东北大学计算机图形学

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1、,计算机图形学,信息科学与工程学院, TEL: 13709857614,主讲：曹春红 副教授,绪论 用户接口及交互式技术 图形的表示与数据结构 基本图形生成算法 二维图形变换及二维观察 三维图形变换及三维观察 曲线与曲面 真实感图形绘制,课程内容,参考教材： 陈传波、陆枫编著“计算机图形学基础”，电子工业出版社，2004年 孙家广等编. 计算机图形学. 清华大学出版社, 2003. J. D. Foley, etal, Computer Graphics Principles and Practice, 2nd Ed. In C, 1999. 计算机图形学原理及实践C语言描述，机械工业出版社

2、唐荣锡等. 计算机图形学教程. 科学出版社, 2000.,计算机图形学的基础理论知识； 了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术； 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； 对与图形相关的应用及当前的研究热点有一个初步认识； 具有一定实践体会和相关的编程能力； 对图形学的一些热门研究问题有一定了解。,课 程 要 求,引 言,上大学学习的最终目的：是为将来独立从事工作打下坚实的基础 毕业后，同学们作什么？ 科学研究（继续深造） 技术攻关（在科研部分、大公司） 自主创业（自己创办公司） Team-Leader 埋头苦干 享受生活 ,计算机专业大学生需要培养那些能力？,引 言,IE

3、EE 和ACM的“计算机学科教学计划2001”：21世纪计算机学科：,算法与分析（AL） 体系结构（AR） 离散结构（DS） 计算科学（CN） 图形学、可视化、多媒体（GR） 网格计算（NC）,人机交互（HC） 信息管理（IM） 智能系统（IS） 操作系统（OS） 程序设计基础（PF） 程序设计语言（PL） 软件工程(SE),第一章 绪 论,1.1 图形学相关概念及学科特点 1.2 图形学发展历史 1.3 计算机图形系统 1.4 图形系统应用与发展动态,1.1 图形学相关概念及学科特点,计算机图形学（Computer Graphics） 计算机图形学是研究怎样利用计算机来显示、产生、存储和处理

4、图形的原理、方法和技术的一门学科。 关于计算机图形学的不同定义： IEEE定义： Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer. 德国的Wolfgang K Giloi定义: 图形学由数据结构、图形算法和语言构成。 美国的James Foley定义: 计算机图形学是运用计算机产生、存储、处理物体的物理模型和它们的画面。,1.计算机图形学的概念,计算机图形学的研究对象图形 对图像、图片、绘图、照片、插图等的统称。 计算机图形一般包括两种类型:位图图形和矢

5、量图形。 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,1.1 相关概念及学科特点,2. 图形的概念,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,1.1 相关概念及学科特点,3. 图形的表示方法,综合性 图学理论、现代数学、计算机科学、形态学、分形混沌学、小波理论等等 学科交叉性 计算机图形学、 数字图象处理、计算几何、计算机视觉及模式识别等。 相关学科之间关系,1.1 相关概念及学科特点,4.计算机图形

6、学的学科特点,旨在对图象进行各种加工以改善图象的视觉效果。 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。,相关学科介绍：数字图象处理,研究几何模型和数据处理的学科。 讨论几何形体的计算机表示、分析和综合 研究如何方便灵活、有效地建立几何形体的数学模型 研究如何在计算机中更好地存贮和管理这些模型数据,相关学科介绍：计算几何,是研究用计算机来模拟生物视觉或宏观视觉功能的科学和技术。 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、

7、机器视觉。,相关学科介绍：计算机视觉及模式识别,相关学科关系,数字图像,数据模型,计算机图形学 （图像生成）,（模型或特征提取） 计算机视觉、模式识别,计算几何 （模型变换）,（图像变换）图像处理,几何形体的计算机表示、有效地建立几何形体的数学模型,对图像进行增强、复原、分割、重建、存储、压缩、编码,从非图像形式的数据描述来生成（逼真）图像,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 图形学发展历史,1.酝酿期（50年代）,1950年，美国MIT的旋风1号(Whirlwind I)计算机配备了阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形

8、。 -CRT的出现为计算机生成和显示图形提供了可能 50年代末期，MIT林肯实验室，在Whirlwind上开发SAGE空中防御系统，通过光笔在屏幕上指点与系统交互。 -标志着交互式图形技术的诞生,1.2 图形学发展历史,2.萌芽期（60年代）,1962年MIT林肯室验室Ivan.E.Sutherland的博士论文Sketchpad：一个人机通信的图形系统中首次使用术语“Computer Graphic”。 -确立了计算机图形学的的学科地位 硬设备的发展 60年代中期 随机扫描的显示器 ，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;但不具有动态显示图形功能，

9、不适合交互。,1.2 图形学发展历史,3.发展期（70年代）,70年代，美国洛克德飞机公司用于飞机设计的交互式图形处理系统 （CAD/AM） 应用计算机显示技术和交互技术的时期到来。 硬设备的发展 基于电视技术的光栅扫描显示器出现极大地推动了计算机图形学的发展。 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 软件的发展 众多商品化图形软件出现，CAD成为工业设计部门不可缺少的工具和技术,1.2 图形学发展历史,4.普及期（80年代）,80年代，出现了带有光栅图形显示器的个人计算机和工作站 极大地促进了计算机图形学的发展。 软件发展 图形软件和支持图形应用的操作系统全面

10、出现，如Windows、AutoCAD、CorelDRAW、3DStudio等,1.2 图形学发展历史,5.提高增强期（90年代）,90年代，多媒体技术、人工智能及专家系统技术的结合 科学计算的可视化、虚拟现实 环境的应用提出了许多更多更新的要求，使得三维乃至高维计算机图形学在真实性和实时性方面有飞速发展。 技术上：朝着标准化、集成化和智能化的方向发展,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,通用的、与设备无关的图形包，图形软件标准 GKS (Graphics Kernel System) (第一个官方标准，1977)PHIGS (Programmers Hiera

11、rchical Interactive Graphics System) 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) Postscript (Adobe公司),计算机图形学的研究内容非常广泛，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。作为一门面向计算机专业硕士生,本课程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以及计算机动画、虚拟现实等技术。,1.3 计算

12、机图形系统,计算机图形学的基本任务 研究如何用计算机来显示、存储和处理图形 具体包括以下几个方面： 如何用适当的硬件来实现图形处理功能 如何设计好的图形软件 图形处理所需的数学处理方法和算法 如何解决实际应用中的图形处理问题,1.3 计算机图形系统,1.计算机图形系统的构成,计算机图形系统,计算机硬件,图形输入输出设备,计算机系统软件,图形软件,2.计算机图形系统的硬件组成,图形显示终端,图形 输入板,计算机,绘图仪,磁带机,硬盘,鼠标器,1.3 计算机图形系统,1.3 计算机图形系统,3.计算机图形系统的功能,计算,输入,交互,存储,输出,图形输出设备,图形输入设备,显示器,1.3 计算机图

13、形系统,3.计算机图形系统的功能,计算,输入,交互,存储,输出,图形输出设备,图形输入设备,显示器,计算：涉及各种图形计算，其目的是建立形体设计、分析的方法程序库和有关描述形体的图形数据库。 例如： 坐标的几何变换 曲线、曲面的生成 图形交点的计算,1.3 计算机图形系统,3.计算机图形系统的功能,计算,输入,交互,存储,输出,图形输出设备,图形输入设备,显示器,存储： 在计算机的内存、外存中要能存放图形数据。 主要是存放图形数据之间的相互关系。,1.3 计算机图形系统,3.计算机图形系统的功能,计算,输入,交互,存储,输出,图形输出设备,图形输入设备,显示器,交互：允许用户实时地、直观地对系

14、统的命令、工具、程序及其对话框等内容进行调节和控制。 操作者通过显示屏幕观察设计的结果和图形并加以修改。 系统给出必要的错误提示和跟踪。,1.3 计算机图形系统,3.计算机图形系统的功能,计算,输入,交互,存储,输出,图形输出设备,图形输入设备,显示器,输入： 图形数据进入计算机的过程。包括把设计过程中图形的形状、尺寸等必要的参数和命令输入到计算机中去。,1.3 计算机图形系统,3.计算机图形系统的功能,计算,输入,交互,存储,输出,图形输出设备,图形输入设备,显示器,输出： 将图形特定的表示形式转换成输出设备能够接受的形式的过程。,3.计算机图形系统结构,图形系统,图形软件,图形硬件,图形应

15、用数据结构,图形应用软件,图形支撑软件,图形计算机平台,图形设备,图案模型,几何描述数据,图形工具软件,图形处理软件,图形生成软件,图形用户接口,图形辅助控制,OS图形扩展,图形BIOS程序,语言图形语句,图形子程序库,图形软件包,微机,工作站,计算机网络,中小型计算机,图形显示设备,图形输出设备,图形输入设备,图形数据文件,图形基元模型,字模字体库,形状和大小几何信息 与图形有关拓扑信息（位置与布局） 属性信息（颜色、亮度、纹理） 非几何信息（标记、标题说明）,从“上一层”取得 物体的几何模型和属性，进行各种处理（剪裁、变换、填充）；“下一层”接口,公用图形子程序，扩展高级语言和操作系统的图形处理的功能,1.4 计算机图形学应用及研究动态,计算机动画 地理信息系统（GIS） 人机交互（HCI） 真实感图形显示 虚拟现实（VR） 科学计算可视化 并行图形处理,图形学的艺术魅力,黑客帝国广告,黑客帝国电影,图形学的艺术魅力,动画,游戏,