可编辑 28 可编辑 29 可编辑 30 可编辑 31 可编辑 32 可编辑 33 可编辑 34 可编辑 35 可编辑 36 2 可视化 直接分析和处理海量的科学 工程 计算 测量 的数据 很难找到 提取 数据的最本质特征 但用图形表示则能清楚地发现事物的发展趋势 变化规律 1986年 美科学基金会 NSF 专门召开研讨会 提出了 科学计算可视化 VisualizationinScientificComputing 第二年 美国计算机成像专业委员会向NSF提交了 科学计算可视化的研究报告 后 VISC就迅速发展起来了 目前应用领

16、域 医学 CT 核磁共振图像的重建 遥感遥测 的地球资源 军事侦察 气象数据 流体流场分析 风洞 水槽试验中的涡流 湍流 石油勘探 油 气蕴藏分布 核爆模拟 有限元分析 可编辑 37 可编辑 38 可编辑 39 可编辑 40 可编辑 41 可编辑 42 可编辑 43 可编辑 44 可编辑 45 3 图形实时绘制与自然景物仿真 模拟真实由计算机重现真实世界场景的方法叫做真实感绘制 主要是模拟真实物体的物理属性 包括物体形状 光学性质 表面纹理细节 物体间的相对位置 遮挡关系等 模拟光照效果 简单 局部 整体光照模型 绘制方法 光线跟踪法 模拟光的实际传播过程 辐射度方法 模拟能量交换 可编辑 46 实时显示为在最短时间内绘制出最真实的场景 真实感绘制还需研究加速算法 求交算法的加速 光线跟踪的加速等 如包围体树 自适应八叉树都是著名的加速算法 当前真实感图形实时绘制的两个热点问题是 物体网格模型的面片简化 层次细节简化 网格模型的面片简化 就是指对网格面片表示的模型 在一定误差的精度范围内 删除点 边 面 从而简化所绘制场景的复杂程度 加快图形绘制速度 基于图象的绘制IBR ImageB