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1、计算机图形学计算机图形学西安电子科技大学计算机学院 计算机外部设备研究所王义峰 135720446241教材和参考书o教材 计算机图形学导论James D.Foley，董士海等译，机械工业出版社。o主要参考书：l孙家广，计算机图形学（第三版），清华大学出版社，1999。l唐泽圣，计算机图形学基础清华大学出版社 2001。 lHill,F.S. “Computer Graphics Using Open GL”,Prentice Hall, 2001. 2教学要求o理解交互式计算机图形学o掌握2D图形学经典算法 o具备一定的图形应用系统开发能力 3第一章 计算机图形学概述 1.1 计算机图形学的
2、应用1.2 计算机图形学的基本概念1.3 计算机图形学的发展历史1.4 当前计算机图形学的研究热点41.1 计算机图形学应用1 ) Graphical User Interface (GUI) W.I.M.P - Windows, icons, menu, pointers Apple iPhoneTM5 2）GIS地理信息系统 o建立在地理图形之上的关于各种资源的综合信息管理系统o数字地球，地形数据作为载体，全球信息化.o军事，政府决策，旅游，资源调查。 1.1 计算机图形学应用63) 建模（image, model creation）n坐标系统n数据生成n几何-观察变换 n裁剪-消隐n颜色
3、纹理 n光照阴影n绘制1.1 计算机图形学应用71.1 计算机图形学应用81.1 计算机图形学应用Frame from animation by William Latham, shown at SIGGRAPH 1992. Latham uses rules that govern patterns of natural forms to create his artwork.9CAD/CAM104）科学计算可视化(Scientific Visualization)n必要性：直接分析大量的测量数据或统计数据有困难n目标：用图形表现抽象的数据n应用领域：医学图象重建，遥感，流场、气象、核爆模拟
4、，有限元分析。1.1 计算机图形学应用111.1 计算机图形学应用12医学可视化13科学可视化145）多媒体系统 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。n计算机处理的常见媒体：文本、图形、图像、语音、音频、视频、动画n特点：媒体多样性、操作交互性、系统集成性nCAI， 教学娱乐。1.1 计算机图形学应用156）数字娱乐o电脑动画、电脑游戏n实时性n逼真性n蕴含了先进的图形处理技术o电影特技，电视广告，节目片头、FLASH 采 用 的 动 画 工 具 ： MAYA, 3D-MAX, SOFTIMAGE1.1 计算机图形学应用16数字娱乐：电影17CG游
5、戏与电影Pixar: Monsters Inc.Square: Final Fantasy18CG 游戏197）计算机艺术o工具：Coreldraw, Photoshop等 o相片真实感模拟与自然媒体仿真技术 o分形艺术o乐谱，舞谱1.1 计算机图形学应用208）Virtual Reality 是用计算机技术来生成一个逼真的三维视、听、触等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察，如战斗机驾驶模拟系统等 1.1 计算机图形学应用Mars data visualizationElumens VisionStation21o计算机图形
6、学定义o计算机图形学的研究内容1.2 图形学基本概念22What is Computer Graphics? (1/2)oComputer graphics generally means creation, storage and manipulation of models and imagesoSuch models come from diverse and expanding set of fields including physical, mathematical, artistic, biological, and even conceptual (abstract) stru
7、ctureso计算机图形学计算机图形学(Computer Graphics(Computer Graphics，简称，简称CG)CG)是一种使用数学算法将二是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。 随着以计算机随着以计算机为主要工具进行视觉设计和生产的一系列相关产业的形成为主要工具进行视觉设计和生产的一系列相关产业的形成, ,国际上习惯国际上习惯将利用计算机技术进行视觉设计和生产的领域通称为将利用计算机技术进行视觉设计和生产的领域通称为CGCG。 23oWilliam Fetter coined term “comp
8、uter graphics” in 1960 to describe new design methods he was pursuing at BoeingoCreated a series of widely reproduced images on pen plotter exploring cockpit design, using 3D model of human body. “Perhaps the best way to define computer graphics is to find out what it is not. It is not a machine. It
9、 is not a computer, nor a group of computer programs. It is not the know-how of a graphic designer, a programmer, a writer, a motion picture specialist, or a reproduction specialist.Computer graphics is all these a consciously managed and documented technology directed toward communicating informati
10、on accurately and descriptively.”Computer Graphics, by William A. Fetter, 1966What is Computer Graphics? (2/2)24图形的输入 如何开发利用图形输入设备及软件将图形输入到计算机中去，以便作各种处理。图形的处理包括对图形进行变换(几何变换，投影变换)和运算（集合运算）,着色，形变等图形的输出 如何将图形格式转换、并在显示屏或打印机等输出设备上输出。计算机图形学的研究内容25图形与图像图像生成（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）数字图像数据模型图像变换
11、（图像处理）发展特点: 交叉、界线模糊、相互渗透采样量化滤波增强26基于采样的图形（光栅，点阵)oImages are made up of grid of discrete pixels, for 2D “picture elements”Mathematicalpixel gridLCD displayCRT beam illumination patternNB: Cant resolve adjacent pixels on CRT1 pixellight intensity27采样oLets do some sampling of CIT buildingoA color value
12、 is measured at every grid point and used to color corresponding grid squareoNote: this poor sampling and image reconstruction method creates blocky image3D scene0 = white, 5 = gray, 10 = black28oOnce image is defined in terms of colors at (x, y) locations on grid, can change image easily by alterin
13、g location or color valuesoE.g., if we reverse our mapping above and make 10 = white and 0 = black, the image would look like this:oPixel information from one image can be copied and pasted into another, replacing or combining with previously stored pixelsWhats the Advantage?29Whats the Disadvantage
14、?oWYSIAYG (What You See Is All You Get): No additional informationnno depth informationncant examine scene from different point of viewnat most can play with the individual pixels or groups of pixels to change colors, enhance contrast, find edges, etc.oBut recently, strong interest in image-based re
15、ndering to fake 3D scenes and arbitrary camera positions. New images constructed by interpolation, composition, warping and other operations.Photo Tourism: Exploring photo collections in 3D (Siggraph 2006)30Examples of 2D Image Manipulation (1/3)The news: digitally “enhanced” images are more and mor
16、e common. Usually just sharpening, color balancing, but sometimes much more. To “Photoshop something in”:Reuters doctored Beirut bombing photo (below right; note cloned smoke)else31Examples of 2D Image Manipulation (2/3)oPeople can now mutate into other people or objects through morphing, and can ca
17、rry on conversations in different times and placesnInteractive Digital Photomontage, Siggraph 2004 眼见为实？32Examples of 2D Image Manipulation (3/3)oIn artwork the processes and techniques of photography and painting are merging in the art of digital imagingnMichele Turre: the artist, her daughter, and
18、 her mother, all at 3 years of age33基于几何的图形oGeometry-based graphics applications store mathematical descriptions, or “models,” of geometric elements (lines, polygons, polyhedrons) and associated attributes (e.g., color, material properties). Elements are primitive geometric shapes, primitives for sh
19、ortoImages created as pixel arrays (via sampling of geometry) for viewing, but not stored as part of model. Images of many different views are generated from same modeloUsers cannot usually work directly with individual pixels in geometry-based programs; as user manipulates geometric elements, progr
20、am resamples and redisplays elementsoIncreasingly rendering combines geometric and sample-based graphics, both as performance hack and to increase quality of final product341.3 发展历史o历史追溯o硬件发展n图形显示器的发展n图形输入设备的发展o图形软件及软件标准的发展35历史追溯o1950年，MIT，旋风一号（Whirlwind I 计算机的图形显示器，类似于示波器的CRT来显示简单图形，可供照相制作硬拷贝。o50年代
21、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定位识别目标。36历史追溯o1963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。-确定了交互图形学作为一个学科分支。Sketchpad in 1963. Note use of a CRT monitor, light pen and function-key panel.37历史追溯o60年代：MIT、Bell Lab、通用汽车公司、剑桥大学开展大规模的研究。o70年代进入技术实用化o但80年代初，图形学依然是较小的学科，原因是图形硬件设
22、备十分昂贵，且基于图形的应用相对较少。38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o60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o60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。39Vector 显示器40硬件发展o70年代初，刷新式光栅扫描显示器出现，大大地推动了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。41 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42VersusDatePriceCPUMe
23、moryStorageMonitorDevicesGUI19842008$2500$22008 MHz3.06 GHz (Dual)128KB RAM2.0GB DDR2 SDRAM400KB Floppy500GB Hard Disk9” Black & White24” Color512 x 34268 dpi1920 x 1200100 dpiMouseKeyboardMouseKeyboardDesktop WIMPDesktop WIMP+24x .88x 382.5x 15625x 1250000x 2.6x 13.2x 1.5samesamesameOriginal Macint
24、oshNew iMac 24”43Architecture Vector vs. Raster 44n195060：计算机以批处理方式执行，主要的人机交互设备是控制开关、打孔机和读卡机n196080：计算机以分时方式执行，人机交互主要是命令行界面：键盘n1970：图形用户界面：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板等n第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），触摸屏、手势、表情、语音等n第五阶段：用户的思维图形输入设备的发展据英国据英国每日邮报每日邮报9 9月月2 2日报道日报道, ,美国科学家日前发明了一种可以帮助盲人和视力低下的人美国科学家日前发明了一种可以帮助盲人和视力低下的
25、人“重见光明重见光明”的电子装置的电子装置, ,它是让人通过舌头它是让人通过舌头“看见看见”眼前的景象眼前的景象. .45图形输入设备的发展46l GKS (Graphics Kernel System) (第一个官方标准， 1977)l PHIGS(Programmers Herarchical Interactive Graphics system) 非官方图形软件，成为工业界事实上的标准l OpenGL(SGI、Intel、IBM等)l DirectX (Microsoft)l Xlib(X-Window系统)lPostscript （Adobe）设备无关 通用图形标准的发展47 1.4
26、 当前的研究动态造型技术造型技术o规则形体：规则形体：n欧氏几何方法欧氏几何方法n基于物理的造型基于物理的造型n基于特征的造型基于特征的造型o不规则形体：不规则形体：n分形几何方法分形几何方法n纹理映射纹理映射48o真实感图形绘制技术真实感图形绘制技术n光照明模型光照明模型n绘制算法绘制算法n快速算法快速算法n易于图像的绘制易于图像的绘制o人机交互技术人机交互技术界面简单易用界面简单易用色彩搭配、比例尺寸符合人的审美规律；色彩搭配、比例尺寸符合人的审美规律；吸引用户交互操作。吸引用户交互操作。49国际会议动态o第24届计算机图形国际会议(CGI2006)在浙江大学举行结合图形硬件实现实时绘制；
27、基于数据采集进行真实感建模；绘制与建模任务相结合;随着数字多媒体、虚拟现实、系统仿真以及网络技术的发展和广泛应用，以电子游戏、教育娱乐、数字视听等软件及其相关硬件设备制作、销售及服务为代表的数字娱乐产业获得蓬勃发展。50CGI2006o设立了22个Sectiono研讨的内容包括：真实感绘制、计算几何、图形新技术、可视化、图像与视频、纹理合成、基于图像的建模、图形检索、虚拟现实、图形硬件等51CGI2006计算机图形绘制与动画o日本东京大学的 教授介绍了水的实时绘制o韩国 博士报告了可控的烟雾动画o澳门大学吴恩华教授则重点研讨了水的波光效果生成o德国的 教授则发表了采用 拼图方法生成大规模植物竞
28、争生长场景的模拟方法52CGI2006计算机图形建模o清华大学胡事民教授提出基于骨架变形的新方法o浙江大学几何处理研究小组所提出的材质相关变形方法将目前国际上热门的微分域网格处理方法又往前推进了一步o台湾的 教授领导的研究团队则侧重于卡通动画中的变形迁移技术。53基于骨架的地图生成54树皮模拟：曲面细分55叶子的建模：细节表示56林木场景的生成57LOD技术58Billbord技术59oAlmost all key elements （input-process-output）of interactive graphics system are expressed in first parag
29、raph of Sutherlands 1963 Ph.D. thesis, Sketchpad, A Man-Machine Graphical Communication System:The Sketchpad system uses drawing as a novel communication medium for a computer. The system contains input, output, and computation programs which enable it to interpret information drawn directly on a co
30、mputer display. Sketchpad has shown the most usefulness as an aid to the understanding of processes, such as the motion of linkages, which can be described with pictures. Sketchpad also makes it easy to draw highly repetitive or highly accurate drawings and to change drawings previously drawn with itWhat is Interactive Computer Graphics? 60交互式图形的概念框架o应用模型：类似数据结构（保存图形数据，可读写）o应用程序：由需求决定功能（生成，绘制，修改，变换）o图形系统：实现设备上图形的绘制，把输入传递给应用程序。61
