计算机图形学综述

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1、,第一章 计算机图形学 综述,图形是传递信息最主要的媒体之一。 人们使用图形来表达与交流思想有着悠久的历史，工程领域和各个科学分支都离不开图。它能使人们通观全局，一目了然。 人的眼睛从一张图纸中吸收信息比从一张数据表格吸收信息快得多(一幅画胜千言万语)。 若图形和数字互为补充，则可使人们更深刻地认识事物的本质及其内在联系。,计算机图形处理使计算机在处理复杂问题后输出离散数据的同时，有可能以图形的形式输出其连续模型。 计算机图形学的发展和应用在某种意义上已成为计算机软、硬件发展水平的标志。 它已成为一门成熟的学科，是信息技术中不可缺少的重要内容和发展基石。计算机图形学课程也已成为大学计算机、机械

2、等相关学科的一门主干课程。,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。 所有现代科学和工程领域几乎都可以采用计算机图形以加强信息的传递和理解，因此当今的科学家和工程师都需要具备计算机图形学的基本知识。 计算机图形学来源于生活、科学、工程技术、艺术、音乐、舞蹈、电影制作等，反过来，又大大促进了这些领域的发展。,计算机图形学涉及怎样用计算机去产生、表示、操作和处理图示物体。它与一般的科学计算不同。 在一般的科学计算中，涉及的是数字运算， 在计算机图形学中则是以基本的几何元素为其运算对象的。这些几何元素描述物体的模拟图示表示：符号、线图、阴

3、影区域和物体等。 研究计算机图形学的主要工具是图形显示系统和绘图机、打印机等，乃至三维虚拟环境。,什么是计算机图形学,Computer Graphics (CG),计算机图形学是研究怎样用计算机表示、生成、处理和显示图形的原理、算法、方法和技术的一门学科。,国际标准化组织(ISO)的定义： 计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。它是建立在传统的图学理论、应用数学和计算机科学基础上的一门边缘学科。,1.1 计算机图形学及它与其他学科的关系,计算机图形学与其他学科CAD（及计算机绘图）、计算几何/计算机辅助几何设计（CAGD）、图像（及识别）

4、等的关系是界线模糊、相互交叉、相互渗透的。,图像（image）：计算机中以具有颜色信息的点阵来表示的图形，它强调图形由哪些点组成，记录点及它的灰度或色彩。,图形（graphics）：计算机中由场景的几何模型和景物的物理属性表示的图形，它更强调场景的几何表示，记录图形的形状参数与属性参数。它的显示形式是基于线条信息的矢量图和基于明暗（Shading）处理后的图像图。,1.1 计算机图形学及它与其他学科的关系,1.1 计算机图形学及它与其他学科的关系,计算机图形学最直观目的是将具有属性信息的几何模型（以图像形式）显示在计算机上。,在CAD/计算机绘图等应用中，常通过图像识别和反求工程等得到几何模型

5、。,1.1 计算机图形学及它与其他学科的关系,处理几何模型的主要理论是计算几何/计算机辅助几何设计(CAGD）和计算机图形学。,计算几何/计算机辅助几何设计( CAGD） 集中在曲线、曲面的生成和处理。,而几何造型等常被认为是计算机图形学的工作。,1.1 计算机图形学及它与其他学科的关系,处理图像信息的主要理论是数字图像处理。,上述各种理论、方法和技术的基础是数学、数据结构和程序设计等,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。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。1958年美国Calcomp

6、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。 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。 在整个50年代，计算机图形学处于准备和酝酿时期，并称之为：“被动式”图形学。,1.2计算机图形学发展简史,1962年，MIT林肯实验室的Ivan 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，证明了交互计算机图形学是一个可行的有用

7、的研究领域。 1964年MIT的教授Steven A. Coons提出了被后人称为超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。同在60年代早期，法国雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier发展了一套Bzier曲线、曲面的理论，成功地用于几何外形设计。Coons方法和Bzier方法是CAGD最早的开创性工作。,1.2计算机图形学发展简史,70年代是计算机图形学发展过程中一个重要的历史时期。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。 1977、1979年开始，计算机图形学标准制定： CGI(Computer Graphics Interface

8、) CGM(Computer Graphics Metafile) GKS(Graphics Kernel system) PHIGS(Programmers Hierarchical Interactive Graphics Standard)等。,1.2计算机图形学发展简史,70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。 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

9、。 从1973年开始，相继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。,1.2计算机图形学发展简史,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，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。,1.2计算机图形学发展简史,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。 从80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

10、展奠定了物质基础。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。,1.2计算机图形学发展简史,最后， 强调一下SIGGRAPH 会议， “The Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques” ACM SIGGRAPH会议是计算机图形学最权威的国际会议，每年在美国召开，参加会议的人在50,000人左右。世界上没有第二个领域每年召开如此规模巨大的专业会议，SIGGRAPH会议很大程度上促进了

11、图形学的发展。1974 年在Colorado 大学召开了第一届SIGGRAPH 年会。 因为每年只录取大约50篇论文，在Computer Graphics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的主流方向。,1.2计算机图形学发展简史,1.3计算机图形学的应用领域,1.3.1 图形用户接口,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。 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

12、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。 目前几个大的软件公司都在研究下一代用户界面，开发面向主流应用的自然、高效多通道的用户界面。研究多通道语义模型、多通道整合算法及其软件结构和界面范式是当前用户界面和接口方面研究的主流方向，而图形学在其中起主导作用。,人机交互技术通常是以WIMP为特征的图形用户界面： W（Window，窗口）：用户可以随意在屏幕上创建、移动和缩放窗口，在不同的窗口中可以执行不同的任务。 I（Icon，图标）：它形象化地标示一个对象或功能。 M（Menu，菜单）：提供选项功能，避免命令记忆之苦。 P（Pointing D

13、evices，指点设备）：便于用户对屏幕对象进行直接操作。,1.3.1 图形用户接口,计算机辅助设计（ Computer Aided Design）和计算机图形学（ Computer Graphics）是紧密联系在一起的。 国内计算机辅助设计和图形学学报 国外Computer Aided Design CAD/CAM是CG在工业界最广泛、最活跃的应用领域。 飞机、汽车、船舶、机电、轻工、服装的外形设计 集成电路、印刷电路板的设计 建筑设计 基于工程图纸的三维形体重建,1.3.2 计算机辅助设计与制造工业领域,CAD系统中的一个难点参数设计问题，几何约束满足问题（ Geometric Const

14、raint Satisfaction Problem，GCSP）：给定一组几何元素和一组描述几何元素间关系的约束条件，求解这组几何元素以满足这组约束。GCSP的求解是智能CAD系统中参数化设计的核心问题，也是人工智能、软件工程、工程设计等领域的研究课题。 在网络环境下进行异地、异构系统的协同设计，已经成为CAD领域最热门的课题之一。异地设计、异地制造、异地装配为企业在市场竞争中赢得了宝贵的时间。,1.3.2 计算机辅助设计与制造工业领域,三维几何造型系统基本上代表了CAD技术的发展方向。CAD另一个非常重要的研究领域就是基于工程图纸的三维形体重建。目前的重建算法主要是针对多面体和对主轴方向有严

15、格限制的二次曲面体的。 任意曲面体的三维形体重建，至今仍是一个未解决的难题。,1.3.2 计算机辅助设计与制造工业领域,（a）工程图,应 用 举 例,（b）线框图,（c）实体图,Boeing 777, 无纸设计，无纸制造,在飞机工业中，美国波音飞机公司已用有关的CAD系统实现波音777大型客机的整体设计和模拟，其中包括飞机外型、内部零部件的安装和检验。使其设计制造成本下降30%以上 。,计算机动画是计算机图形学和艺术相结合的产物，它综合利用计算机科学、艺术、数学、物理学和其它相关学科的知识在计算机上生成绚丽多彩的连续的虚拟真实画面，给人们提供了一个充分展示个人想象力和艺术才能的新天地。 简单地

16、讲，计算机动画是指用绘制程序生成一系列的景物画面，其中当前帧画面是对前一帧画面的部分修改。 动画是运动中的艺术，正如动画大师John Halas所讲的，运动是动画的要素。计算机动画所生成的是一个虚拟的世界，动画师可以随心所欲地创造他的虚幻世界，为我们的世界增添更多的色彩。 3D射击游戏例子,1.3.3 计算机动画商业领域,影视制作,计算机动画技术还被广泛用于电影电视中的特技镜头的制作，产生以假乱真而又惊险的特技效果，如模拟大楼被炸、桥梁坍塌等。,影片珍珠港剧照。由电脑制作出的灾难景象。,1.3.3 计算机动画商业领域,1.3.4 计算机艺术艺术领域,含义很广 以计算机为工具，可以完成多种艺术品的制作和设计，如绘画（平面图形）、雕塑（立体图形）、音乐、平面构成、空间结构，还有体操舞蹈设计等等。其中，美术作品占比重最大 因此，计算机艺术由主要指计算机美术,计算机平面绘画艺术 计算机绘画（Computer Painting） 主要指人们利用鼠标或数字压感光笔直接在屏幕或数字化板上进行的绘画 软件包括：Corel Painter 或 Adobe Photoshop 等 该类绘画最接近于传统绘画，其画风细腻、形象生动自然。但画幅一般较小，要求绘画者有较高的美术功底。 优势为：易于修改、效果丰富、成本较低、但对于电脑设备要求较高。 近期广泛应用于手绘动画和漫画创作。,