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1、2019/4/21,1,计算机图形学,郭晓新 计算机科学与技术学院,2019/4/21,2,第一章 计算机图形学简介,第一节 计算机图形学 第二节 计算机图形学的起源 第三节 计算机图形学的应用及发展动向 第四节 图形系统的硬件 第五节 计算机图形标准,2019/4/21,3,图形的基本概念,对象：客观存在的实体。 可以是各种具体的、实在的物体，如家具、机械零件、房屋建筑等，也可以是抽象的、假想的事物，如天气形势、人口分布、经济增长趋势等等。,2019/4/21,4,图形的基本概念,模型：能够正确地表达出一个对象性质、结构和行为的描述信息。 建模是计算机图形学的首要工作。模型，由点、线、圆、曲
2、线、曲面、体元等各种几何元素以及他们的组合构造。,2019/4/21,5,图形的基本概念,图形基元：（简称“图元”Primitives）是基本的图形元素，指点、线、圆/弧等，其信息包含图元的几何信息与属性信息（颜色、线型、线宽等显式属性和层次等隐式属性）。 像素：（Pixel）或图像单元（Pels，picture elements）最基本的图元，其信息包括点坐标与它的属性信息（颜色、灰度、亮度等）。,2019/4/21,6,图形的基本概念,图形（Graphics）：从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状信息的表示。以矢量形式呈现。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
3、景的几何表示，记录图形的形状参数与属性参数。 例如，工程图纸（Drawing）。,2019/4/21,7,图形的基本概念,图像（Image or Picture）：以点阵形式呈现。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。 例如，照片、扫描图片和由计算机产生的真实感和非真实感图形等。,2019/4/21,8,图形的基本概念,抽象图形的本质可以概括地说： 图形=图元+属性,2019/4/21,9,图形的基本概念,简单来说，计算机图形学是指用计算机产生对象图形的输出的技术。 确切地说，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
4、示的原理、方法和技术的学科。它综合了应用数学、计算机科学等多方面的知识。,2019/4/21,10,图形的基本概念,计算机生成图形的过程：对象模型图形 本质上，计算机图形学研究两个问题：如何在计算机中“建模（表示）”和“显示（绘制）”出多彩的客观世 界： （1）建模（表示）：建立对象的模型，即对该对象作出所需的正确的信息描述。通俗地讲，是如何将客观世界（几何）“放到”计算机中去几何建模； （2）显示（绘制）：利用计算机对这个模型进行各种必要的处理，从无到有地产生出能正确反映对象的某种性质的图形输出。通俗地讲，是如何将计算机中抽象的“几何”用一种形象的（静态或动态的图形，含图像）方式表现出来几何
5、的视觉实现。,2019/4/21,11,计算机图形学定义,对象 点 线（直线、曲线） 面（平面、曲面） 体（多面体、曲面体）,图形 点：几何（坐标） 属性：可见性、颜色（亮度、色调、色饱和度）等,模型 基本几何 点、线、圆/圆弧 拓扑信息 数据结构,建模,绘制,2019/4/21,12,计算机图形学定义,瑞士计算机科学家Wirth在1976 年对“程序”给出了如下定义： 算法+数据结构=程序。 对计算机图形学给出如下定义： 计算机图形学=几何+绘制,2019/4/21,13,构成图形的要素,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、纹理等,2019/4/21
6、,14,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：,计算机中表示图形的方法,2019/4/21,15,从处理技术上来看，图形主要分为两类， 基于线条信息表示的，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等， 明暗图(Shanding)，也就是通常所说的真实感图形。,计算机中表示图形的方法,2019/4/21,16,计算机图形学的总体架构,2019/4/21,17,计算机图形学的总体架构,数学基础（Math. Fuandemental），主要是向量与几
7、何变换，如几何建模时的三维空间变换，绘制时的三维到二维的投影变换和二维空间的窗口和视图变换等。 几 何（Geometry），三维及二维空间的各种几何模型。可以是解析式表达的简单形体，或是隐函数表达的复杂曲线、曲面，也可以是面片表达的任意几何体等等。,2019/4/21,18,计算机图形学的总体架构,绘 制（Rendering），几何的视觉实现（决定几何的属性）过程。计算机图形学典型的反走样、光照、纹理等理论和算法均可被认为是对几何的绘制处理。 交互技术（Interaction），交互技术提供图形通讯手段，成为人机交互的主要工具。,2019/4/21,19,与相关学科的关系,图像处理(Image
8、 Processing) 模式识别(Pattern Recognition) 计算几何(Computational Geometry) 交互式计算机图形学(Interactive Computer Graphics),2019/4/21,20,与相关学科的关系,图像处理是指用计算机来改善图像质量的数字技术。 图像处理是指用计算机对图像进行处理，以使其适应于某种特殊的需求的数字技术。如CT扫描、X射线探伤等。,2019/4/21,21,与相关学科的关系,图像处理：研究对象为数字图像 对一幅连续图像采样、量化以产生数字图像， 对数字图像做各种变换以方便处理， 如何滤去图像中无用的噪声， 如何压缩图
9、像数据以便存储和传输， 如何提取图像的物体边缘， 如何增强图像的某些特征等。,2019/4/21,22,与相关学科的关系,模式识别是指用计算机对输入图形进行识别的技术。 模式识别：是分析和识别输入的数字图像并从中提取二维或三维的数据模型（特征）的技术，如手写汉字识别。,2019/4/21,23,与相关学科的关系,计算几何学是研究几何模型和数据处理的学科。 计算几何：研究几何形体在计算机内的表示、分析和综合。包括曲线曲面的表示、生成、拼接和造型，三维立体造型，散乱数据插值，计算复杂性等。,2019/4/21,24,与相关学科的关系,交互式计算机图形学：指用计算机交互式地产生图形的技术。交互式绘图
10、允许操作人员以对话方式控制和操纵图形的生成。图形可以边生成，边显示，边修改，直到产生符合使用要求的图形为止。交互式绘图可以使人的逻辑思维能力、分析能力和计算机准确快速的计算能力结合起来，从而发挥更大的威力，使人们运用起来更加方便。,2019/4/21,25,与相关学科的关系,2019/4/21,26,数字图像,数据模型,图像生成（计算机图形学）,模型（特征）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,与相关学科的关系,2019/4/21,27,第二节 计算机图形学的起源,历史追溯 硬件发展 图形显示器的发展 图形输入设备
11、的发展 图形软件及软件标准的发展,2019/4/21,28,50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(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， 主要用于图形输出， 没有交互功能。,历史追溯,2019/4/21,29,2019/4/21,30,50年代 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。,历史追溯,2019/4/21,31,50年代 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
12、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。,历史追溯,2019/4/21,32,50年代 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。与此同时，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。,历史追溯,2019/4/21,33,历史追溯,60年代 1963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
13、”的博士论文， 他在论文中首次使用了计算机图形学“Computer Graphics”这个术语，证明了交互计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位，他也被人们称为“图形学之父”。 他在论文中所提出的一些基本概念和技术，如交互技术、分层存储符号的数据结构等至今还在广为应用。,2019/4/21,34,第二节 计算机图形学的起源,2019/4/21,35,历史追溯,60年代 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P
14、ierre 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最早的开创性工作。,2019/4/21,36,历史追溯,60年代 值得一提的是，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，这也算是计算机图形学的一段佳话。,2019/4/21,37,历史追溯,60年代 60年代，CAD/CAM在计算机、汽车以及航空工业领域被
15、发展起来，出现了例如美国通用汽车公司的辅助汽车设计的实用CAD系统，但总的说，由于图形硬件设备非常昂贵，实用技术也少，图形学还是一个很小的专业化学科。,2019/4/21,38,历史追溯,70年代 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。由于大规模集成电路技术的快速发展，计算机硬件性能不断提高，体积缩小，价格降低，特别是廉价的图形输入输出和大容量存储介质的出现，使得以小型机为基础的图形系统进入市场并成为主流。,2019/4/
16、21,39,历史追溯,70年代 图形软件标准化 1974年，ACM SIGGRAPH的“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,2019/4/21,40,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,历史追溯,2019/4/21,41,80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,历史追溯,2019/4/21,42,90
