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1、计算机图形学计算机图形学v绪论绪论v用户接口及交互式技术用户接口及交互式技术v图形的表示与数据结构图形的表示与数据结构v基本图形生成算法基本图形生成算法v二维图形变换及二维观察二维图形变换及二维观察v三维图形变换及三维观察三维图形变换及三维观察v曲线与曲面曲线与曲面v真实感图形绘制真实感图形绘制课程内容课程内容课程安排课程安排 总学时：总学时：3232学时学时 周学时：上课周学时：上课 4 4 （2-92-9周）周） 最后最后1 1周周 复习复习 考试考试 考试方式：笔试考试方式：笔试 考核成绩：笔试考核成绩：笔试+ +作业作业参考教材：参考教材：陆枫、何云峰编著. “计算机图形学基础”(第2
2、版)，电子工业出版社，2008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；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、硬件了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术；技术； 了解图形学的基本问题，掌握图形学的基本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
3、；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对与图形相关的应用及当前的研究热点有一个初步认识；个初步认识； 具有一定实践体会和相关的编程能力；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。对图形学的一些热门研究问题有一定了解。课课程程要要求求引引言言上大学的最终目的：是为将来独立从事工作打下上大学的最终目的：是为将来独立从事工作打下坚实的基础坚实的基础毕业后，同学们作什么？毕业后，同学们作什么？科学研究（继续深造）科学研究（继续深造）技术攻关（在科研部分、大公司）技术攻关（在科研部分、大公司）自主创业（自己创办公司）自主创业（自己创办公司）Team-L
4、eaderTeam-Leader埋头苦干埋头苦干享受生活享受生活 计算机专业本科生计算机专业本科生需需要培养那些能力？要培养那些能力？引引言言IEEE和和ACM的的“计算机学科教学计划计算机学科教学计划2001”：21世纪计算机学科：世纪计算机学科：n算法与分析（算法与分析（AL）n体系结构（体系结构（AR）n离散结构（离散结构（DS）n计算科学（计算科学（CN）n图形学、图形学、可视化、多可视化、多媒体（媒体（GR）n网格计算（网格计算（NC）n人机交互（人机交互（HC）n信息管理（信息管理（IM）n智能系统（智能系统（IS）n操作系统（操作系统（OS）n程序设计基础（程序设计基础（PF）n
5、程序设计语言（程序设计语言（PL）n软件工程软件工程(SE)第一章第一章 绪绪 论论1.1 1.1 图形学相关概念及学科特点图形学相关概念及学科特点1.2 1.2 图形学发展历史图形学发展历史1.3 1.3 计算机图形系统计算机图形系统1.4 1.4 图形系统应用与发展动态图形系统应用与发展动态1.1 1.1 图形学相关概念及学科特点图形学相关概念及学科特点计算机图形学（计算机图形学（Computer GraphicsComputer 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、存储和处理图形的原理、方法和技术的一门学
6、科。理图形的原理、方法和技术的一门学科。关于计算机图形学的不同定义关于计算机图形学的不同定义：IEEEIEEE定义：定义：Computer graphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.德国的德国的Wolfgang K GiloiWolfgang K Giloi定义定义: : 图形学由图形学由数据结构数据结构、图形算法图形算法和和语言语言构成。构成。美国的美国的James FoleyJames Foley定义定义: :计算机图形学是运用计算机产生、存储、处理物体的物理计算机图形学是运用计算机产生、
7、存储、处理物体的物理模型和它们的画面。模型和它们的画面。1.1.计算机图形学的概念计算机图形学的概念计算机图形学的研究对象计算机图形学的研究对象图形图形对图像、图片、绘图、照片、插图等的统称。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计算机图形一般包括两种类型: :位图图形位图图形和和矢量图形矢量图形。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、材质等非几何要素：刻画对象的颜色、材质等1.1 1.1 相关概念及学科特点相关概念及学科特点2. 2. 图形的概念图形的概念点阵表示点阵表示枚举出图形中
8、所有的点枚举出图形中所有的点( (强调图形由点构成强调图形由点构成) )简称为图像（数字图像）简称为图像（数字图像）参数表示参数表示由图形的形状参数由图形的形状参数( (方程或分析表达式的系数，线方程或分析表达式的系数，线段的端点坐标等段的端点坐标等)+)+属性参数属性参数( (颜色、线型等颜色、线型等) )来表来表示图形示图形简称为图形简称为图形1.1 1.1 相关概念及学科特点相关概念及学科特点3. 3. 图形的表示方法图形的表示方法综合性综合性图学理论、现代数学、计算机科学、形态学、图学理论、现代数学、计算机科学、形态学、分形混沌学、小波理论等等分形混沌学、小波理论等等学科交叉性学科交叉
9、性计算机图形学、计算机图形学、数字图象处理数字图象处理、计算几何计算几何、计计算机视觉及模式识别算机视觉及模式识别等。等。相关学科之间关系相关学科之间关系1.1 1.1 相关概念及学科特点相关概念及学科特点4.4.计算机图形学的学科特点计算机图形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。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：相关学科介绍：数字图象处理数字图象处理研究几何模型和数据处理的学科。研究几
10、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研究如何方便灵活、有效地建立几何形体的数学模型模型研究如何在计算机中更好地存贮和管理这些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数据相关学科介绍：相关学科介绍：计算几何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。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）。提取二维或三维的数据模型（特征）。手写体识别、
11、机器视觉手写体识别、机器视觉。相关学科介绍：相关学科介绍：计算机视觉及模式识别计算机视觉及模式识别相关学科关系相关学科关系数数字字图图像像数数据据模模型型计算机图形学计算机图形学（图像生成）（图像生成）（模型或特征提取）（模型或特征提取）计算机视觉、模式识别计算机视觉、模式识别计计算算几几何何（模模型型变变换换）（图图像像变变换换）图图像像处处理理几何形体的计算几何形体的计算机表示、有效地机表示、有效地建立几何形体的建立几何形体的数学模型数学模型对图像进行增强、对图像进行增强、复原、分割、重复原、分割、重建、存储、压缩、建、存储、压缩、编码编码从非图像形式的数据描从非图像形式的数据描述来生成（
12、逼真）图像述来生成（逼真）图像图形学的逆过程，分析和识别输图形学的逆过程，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）；手写体识的数据模型（特征）；手写体识别、机器视觉别、机器视觉1.2 1.2 图形学发展历史图形学发展历史1.1.酝酿期（酝酿期（5050年代）年代）1950年年 ， 美美 国国 MIT的的 旋旋 风风 1号号(WhirlwindI)计计算算机机配配备备了了阴阴极极射射线线管管(CRT)来显示一些简单的图形。来显示一些简单的图形。-CRT的的出出现现为为计计算算机机生生成成和和显显示示图形提供了可能图形提供了可能50年年代代末末期期，M
13、IT林林肯肯实实验验室室，在在Whirlwind上上开开发发SAGE空空中中防防御御系系统统，通通过过光光笔笔在在屏屏幕幕上上指指点点与与系系统统交交互。互。-标志着交互式图形技术的诞生标志着交互式图形技术的诞生1.2 1.2 图形学发展历史图形学发展历史2.2.萌芽期（萌芽期（6060年代）年代）v1962年年MIT林林肯肯室室验验室室Ivan.E.Sutherland的的博博士士论论文文Sketchpad：一一个个人人机机通通信信的的图图形形系系统统中首次使用术语中首次使用术语“ComputerGraphic”。-确立了计算机图形学的的学科地位确立了计算机图形学的的学科地位v硬设备的发展硬
14、设备的发展60年年代代中中期期随随机机扫扫描描的的显显示示器器，需需要要刷刷新新,设备昂贵，限制普及。设备昂贵，限制普及。60年年代代后后期期存存储储管管式式显显示示器器，不不需需刷刷新新,价价格格较较低低;但但不不具具有有动动态态显显示示图图形形功功能能，不不适适合交互。合交互。1.2 1.2 图形学发展历史图形学发展历史3.3.发展期（发展期（7070年代）年代）v7070年年代代，美美国国洛洛克克德德飞飞机机公公司司用用于于飞飞机机设设计计的的交交互互式图形处理系统式图形处理系统 （CAD/AM）应用计算机显示技术和交互技术的时期到来应用计算机显示技术和交互技术的时期到来。v硬设备的发展
15、硬设备的发展基基于于电电视视技技术术的的光光栅栅扫扫描描显显示示器器出出现现极极大大地地推推动动了了计算机图形学的发展。计算机图形学的发展。以以点点阵阵形形式式表表示示图图形形，使使用用专专用用的的缓缓冲冲区区存存放放点点阵阵，由视频控制器负责刷新扫描由视频控制器负责刷新扫描v软件的发展软件的发展众众多多商商品品化化图图形形软软件件出出现现，CAD成成为为工工业业设设计计部部门门不可缺少的工具和技术不可缺少的工具和技术1.2 1.2 图形学发展历史图形学发展历史4.4.普及期（普及期（8080年代）年代）v80年代，出现了带有光栅图形显示器的年代，出现了带有光栅图形显示器的个人计算机和工作站个
16、人计算机和工作站极大地促进了计算机图形学的发展。极大地促进了计算机图形学的发展。v软件发展软件发展图形软件和支持图形应用的操作系统全图形软件和支持图形应用的操作系统全面出现，如面出现，如Windows、AutoCAD、CorelDRAW、3DStudio等等1.2 1.2 图形学发展历史图形学发展历史5.5.提高增强期（提高增强期（9090年代）年代）v9090年代，多媒体技术、人工智能及专家系统年代，多媒体技术、人工智能及专家系统技术的结合技术的结合v科学计算的可视化、虚拟现实科学计算的可视化、虚拟现实 环境的应用环境的应用提出了许多更多更新的要求，使得三维乃至高提出了许多更多更新的要求，使
17、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维计算机图形学在真实性和实时性方面有飞速发展。发展。技术上：朝着标准化、集成化和智能化的方向技术上：朝着标准化、集成化和智能化的方向发展发展v图形软件发展及软件标准的形成发展历程图形软件发展及软件标准的形成发展历程通用的、与设备无关的图形包，图形软件标准通用的、与设备无关的图形包，图形软件标准GKS(GraphicsKernelSystem)(第一个官方标准，第一个官方标准，1977)PHIGS(ProgrammersHierarchicalInteractiveGraphicsSystem)非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标非
18、官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准准DirectX(MS)Xlib(X-Window系统系统)OpenGL(SGI)Postscript(Adobe公司公司)计算机图形学的研究内容非常广泛，如图形硬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的课程
19、，本课程着重门面向计算机专业硕士生的课程，本课程着重讨论与光栅图形生成、曲线曲面造型和真实感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、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。虚拟现实等技术。1.3 1.3 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形学的基本任务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具体包括以下几个方面：v如何用适当的硬件来实现图形处理功能如何用适当的硬件来实现图形处理功能v如何设计好的图形软件如何设计好的图形软件v图形处理所需的数学处理方法和算法图形
20、处理所需的数学处理方法和算法v如何解决实际应用中的图形处理问题如何解决实际应用中的图形处理问题1.3 1.3 计算机图形系统计算机图形系统1.1.计算机图形系统的构成计算机图形系统的构成计计算算机机图图形形系系统统计算机硬件计算机硬件图形输入输出设备计算机系统软件图形软件2.2.计算机图形系统的硬件组成计算机图形系统的硬件组成图形显示终端图形显示终端图形图形输入板输入板计算机计算机绘图仪绘图仪磁带机磁带机硬盘硬盘鼠标器鼠标器1.3 1.3 计算机图形系统计算机图形系统1.3 1.3 计算机图形系统计算机图形系统3.3.计算机图形系统的功能计算机图形系统的功能计算计算输入输入交互交互存储存储存储
21、存储输出输出输出输出图形输出设备图形输出设备图形输入设备图形输入设备显示器显示器1.3 1.3 计算机图形系统计算机图形系统3.3.计算机图形系统的功能计算机图形系统的功能计算计算输入输入交互交互存储存储存储存储输出输出输出输出图形输出设备图形输出设备图形输入设备图形输入设备显示器显示器计算：计算：涉及各涉及各种图形计算，其种图形计算，其目的是建立形体目的是建立形体设计、分析的方设计、分析的方法程序库和有关法程序库和有关描述形体的图形描述形体的图形数据库。数据库。例如：例如：l坐标的几何变坐标的几何变换换l曲线、曲面的曲线、曲面的生成生成l图形交点的计图形交点的计算算1.3 1.3 计算机图形
22、系统计算机图形系统3.3.计算机图形系统的功能计算机图形系统的功能计算计算输入输入交互交互存储存储存储存储输出输出输出输出图形输出设备图形输出设备图形输入设备图形输入设备显示器显示器存储：n在计算机的内存、外存中要能存放图形数据。n主要是存放图形数据之间的相互关系。1.3 1.3 计算机图形系统计算机图形系统3.3.计算机图形系统的功能计算机图形系统的功能计算计算输入输入交互交互存储存储存储存储输出输出输出输出图形输出设备图形输出设备图形输入设备图形输入设备显示器显示器交互：交互：允许用户允许用户实时地、直观地实时地、直观地对系统的命令、对系统的命令、工具、程序及其工具、程序及其对话框等内容进
23、对话框等内容进行调节和控制。行调节和控制。l操作者通过显操作者通过显示屏幕观察设计示屏幕观察设计的结果和图形并的结果和图形并加以修改。加以修改。l系统给出必要系统给出必要的错误提示和跟的错误提示和跟踪。踪。1.3 1.3 计算机图形系统计算机图形系统3.3.计算机图形系统的功能计算机图形系统的功能计算计算输入输入交互交互存储存储存储存储输出输出输出输出图形输出设备图形输出设备图形输入设备图形输入设备显示器显示器输入：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 1.3 计算机图形系统计算机图形系统3.3.计算机图形系统的功能计算机图
24、形系统的功能计算计算输入输入交互交互存储存储存储存储输出输出输出输出图形输出设备图形输出设备图形输入设备图形输入设备显示器显示器输出：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。3.3.计算机图形系统结构计算机图形系统结构图图形形系系统统图形软件图形软件图形硬件图形硬件图形应用数据结构图形应用数据结构图形应用软件图形应用软件图形支撑软件图形支撑软件图形计算机平台图形计算机平台图形设备图形设备图案模型图案模型几何描述数据几何描述数据图形工具软件图形工具软件图形处理软件图形处理软件图形生成软件图形生成软件图形用户接口图形用户接口图形辅助控制图形辅助控制OS图形扩展图形扩展图形图形
25、BIOS程序程序语言图形语句语言图形语句图形子程序库图形子程序库图形软件包图形软件包微机微机工作站工作站计算机网络计算机网络中小型计算机中小型计算机图形显示设备图形显示设备图形输出设备图形输出设备图形输入设备图形输入设备图形数据文件图形数据文件图形基元模型图形基元模型字模字体库字模字体库形状和大小几何信息形状和大小几何信息与图形有关拓扑信息（位置与布局）与图形有关拓扑信息（位置与布局）属性信息（颜色、亮度、纹理）属性信息（颜色、亮度、纹理）非几何信息（标记、标题说明）非几何信息（标记、标题说明）从从“上一层上一层”取取得物体的几何模得物体的几何模型和属性，进行型和属性，进行各种处理（剪裁、各种
26、处理（剪裁、变换、填充）；变换、填充）；“下一层下一层”接口接口公用图形子程序，公用图形子程序，扩展高级语言和扩展高级语言和操作系统的图形操作系统的图形处理的功能处理的功能1.4 1.4 计算机图形学应用及研究动态计算机图形学应用及研究动态计算机动画计算机动画地理信息系统（地理信息系统（GIS）人机交互（人机交互（HCI）真实感图形显示真实感图形显示虚拟现实（虚拟现实（VR）科学计算可视化科学计算可视化并行图形处理并行图形处理图形学的艺术魅力图形学的艺术魅力黑黑客客帝帝国国广广告告黑黑客客帝帝国国电电影影图形学的艺术魅力图形学的艺术魅力图形学的艺术魅力图形学的艺术魅力动画动画游戏游戏图形学的艺术魅力图形学的艺术魅力图形学的艺术魅力图形学的艺术魅力1.4 1.4 计算机图形学应用及研究动态计算机图形学应用及研究动态进入应用实例进入应用实例
