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1、第1章 计算机图形学概述,计算机科学与技术学院李晋江 邮件地址：,2018/10/22,2,Why we need graphics?,2018/10/22,3,电影,2018/10/22,4,游戏,2018/10/22,5,仿真,2018/10/22,6,CAD/CAM/CAE,2018/10/22,7,建筑设计,2018/10/22,8,可视化,2018/10/22,9,1.1 图形的概念与计算机图形学的研究内容,广义的图形概念凡是能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形。如：(1)自然景物(2)照片和图片(3)工程图、设计图和方框图(4)人工美术绘画、雕塑品(5)用数学方法描
2、述的图形（包括几何图形、代数方程、分析表达式或列表所确定的图形）,1.1.1 图形的概念,2018/10/22,10,计算机图形学中的图形概念是指由点、线、面、体等几何要素和明暗、灰度（亮度）、色彩等非几何要素构成的，从现实世界中抽象出来的带有灰度、色彩及形状的图或形。日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云 由清华大学自然景物平台生成的野外场景 Xfrog3.0 生成的挪威云杉,2018/10/22,11,1.1.2计算机图形学的研究内容,计算机图形学(computer graphics,CG) 用计算机生成景物的数字模型，并将它显示在计算机屏幕上，或者绘制在纸张或胶片上。它
3、是研究如何在计算机环境下生成、处理和显示图形的一门学科。 计算机图形学的主要研究对象景物的几何建模方法(modeling)对模型的处理方法几何模型的绘制技术(rendering)图形输入和控制的人机交互界面(user interface),2018/10/22,12,计算机图形学的主要研究内容 如何在计算机中表示图形 如何利用计算机进行图形计算、处理 图形的显示,计算机图形的分类 图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成 从处理技术上来看，图形主要分为两类,2018/10/22,13,一类是由线条组成的图形，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等， 另一类是类似
4、于照片的明暗图(Shading)，也就是通常所说的真实感图形。,2018/10/22,14,图形与图像的关系 图形与图象两个概念间的区别越来越模糊，但我们认为还是有区别的 图像：拍摄到的数字图像（二维），纯指计算机内以位图形式存放的灰度信息 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,2018/10/22,15,图像处理与计算机图形学 对图像进行处理和分析，从图像中提取二维和三维几何信息 研究内容有：图像增强、边沿提取、图像分割、图像压缩、纹理分析、形状特征提取、模式识别、机器人视觉、三维形体重建等 图像处理是图形学的逆过程 如何在计算机中表示图形,以
5、及如何利用计算机进行图形的生成、处理和显示的相关原理与算法 真实感图形计算的结果是以数字图象的方式提供的，计算机图形学也就和图象处理有着密切的关系,2018/10/22,16,计算机图形学更广泛的研究内容 如图形硬件、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。 面向计算机专业本科生简单介绍图形硬件、图形标准、图形交互技术，着重讨论与光栅图形生成、曲线曲面造型和真实感图形生成相关的原理与算法,2018/10/22,17,计算机图形学课程主要知识分类 图形的描述与变换（第4章） 光栅图形学（
6、第3、7章） 真实感图形学（第8、12、14章） 三维几何造型技术（第9、10、11章） 图形的组织图形的层次结构（第5章） 人机交互交互绘图技术（第6章） 计算机图形学的应用（第13章） 19章本科生学习，1014章研究生学习,2018/10/22,18,1.2计算机图形学的发展史,1.2.1 计算机图形设备和交互技术 1946年，第一台电子计算机的问世推动了许多学科的发展和新学科的建立，其中就包括现代图形学技术。,2018/10/22,19,2)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
7、线管（CRT）来显示一些简单的图形。 3)1952年MIT成功研制世界上第一台三坐标数控机 4)1959年，美国Calcomp公司研制出的世界上第一台滚筒式绘图机，使计算机辅助绘图仪开始代替人工绘图。,2018/10/22,20,在整个50年代，只有电子管计算机，用机器语言编程，主要应用于科学计算，为这些计算机配置的图形设备仅具有输出功能。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。5) 20世纪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获取需要的信息。与此同时
8、，类似的技术在设计和生产过程中也陆续得到了应用，它预示着交互式计算机图形学的诞生。,2018/10/22,21,6）1962年，I.E.萨瑟兰德在其博士论文SKETCHPAD:一个人机通信的图形系统中首次提出计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想。这些基本理论和技术至今仍是现代图形技术的基础。他在论文中首次使用了计算机图形学“Computer Graphics”这个术语,2018/10/22,22,1.2.2 计算机图形系统在几何造型系统中，描述物体的三维模型有三种，即线框模型、实体模型和表面模型,早期的绘图软件大都采用线框式图形数据结构，该结构特别适合于图形的几何变换和交互显
9、示，但无法在计算机内完整地定义三维物体。,2018/10/22,23,2）20世纪60年代末期开始研究和发展实体造型技术，如英国剑桥大学的I.C.Braid的BUILD系统、美国罗彻斯特大学的PADL-1系统和日本北海道大学的TIPS-1系统。这些系统都在计算机内提供了对物体的完整的几何定义，可随时提取所需信息。,2018/10/22,24,目前国际上应用较广的实体造型系统有IBM公司的CADAM、Dassault System公司的CATIA、SDRC公司的Geomod、PT公司的Pro/Engineer、SpatialTechnology公司的ACIS、Solidworks公司的Solid
10、works等。设计人员可直接在三维空间进行产品的设计、修改、观察，从而使设计活动变得直观、简单、高效。,IBM公司的CADAM系统,2018/10/22,25,Dassault System公司的CATIA,CATIA系统设计的轮船,2018/10/22,26,PT公司的Pro/Engineer系统,2018/10/22,27,3) 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,发展成表面造型技术（曲面造型）,2018/10/22,28,实体造型与表面造型（曲面造型）的关系 紧密相连，相互支持，相互渗透的两个独立分支
11、 实体是有面组成的，只有实体造型没有曲面造型，无法描述、控制物体的外部形状 只有表面造型得不到完整的物体整体 表面造型和实体造型必须结合起来才有意义 所以实体造型系统中必须提供强有力的曲面造型工具,2018/10/22,29,表面模型技术发展大事记,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。 1971法国雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier发展了一套被后人称为Bzier曲线、曲面的理论，成功地用于几何外形设计，并开发了用于汽车外形设计的UNISURF系统。 Coons方法和Bzier方法是CAGD最早的开
12、创性工作。 计算机图形学的最高奖是以 Coons的名字命名的，而获得第一届（1983）和第二届(1985) Steven A.Coons 奖的，恰好是Ivan E.Sutherland和Pierre Bzier，,2018/10/22,30,1967年舍恩伯格提出B样条理论 1974年美国通用汽车公司的戈登和里森费尔德将B样条理论用于形状描述,提出了B样条曲线曲面 1975年美国的锡拉丘兹大学的佛斯普里尔在其博士论文中提出了有理B样条方法 20世纪80年代美国的皮格尔和蒂勒将有理B样条发展成为非均匀有理B样条，即NURBS方法 19982001年中国的张彩明在任意形状的曲面设计问题、可调整曲线
13、曲面的构造问题、N边域上曲面的构造问题和数据点的参数化问题等方面研究取得突破，是目前国际最新成果,2018/10/22,31,70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。 1)1970年Bouknight提出了第一个光反射模型， 2)1971年Gourand提出“漫反射模型插值”的思想，被称为Gourand明暗处理。 3)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 4)1975年Phong提出了著名的简单光照模型-Phong模型。,实体模型技术和真实感图形发展大事记,2018/10/22,3
14、2,5)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 6)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； -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7)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,2018/10/22,33,70年代是计算机图形学发展过程中一个重要的历史时期。由于光栅显
15、示器的产生，在60年代就已萌芽的光栅图形学算法，迅速发展起来，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。又因为通用、与设备无关的图形软件的发展，图形软件功能的标准化问题被提了出来。,1.2.3 计算机图形的标准化,2018/10/22,34,1974年，美国国家标准化局（ANSI）在ACM SIGGRAPH的一个与“与机器无关的图形技术”的工作会议上，提出了制定有关标准的基本规则。此后ACM专门成立了一个图形标准化委员会，开始制定有关标准。该委员会于1977、1979年先后制定和修改了“核心图形系统”（Core Gr
16、aphics System）。,2018/10/22,35,ISO随后又发布了计算机图形接口CGI(Computer Graphics Interface)、计算机图形元文件标准CGM（Computer Graphics Metafile）、计算机图形核心系统GKS(Graphics Kernel system)、面向程序员的层次交互图形标准 PHIGS（Programmers Hierarchical Interactive Graphics Standard）等。这些标准的制定，为计算机图形学的推广、应用、资源信息共享，起到了重要作用。,2018/10/22,36,除了官方制定的标准外，还
17、有一些非官方的标准，它们在工业界被广泛采用，成为事实的标准。这些软件常由某个公司或商业组织开发和推广,如 SGI等公司的OpenGL Sun公司的Java 3D Microsoft公司的 DirectX,2018/10/22,37,设备无关的概念： 计算机的外部设备很多，同种类型的设备又有不同厂家、不同型号的产品。 因为一个应用程序不可能顾及到所有硬件的兼容性。 操作系统将具体的硬件设备同整个系统隔离开来，对硬件的具体操作、与硬件有关的兼容性问题等统统由设备驱动程序来解决，同时操作系统向应用程序提供统一的操纵设备的方法 应用程序只需要按套路调用操作系统提供的功能即可，无须关心实际的设备是什么，这就是与设备无关性.,
