三维图形编程实践1

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1、2018/9/19,1,三维图形编程实践,华东理工大学计算机系 Sept.6, 2007,2018/9/19,2,目录,引言 Opengl 图形库及其与VC的集成 交互技术 三维编程的理论基础（重点） 消影技术,2018/9/19,3,引言,计算机图形学 建模软件 理论基础 图形库,2018/9/19,4,什么是计算机图形学？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、得到广泛应用的分支之一,计算机图形学,2018/9/19,5,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

2、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。,2018/9/19,6,图形与图像 图像：计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息，称为点阵图或位图图像。 图形：含有几何属性，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。称为矢量图形或参数图形。 图形主要分为两类 基于线条信息表示 明暗图(Shading),2018/9/19,7,图形在计算机中的表示计算机中表示带有颜色及形状信息的图形常用以下两种方法: 1) 点阵法点阵法是用具有灰度或色彩的

3、点阵来表示图形的一种方法。2) 参数法参数法用图形的形状参数和属性参数来表示图形。 形状参数指的是描述图形的方程或分析表达式的系数、 线段和多边形的端点坐标等。 属性参数则包括颜色、 线型等。,2018/9/19,8,计算机图形学的发展,50年代 1950年，美国麻省理工学院（MIT）旋风I号（Whirlwind I），第一台图形显示器。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。 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。 60年代 1962年，MIT林肯实验室的I. E. Suth

4、erland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 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。,2018/9/19,9,1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier 提出Bzier曲线、曲面的理论，而成为CAGD的先驱。 Bezier与de Casteljau Beizer的“天上掉下来”到Forrest的“蓦然回首” 1964年MIT的教授Steven A. Coons提出了超限插值的

5、新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。 58年提出“CAD”概念 图形学最高奖以他名字命名。,2018/9/19,10,70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（图形接口）、CGM（图形元文件）、GKS（图形核心系统）、PHIGS（程序员层次交互图形系统）,2018/9/19,11,真实感图形学 1970年，Bouknight提出了第一个光

6、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,2018/9/19,12,80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,2018/9/19,13,计算机图形学应用,计

7、算机辅助设计（CAD） 地理信息系统（GIS） 科学计算可视化（Visualization） 计算机动画（Animation） 计算机与艺术,2018/9/19,14,计算机辅助设计与制造(CAD/CAM),计算机辅助设计（CAD）,2018/9/19,15,地图制图及地理信息系统,地形地貌与海洋图 (a) 一个凹坑的地貌图； (b) Oslo部分地形地貌图； (c) 海洋温度的可视化,地理信息系统（GIS）,2018/9/19,16,地学应用,2018/9/19,17,可视化与可视计算 海量的数据的图形表示 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

8、（Visualization in Scientific omputing）”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：机械手术和远程手术，医用CT扫描数据的三维重建，基于CT数据的人体内漫游,科学计算可视化,2018/9/19,18,(a) 水库模型的裁剪； (b) 地形地貌3D图； (c) 房屋结构的可视化,科学计算可视化应用的实例如图所示。,科学计算可视化,2018/9/19,19,二次方程可视化； (b) 4D分形的3D投影；(c) x2+y2=z2的可视化； (d) 数学函数曲线,科学计算可视化,2018/9/19,20,由三维FFD操作得到的鱼的

9、变形图, The Visual Computer 2001.,动画变形,计算机动画（Animation）,2018/9/19,21,布料与人体 动画 (PG2002),计算机动画（Animation）,2018/9/19,22,计算机动画（Animation）,基于连续力学 的变形http:/ (Siggraph04),2018/9/19,25,日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云,真实感,计算机与艺术,2018/9/19,26,艺术实例,2018/9/19,27,艺术实例,2018/9/19,28,计算机与艺术,非真实感绘制（Non-Photorealistic Rend

10、ering）Georges Winkenb1ach绘制的壶和碗(Siggraph96),2018/9/19,29,Salisbury绘制的熊(Siggraph97),2018/9/19,30,建模软件,相对各个计算机图形学领域，都存在著名的建模软件 CAD领域：Autodesk MDT, Solidworks, UG, Pro/e, Catia. GIS领域： ARC/INFO；Autodesk World；MapGIS 可视化领域：VTK () 动画领域：Maya, Alias|wavefront, softimage, 3D max. 艺术领域：二维较多 PS等，,2018/9/19,31,理论基础,计算机图形学需要极高的数学知识，大多数图形学专家都是数学背景的： 清华大学胡事民教授，浙大数学系毕业 浙江大学彭群生教授，英国东安格利亚大学计算科学博士学位 。,2018/9/19,32,理论基础,欧拉操作 Sweeping操作,2018/9/19,33,图形库,OpenGL DirectX,2018/9/19,34,Thanks,