计算机图形学 绪论课件

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1、计算机图形学,课程安排,上课32（112周） 上机16 （第4、6、8、10、12周） 重点：理解和掌握所学算法 考试方式为开卷，期末成绩占80%，平时成绩占20%。 平时成绩包含考勤、作业和实验报告。,授课教师,姓名：谷葆春 部门：计算机学院计算机科学与技术系(3-213) Email：,教材,孙家广：计算机图形学（第三版）， 清华大学出版社。,参考书,计算机图形学 Donald Hearn著 蔡士杰等译 电子工业出版社 2000 倪明田等，“计算机图形学”， 北京大学出版社，1999。 唐泽圣等，“计算机图形学基础”， 清华大学出版社，1999。 杜世培，“计算机图形学”， 重庆大学出版社

2、，2001。 孙正兴等，“计算机图形学基础教程”， 清华大学出版社，2004。 徐长青等，“计算机图形学”, 机械工业出版社，2004。 孙立镌，“计算机图形学”， 哈尔滨工业大学出版社，2000。,课程主要内容,计算机图形学是研究怎样用计算机 生成、处理和显示图形的一门学科。 概述 图形设备与系统 直线、圆、椭圆的生成 区域填充 线段和多边形裁剪 曲线、曲面 图形变换（几何、投影）,第一讲 计算机图形学概述,基本概念 发展历史 应用及研究前沿,1.1 基本概念,图形的概念、要素、表示法 计算机图形学的概念 计算机图形学的研究内容 相关学科介绍,图形以及构成图形的要素,图形：能在人的视觉系统中

3、产生视觉印象的客观对象。 计算机图形学的研究对象 包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描述的图形等等 构成图形的要素 几何要素：刻画对象的轮廓、形状等 非几何要素：刻画对象的颜色、材质等,计算机中表示图形的方法,点阵表示 枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成) 简称为图像（数字图像） 参数表示 由图形的形状参数(方程或分析表达式的系数，线段的端点坐标等)+属性参数(颜色、线型等)来表示图形 简称为图形： 图形主要分为两类： 基于线条信息表示（线条图） 明暗图(Shading),什么是计算机图形学,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。 计算机图形学是计算机

4、科学中，最为活跃、得到广泛应用的分支之一,计算机图形学的研究内容,如何在计算机中表示图形，以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。 图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。,计算机图形学的研究内容,按步骤： 计算机图形学中图形的表示； 表现图形所需要的预处理； 经预处理后的图形的表现； 人图形 交互功能的实现。,计算机图形学的研究内容,图形的输入： 研究如何把要处理的图形输入到计算机内，以便让计算机进行各种处理。,图形的生成、显示和输出： 如何利用计算机生成

5、图形，并在显示屏上显示或在绘图机等输出设备上输出图形。,图形的变换： 如何实现图形的几何变换(二维、三维)和非几何变换(色彩、灰度等)。,图形的组合、分解和运算： 用简单图形组成复杂图形和把复杂图形分解为简单图形；图形之间的并、交、差运算等。,计算机图形学的研究内容,计算机图形学所涉及的算法,(1) 基于图形设备的基本图形元素的生成算法，如用 光栅图形显示器生成直线、圆弧、二次曲线、封闭 边界内的填色、填图案、反走样等。 (2) 基本图形元素的几何变换、投影变换、窗口裁剪。 (3) 自由曲线和曲面的插值、拟合、拼接、分解、过 渡、光顺、整体修改、局部修改等。 (4) 图形元素(点、线、环、面、

6、体)的求交与分类以及 集合运算。,(5) 隐藏线、隐藏面消除以及具有光照颜色效果的真实图形显示 (6) 不同字体的点阵表示，矢量中、西文字符的生成及变换。 (7) 山、水、花、草、烟云等模糊景物的生成。 (8) 三维或高维数据场的可视化。 (9) 三维形体的实时显示和图形的并行处理。 (10) 虚拟现实环境的生成及其控制算法等。,计算机图形学所涉及的算法,相关学科介绍,计算几何 图像处理 模式识别,计算几何CAGD（Computer Aided Geometric Design）,专门研究“几何图形信息(曲面和三维实体)的计算机表示、分析、修改和综合”( 苏步青语）。 研究怎样灵活方便地建立几

7、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。研究曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合。,图像处理,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。 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。,计算机视觉和模式识别,图形学的逆过程，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。,与相关学科的关系,图形图像,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，模式识别）,模型变换 （计算几何）,图像变换 （图像处理）,.发展特点: 交叉、

8、界线模糊、相互渗透,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,计算机图形学发展史,准备阶段（20世纪50年代） 麻省理工，旋风I号 发展阶段（20世纪60年代） 1962，MIT林肯室验室Ivan.E.Sutherland的博士论文：Sketchpad 首次使用Computer Graphics， 推广应用阶段（20世纪70年代） CAD系统的应用，光栅扫描显示器，图形标准化的提出（CGS） 系统使用化阶段（20世纪80年代） 工作站的出现，微机的普及，进入各领域，用户界面，AutoCAD等 标准化智能化阶段（20世纪90年代） 各种

9、标准：CGI、PHIGS等。3D，智能化设计,历史追溯,50年代 1950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 1958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 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,60年代 1962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-确定了交互图形学作为一个学科分支（提出基本交互技术、图元分层表示概念及数据结构

10、)。 1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier 提出Bzier曲线、曲面的理论 1964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。,70年代 光栅图形学迅速发展 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 图形软件标准化 1974年，ACM SIGGRAPH的与“与机器无关的图形技术”的工作会议 ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统”（Core Graphics System） ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS,真实感图形学 1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型

11、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提出了著名的简单光照模型- Phong模型 实体造型技术 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,80年代 1980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 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计算机图形学中 图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展,90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。 标准化、集成化、智

12、能化 多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、虚拟现实 三维造型技术,ACM SIGGRAPH会议小知识 全称 “the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques” 60年代中期，由Brown 大学的教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司的Sam Matsa发起 1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH 年会，并取得了巨大的成功 每年只录取大约50篇论文,硬件发展,图形显示器的发展 图形显示器是计算机图形学中关键的设备 60年代中期：画线显示器（亦称矢

13、量显示器） 需要刷新。设备昂贵，限制普及。 60年代后期：存储管式显示器 不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修改图形功能，不适合交互式。,硬件发展,70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。 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。,图形显示设备的发展：,画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器）,存储管式显示器,刷新式光栅扫描显示器,硬件发展,图形输入设备的发展 第一阶段：控制开关、穿孔纸等等 第二阶段：键盘 第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音 第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），

14、用户的手势、表情等等 第五阶段：用户的思维,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 Iuteractive 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 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。,发展历程,诸侯

15、割据,标准讨论,标准形成,图形软件发展及软件标准的形成,通用的、与设备无关的图形包，图形标准 GKS (Graphics Kernel System) (第一个官方标准，1977) PHIGS(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 DirectX (MS) Xlib(X-Window系统) OpenGL(SGI) Adobe公司Postscript 开放式、高效率的发展趋势,1.3计算机图形学的应用及研究前沿,图形用户界面 介于人与计算机之间，人与机器的通信，人机界面（H

16、CI）：软件硬件 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）PC，工作站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointing devices)界面，所见即所得VR技术（发展方向）,计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）,-CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域 飞机、汽车、船舶的外形的设计 发电厂、化工厂等的布局 土木工程、建筑物的设计 电子线路、电子器件的设计 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,奥迪效果图和线框图,计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）,基于工程图纸的三维形体重建 定义：从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建 优势：可以做装配件的干涉检