计算机图形学幻灯片----绪论

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1、计算机图形学,山东科技大学 图象工程研究所 虚拟现实实验室,教学要求,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。,山东科技大学信息学院,教材或参考书：,教材 孙家广：计算机图形学(第三版），清华大学出版社，2002。 孙家广，胡事民：计算机图形学基础教程。清华大学出版 社，2005 唐泽圣：计算机图形学基础，清华大学出版社，1998。 唐荣锡、汪嘉业：计算机图形学教程。科学出版社，2002 主要参考书： 倪明田等，“计算机图形学”，北京大学出版社，

2、1999。 Donald Hearn, M. Pauline Baker ,“Computer Graphics (C Version)”, Prentice Hall , 1997. 常明、朱林。计算机图形学。华中科技大学出版社2001,山东科技大学信息学院,第一章 绪论,1.1 计算机图形学与图象处理 1.2 计算机图形学的发展历史 1.3 计算机图形学的应用 1.4 计算机图形学的发展动向,山东科技大学信息学院,1.1 计算机图形学与图象处理,1.1.1 图形与图象 1.1.2 计算机图形学与图象处理的联系与区别（见图1-1）,山东科技大学信息学院,1.1.1 图形与图象,定义：计算机图

3、形学是研究怎样用数字计算机生成、处理和显示图形的一门学科。,山东科技大学信息学院,计算机图形学的研究内容,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。,山东科技大学信息学院,图象处理的研究内容,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

4、。,山东科技大学信息学院,1.1.2 计算机图形学与图象处理的联系与区别(图1-1),1.2计算机图形学的发展历史,1.2.1 历史追溯 1.2.2 硬件发展 图形显示器的发展 图形输入设备的发展 1.2.3 图形软件及软件标准的发展,山东科技大学信息学院,1.2.1 历史追溯,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 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 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,山

5、东科技大学信息学院,60年代 1962年，MIT林肯实验室的I. 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-确定了交互图形学作为一个学科分支（提出基本交互技术、图元分层表示概念及数据结构)。 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。,山东科技大学信息学院,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，AC

6、M 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、CGM、GKS、PHIGS,山东科技大学信息学院,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,山东科技大学信息学院,80年代 1980年Whitted提出了一个光透

7、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,山东科技大学信息学院,90年代：微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域日益广泛。 标准化、集成化、智能化 多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、虚拟现实 三维造型技术,山东科技大学信息学院,ACM SIGGRAPH会议小知识 全称 “the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Tec

8、hniques” 60年代中期，由Brown 大学的教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司的Sam Matsa发起 1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH 年会，并取得了巨大的成功 每年只录取大约50篇论文,山东科技大学信息学院,1.2.2 硬件发展,图形显示器的发展 图形显示器是计算机图形学中关键的设备 60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器） 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，缺点是不具有动态修改 图形功能，不适合交互式。,山东科技大学信息学院,70年代初，刷新式光栅扫描显示器出现，大大地推动了

9、交互式图形技术的发展。 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。,山东科技大学信息学院,图形显示设备的发展：,画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器）,存储管式显示器,刷新式光栅扫描显示器,山东科技大学信息学院,图形输入设备的发展 第一阶段：控制开关、穿孔纸等等 第二阶段：键盘 第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音 第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等 第五阶段：用户的思维,山东科技大学信息学院,山东科技大学信息学院,山东科技大学信息学院,发展历程,诸侯割据,标准讨论,标准形成,1.2.3图形软

10、件发展及软件标准的形成,山东科技大学信息学院,图形软件发展及软件标准形成,三种类型的计算机图形软件系统： (1)用某种语言写成的子程序包 如: GKS (Graphics Kernel System) PHIGS(ProgrammersHerarchical Iuteractive Graphics system ) GL 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低 (2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能 如：Turbo Pascal、Turbo C，AutoLisp等。 简练、紧凑、执行速度快，但可移植性差 （3）专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差。,山东科技大学信

11、息学院,1.3计算机图形学的应用,1.3.1 计算机辅助绘图及设计 1.3.2 事务管理中的交互式绘图 1.3.3 科学计算可视化 1.3.4 过程控制 1.3.5 计算机动画及广告 1.3.6 计算机艺术 1.3.7 地形地貌和自然资源的图形显示 1.3.8 办公自动化及电子出版系统,山东科技大学信息学院,1.3.1 计算机辅助绘图及设计,-CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域 飞机、汽车、船舶的外形的设计 发电厂、化工厂等的布局 土木工程、建筑物的设计 电子线路、电子器件的设计 设计结果直接送至后续工艺进行加工处理，如波音777飞机的设计和加工过程,山东科技大学信息

12、学院,奥迪效果图和线框图,山东科技大学信息学院,计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）,基于工程图纸的三维形体重建 定义：从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建 优势：可以做装配件的干涉检查、以及有限元分析、仿真、加工等后续操作，代表CAD技术的发展方向,山东科技大学信息学院,工程图及其三维重建结果1,山东科技大学信息学院,工程图及其三维重建结果2,山东科技大学信息学院,1.3.3 科学计算可视化,科学计算可视化(Scientific Visualization)

13、海量的数据使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，用图形来表示数据的迫切性与日俱增 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（Visualization in Scientific Computing）” 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,山东科技大学信息学院,在医学领域，可视化有着广阔的发展前途 是机械手术和远程手术的基础 将医用CT扫描的数据转化为三维图象，帮助医生判别病人体内的患处 由CT数据产生在人体内漫游的图象 可视化的前沿与难点 可视化硬件的研究 实时的三维体绘制 体内组织的识别分割Segmentation

14、,山东科技大学信息学院,1.3.5 计算机动画及广告,计算机动画 娱乐 多媒体,山东科技大学信息学院,计算机动画,计算机动画 计算机动画近十多年来取得了很大的发展，已渗透到人们生活的各个角落 商业广告、影视特技/片头、动画片 教育、军事、飞行模拟等 分类 二维动画 图象变形 形状混合,山东科技大学信息学院,三维动画 关键帧动画 变形物体的动画 过程动画 关节动画与人体动画,山东科技大学信息学院,基于特征的图象变形（猫变虎）,山东科技大学信息学院,娱乐,电脑游戏 实时性 逼实性 蕴含了先进的图形处理技术 电视广告，节目片头，科教演示（CAI） Quake III，“古墓丽影”，“侏罗纪公园”、“

15、皇帝的新衣”、完美风暴 MAYA, 3D-MAX, SOFTIMAGE,山东科技大学信息学院,多媒体,在计算机控制下，对多种媒体信息进行生成、操作、表现、存储、通信、或集成的信息系统，其中媒体至少应包括一种“连续媒体”及一种“离散媒体” 计算机处理的常见媒体：文本、图形、图像、语音、音频、视频、动画 特点：媒体的多样性、操作的交互性、系统的集成性 CAI， 教学娱乐。,山东科技大学信息学院,1.3.6 计算机艺术,计算机艺术 用计算机软件从事艺术创作 二维平面的画笔程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop） 图表绘制软件（如Visio） 三维建模和渲染软件包（如3DM

16、AX，Maya）、以及一些专门生成动画的软件（如Alias，Softimage）,山东科技大学信息学院,优点： 提供多种风格的画笔画刷 提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾化，变形等操作 可以任意修改，取消败笔 不足： 无法达到传统绘画中风格化的 艺术效果 很难得到有素描效果、油画效果的艺术品,山东科技大学信息学院,山东科技大学信息学院,非真实感绘制（NPR，Non-Photorealistic Rendering） 用于模拟艺术效果，研究方法有别于真实感图形学 钢笔素描的生成 钢笔素描产生于中世纪，从19世纪开始成为一门艺术20世纪90年代开始研究用计算机模拟 中国国画与书法的生成,山东科技大学信息学院,Georges Winkenb1ach绘制的壶和碗(Siggraph96),山东科技大学信息学院,Salisbury绘制的茶壶(Siggraph97),山东科技大学信息学院,Salisbury绘制的熊(Siggraph97),山东科技大学信息学院,Oliver Deussen绘制的素描树(Si