计算机图形学讲义本

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1、计算机图形学讲 义教学要求1、 了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术； 2、 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； 3、 对与图形相关的应用及当前的研究热点有一个初步认识； 4、 具有一定实践体会和相关的编程能力。 教材或参考书：1、 孙家广：计算机图形学（第三版） ，清华大学出版社，1999。2、 主要参考书：3、 倪明田等， “计算机图形学”，北京大学出版社，1999。4、 Donald Hearn, M. Pauline Baker ,“Computer Graphics (C Version)”, Prentice Hall , 1997. 5、 James

2、D. Foley, Andries van Dam etc., “Introduction to Computer Graphics”, Addison-Wesley, 1996 第一章 计算机图形学基本知识（计算机图形学综述）计算机技术的飞速发展，使得计算机的应用日益普及和深入。随着计算机硬件技术、网络技术以及多媒体技术的发展，计算机图形学领域的理论与方法已被越来越多的从事计算机应用的人员所重视。计算机图形学是伴随着计算机技术和外围设备而产生和发展起来的。 什么是计算机图形学？ 计算机图形学是利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科。 计算机图形学计算机科学中，最为活跃、得到广泛应用

3、的分支之一1.1 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1.1 研究内容?何谓图形?构成图形的要素?图形的两种表示法?图形学所研究的内容图形以及构成图形的要素 图形：计算机图形学的研究对象 能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象 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

4、 简称为图形： 图形主要分为两类： 基于线条信息表示 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。 计算机图形学计算机科学中，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，构成了计算机图形学的主要研究内容。 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。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）

5、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、界线模糊、相互渗透图象处理 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。 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 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（Wh

6、irlwind 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)。 1962 年，雷诺汽车公司的工程师 Pierre Bzier 提出 Bzier 曲线、曲面的理论 196

7、4 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 1971 年 Gourand 提出“ 漫反射模型插值”的思想，被称为

8、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、智能化 多媒体技术、人工

9、智能、科学计算可视化、虚拟现实 三维造型技术硬件发展 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。 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

10、：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） ，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 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 Pascal、Turbo C，AutoLisp 等。 简练、

11、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。图形软件发展及软件标准的形成发展历程诸侯割据 标准讨论 标准形成 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 Postscript1.3 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

12、之间，人与机器的通信，人机界面（HCI）：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

13、处理，如波音 777 飞机的设计和加工过程 计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）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查、以及有限元分析、仿真、加工等后续操作，代表 CAD 技术的发展方向工程图及其三维重建结果 1工程图及其三维重建结果 2可视化 科学计算可视化(Scientific Visualization) 海量的数据使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，

14、用图形来表示数据的迫切性与日俱增 1986 年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing） ” 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 在医学领域，可视化有着广阔的发展前途 是机械手术和远程手术的基础 将医用 CT 扫描的数据转化为三维图象，帮助医生判别病人体内的患处 由 CT 数据产生在人体内漫游的图象 可视化的前沿与难点 可视化硬件的研究 实时的三维体绘制 体内组织的识别分割Segmentation真实感图形实时绘制与自然景物仿真 计算机中重现真实世界的场景

15、叫做真实感绘制 真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状，光学性质，表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置，遮挡关系等等 光照模型 简单光照模型 局部光照模型 整体光照模型 绘制方法 光线跟踪 辐射度 加速算法 包围体树、自适应八叉树等等地理信息系统（GIS） 建立在地理图形之上的关于各种资源的综合信息管理系统 数字地球，地形数据作为载体， （70）全球信息化. 军事，政府决策，旅游，资源调查。 数字地球：1998 年 1 月 31 日美国副总统戈尔在洛杉机加利福尼亚科学中心召开的地理信息系统年会上提出了这一设想。比如，可以设想一个小孩来到地方博物馆的一个数字地球陈列室，当他戴上头盔显示器，她将看到就象是出现在空中的地球。使用“数据手套” ，她开始放大景物，伴随越来越高的分辨率，她会看到大洲，随之是区域、国家、城市、最后是房屋、树木以及其它各种自然和人造物体。在发现自己特别感兴趣的某地块时，她可乘上“魔毯” ，即通过地面三维图象显示去深入查看。当然，地块信息只是她可以了解的多种信息中的一种。使用数字地球系统的声音识别装置，小孩还可以询问有关的土地覆盖、植物和动物种类的分布、实时的气候、道路、行政区线，以及人口等方面的信息。在这里，她还可以看到自己以及世界各地的学生们为“全球项目”收集的环境信息。这些信息可以无缝地融入数字地