《计算机图形学(孙家广.第三版)-第1章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机图形学(孙家广.第三版)-第1章（88页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Computer Graphics(CG) 计算机图形学,数学学院 陈寅 ,1,Textbook： 孙家广，胡事民，计算机图形学基础教程，人民邮电出版社， 2005-7。,2,References： 孙家广等，计算机图形学（3rd） ，清华大学出版社，1998-1。 陈元琰，张晓竟，计算机图形学实用技术，科学出版社，2000 David F. Rogers 著，石教英，彭群生等译，Procedural Elements for Computer Graphics (Second Edition)计算机图形学的算法基础，机械工业出版社，2002,3,Course Requirements 课程要
2、求：,Know the framework of a graphical system, as well as the software/hardware technology of it; Know the basic problems of computer graphics (CG), command the basic concepts, methods and algorithms in CG; Have a initial understanding of the applications related to CG and the current research hotspot
3、 on CG; Have practical experience in CG and related coding ability,4,考核形式：平时*40%+考试*60% 考试形式：开卷,5,Chap. 1 Introduction,What is CG？ CG is a subject that studies how to represent, generate, process and display graphics. （表示、生成、处理、显示） CG is one of the most active, widely applied branches in computer sc
4、ience.,6,Contents in Chap. 1,Research topics in CG History of development Application Fields Research frontiers and trends,7,1.1 Research topics in CG,How to represent graphics in computers? How to use computers to perform graphical computation, processing and display? What are the principles and al
5、gorithms?,8,1.1 Research topics in CG,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。,9,graphics图形与images图象 image指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度(gray)信息。 graphics含有几何属性(geometric information)，更强调场景(scene)的几何表示(geometric representation)，是由场景的几何模型(geometric model)和景物的物理属性(phys
6、ical property)共同组成的。 Two categories in graphics: 基于线条信息表示 明暗图(Shading),10,11,12,13,1.2 History of CG development,20th Century 1950s In 1950, the first graphic display in the world was made, as the accessory of MITs Whirlwind I computer. In 1958, Calcomp Corp. (US) developed drum plotters (滚筒式绘图仪), G
7、erBer Corp. developed flatbed plotters (平板式绘图仪). At the end of 1950s, the Lincoln Lab. of MIT developed SAGE air defense system on Whilwind computer.,14,20th Century 1960s In 1962, 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 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
8、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。,15,20th Century 1970s 光栅图形学raster graphics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，ACM 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,16,CGI：Computer Graphics Interface CGM：Computer Graphics Meta
9、file GKS：Graphics Kernel System PHIGS：Programmers Hierarchical Interactive Graphics Standard,17,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,18,20世纪80年代 1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模型，并第一次给
10、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,19,ACM SIGGRAPH会议小知识 全称 “the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques” 20世纪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
11、了巨大的成功 每年只录取大约50篇论文,20,1.3 Application and Research Frontier,计算机辅助设计与制造（CAD/CAM） CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域 Airplanes, automobiles, ships shape design Power plants, chemical plants layout Civil engineering, architecture Electronic circuits and components design 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
12、程,21,网络环境下进行异地异构系统的协同设计 现代产品设计已不再是一个设计领域内孤立的技术问题，而是综合了产品各个相关领域、相关过程、相关技术资源和相关组织形式的系统化工程 从设计一开始就考虑产品生命周期的全部因素，从而达到快速响应市场需求的目的 协同设计的出现使企业生产的时空观发生了根本的变化；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,22,3D reconstruction based on engineering drawings 基于工程图纸的三维形体重建 Definition：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
13、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 Advantages：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,23,工程图及其三维重建结果1,24,工程图及其三维重建结果2,25,可视化(Visualization) 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： Medical S
14、cience Fluid Dynamics Finite Element Analysis Meteorology Analysis,26,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 Visualization Hardwares Real-time 3D Solid Rendering Body Tissue Recognition and Segmentation,27,28,Renal cyst 肾囊肿,29,Renal cyst 肾囊肿,30,Re
15、nal cyst 肾囊肿,Malignant tumor 恶性肿瘤,31,Malignant tumor 恶性肿瘤,32,真实感图形实时绘制与自然景物仿真 计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制 真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状，光学性质，表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置，遮挡关系等等,33,34,光照模型 illumination models Simple illumination model Local illumination model Global illumination model 绘制方法 Rendering Methods 光
16、线跟踪 辐射度 加速算法 包围体树、自适应八叉树等等,35,Current research hotspot 真实感图形实时绘制 物体网格模型的面片简化：对网格面片表示的模型，在一定误差的精度范围内，删除点、边、面，从而简化所绘制场景的复杂程度，加快图形绘制速度 基于图象的绘制(IBR，Image Based Rendering)：完全摒弃传统的先建模，然后确定光源的绘制的方法。它直接从一系列已知的图象中生成未知视角的图象，适用于野外极其复杂场景的生成和漫游,36,野外自然景物的模拟 野外场景远远复杂于室内场景，绘制难度更大，方法更趋多样化 主要绘制山、水、云、树、草、火等等 绘制火的粒子系统（Particle System），基于生理模型的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等,37,由清华大学自然景物平台生成的野外场景,38,日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云,39,Xfrog3.0生成的挪威云杉,40,计算机动画 Computer Animation 计算机动画近十多年来取得了很大的发展，已渗透
