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1、计算机图形学计算机图形学武汉纺织大学数学与计算机学院武汉纺织大学数学与计算机学院授课教师：陈永强授课教师：陈永强 教授教授 博士博士1教学目标教学目标o着重介绍计算机图形学的基本内容，逐渐掌握着重介绍计算机图形学的基本内容，逐渐掌握和熟悉该学科涉及的基本概念和思维方式和熟悉该学科涉及的基本概念和思维方式o尽量给出计算机图形学最新发展所需要的基础尽量给出计算机图形学最新发展所需要的基础知识知识 o坚持理论与实践相结合，尽可能多地采用现有坚持理论与实践相结合，尽可能多地采用现有的成熟知识，提高学生的实践动手能力的成熟知识，提高学生的实践动手能力23课程特点课程特点o课程内容偏重于理论，部分算法较抽
2、象且不易课程内容偏重于理论，部分算法较抽象且不易理解理解 o课程内容涉及面广课程内容涉及面广 o基础算法或理论是几十年来固定不变的经典基础算法或理论是几十年来固定不变的经典o理论的作用隐藏于日常的计算机使用中，虽然理论的作用隐藏于日常的计算机使用中，虽然无处不在，但体现为用户透明的状态无处不在，但体现为用户透明的状态o新算法与理论能快速地转换为商业应用新算法与理论能快速地转换为商业应用两个图形学商业应用的代表人物两个图形学商业应用的代表人物o史蒂夫史蒂夫保罗保罗乔布斯（乔布斯（ 1955.2.242011.10.5，美国苹果公司联合创办人）美国苹果公司联合创办人） 被认为是计算机业界与娱乐业界
3、的标志性人物，经历了苹被认为是计算机业界与娱乐业界的标志性人物，经历了苹果公司几十年的起落与兴衰，先后领导和推出了麦金塔果公司几十年的起落与兴衰，先后领导和推出了麦金塔计算机（计算机（Macintosh）、）、iMac、iPod、iPhone、iPad等风靡全球的电子产品，深刻地改变了现代通讯、等风靡全球的电子产品，深刻地改变了现代通讯、娱乐、生活方式。乔布斯同时也是前娱乐、生活方式。乔布斯同时也是前Pixar动画公司的动画公司的董事长及行政总裁。董事长及行政总裁。 o詹姆斯詹姆斯卡梅隆（卡梅隆（1954-，加拿大电影导演），加拿大电影导演）擅长拍摄动作及科幻电影，执导了电影票房史上最卖座的擅
4、长拍摄动作及科幻电影，执导了电影票房史上最卖座的两部电影，两部电影，“世界最伟大的世界最伟大的20位导演之一位导演之一”。两个里程碑式的电影代表两个里程碑式的电影代表o1997年年泰坦尼克号泰坦尼克号 （詹姆斯（詹姆斯卡梅隆执导）卡梅隆执导）拍摄成本高达拍摄成本高达2亿美元，并广泛采用了计算机特技，是当亿美元，并广泛采用了计算机特技，是当时成本最昂贵的电影，但全球票房超过时成本最昂贵的电影，但全球票房超过18亿美元，是亿美元，是1997年至年至2010年间票房最高的电影，并获得第年间票房最高的电影，并获得第70届届奥斯卡金像奖最佳影片、最佳导演奖等奥斯卡金像奖最佳影片、最佳导演奖等11项大奖。
5、项大奖。泰坦尼克号泰坦尼克号在在2012年年4月月4日以日以3D版形式重新发布，版形式重新发布，纪念泰坦尼克号沉船事件纪念泰坦尼克号沉船事件100周年。周年。详细见百度文库详细见百度文库 o2009年年阿凡达阿凡达（詹姆斯（詹姆斯卡梅隆执导）卡梅隆执导）投资投资5亿美元，亿美元，27亿美元票房，成功主要应归功于其震撼的视觉效果亿美元票房，成功主要应归功于其震撼的视觉效果和完美的观影体验。炫目的外太空景色、美轮美奂的植物、凶猛和完美的观影体验。炫目的外太空景色、美轮美奂的植物、凶猛的野兽、悬浮在空中的山以及高空俯冲的快感等，通过的野兽、悬浮在空中的山以及高空俯冲的快感等，通过IMAX和和3D技术
6、完美的展现在了观众的面前。技术完美的展现在了观众的面前。 60%的画面是由计算机图形学的相关技术来完成的，包括：场景渲染的画面是由计算机图形学的相关技术来完成的，包括：场景渲染技术、动作和表情捕捉技术以及基于虚拟现实的拍摄技术。技术、动作和表情捕捉技术以及基于虚拟现实的拍摄技术。详细见网页中科院计算所详细见网页中科院计算所 百度文库百度文库教材教材o课本课本计算机图形学基础（第计算机图形学基础（第2版）版）陆枫，何云峰编著陆枫，何云峰编著电子工业出版社，电子工业出版社，2011课程学时安排课程学时安排o总学时：总学时：48 周四周四3-5节节o理论学时：理论学时：32 1-10周周o实验学时：
7、实验学时：16 11-16周周9理论课内容理论课内容o绪论绪论o计算机图形设备计算机图形设备o交互式技术交互式技术o几何造型技术几何造型技术o基本图形生成算法基本图形生成算法* *o二维图形变换及二维观察二维图形变换及二维观察* *o三维图形变换及三维观察三维图形变换及三维观察* *oOpenGLOpenGL图形编程图形编程10实验课内容实验课内容o实验实验1：直线与圆的生成算法：直线与圆的生成算法o实验实验2：直线的：直线的2D变换变换o实验实验3：三角形的绘制与：三角形的绘制与2D变换变换o实验实验4：长方体的绘制：长方体的绘制o实验实验5：球的绘制：球的绘制o实验实验6：球和长方体的颜色
8、设置：球和长方体的颜色设置主要参考书目主要参考书目oDonald Hearn,M.Pauline Baker著著, 蔡士杰等译，计算蔡士杰等译，计算机图形学（第三版），电子工业出版社，机图形学（第三版），电子工业出版社，2005。o孙家广，计算机图形学基础教程（第孙家广，计算机图形学基础教程（第2版），清华大学版），清华大学出版社，出版社，2009。o向世明，向世明，OpenGL编程与实例，电子工业出版社，编程与实例，电子工业出版社，1999 。 oDave Shreiner等著，等著，OpenGL编程指南（原书第编程指南（原书第7版），版），机械工业出版社，机械工业出版社，2010。1112
9、主要参考网站主要参考网站o武汉纺织大学计算机图形学精品课程武汉纺织大学计算机图形学精品课程o华中科技大学华中科技大学o上海上海交通大学交通大学 o哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 相关课件资料相关课件资料o百度文库百度文库计算机图形学计算机图形学1-10(陈永强陈永强).PPTo 用户名：用户名：chenyongqiang密码：密码：chenyongqiang学习要求学习要求o课前请做好预习，课后请做好复习课前请做好预习，课后请做好复习o保持课堂安静，头脑清醒，思维活跃保持课堂安静，头脑清醒，思维活跃o重视上机实践，有效利用宝贵的上机时间重视上机实践，有效利用宝贵的上机时间o成绩构成成绩构成n平时
10、考勤：平时考勤：10% n实验报告：实验报告：30% n闭（开）卷考试：闭（开）卷考试：60%1415第一章第一章 绪论绪论o计算机图形学的概念计算机图形学的概念o计算机图形学研究的对象计算机图形学研究的对象o计算机图形学的应用计算机图形学的应用o计算机图形学的计算机图形学的研究动态研究动态1.1 计算机图形学的概念计算机图形学的概念o计算机图形学计算机图形学（CG，ComputerGraphics）是研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图是研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。形的原理、方法和技术的一门学科。oComputergraphicsisthearto
11、rscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.16o能能够够在在人人的的视视觉觉系系统统中中形形成成视视觉觉印印象象的的客客观观对对象象都称为图形。都称为图形。计算机图形学研究的对象计算机图形学研究的对象通常的图形通常的图形几何图形、图片图像、图形实体几何图形、图片图像、图形实体方程、函数方程、函数17o图形的要素：图形的要素： 几何要素和非几何要素。几何要素和非几何要素。o计算机图形学中所研究的计算机图形学中所研究的图形图形 从从客客观观世世界界物物体体中中抽抽象象出出来来的的带带有有颜颜色色及形状信息的图和形。及形状信息的图和
12、形。计算机图形学研究的对象计算机图形学研究的对象18o点点阵阵法法是是用用具具有有颜颜色色信信息息的的点点阵阵来来表表示示图图形形的的一一种种方方法法，它它强强调调图图形形由由哪哪些些点点组组成成，并并具具有有什什么么灰度或色彩。灰度或色彩。 o参参数数法法是是以以计计算算机机中中所所记记录录图图形形的的形形状状参参数数与与属属性参数来表示图形的一种方法。性参数来表示图形的一种方法。o通常把参数法描述的图形叫做通常把参数法描述的图形叫做图形图形（Graphics）o把点把点阵法描述的法描述的图形叫做形叫做图象（象（Image）图形的表示图形的表示19o计算算机机图形形学学（CG）试图从从非非图
13、象象形形式式的的数数据据描述来生成（逼真的）描述来生成（逼真的）图象。象。o数数字字图象象处理理(Digital Image Processing)旨旨在在对图象象进行各种加工以改善行各种加工以改善图象的象的视觉效果。效果。o计算算机机视觉(Computer Vision)是是研研究究用用计算算机机来模来模拟生物外生物外显或宏或宏观视觉功能的科学和技功能的科学和技术。与计算机图形学相关的学科与计算机图形学相关的学科20特征数据、结构数据特征数据、结构数据图像信号图像信号计算机图计算机图形学形学计算机视觉计算机视觉数字图像处理数字图像处理图图1.1 图形图像处理各学科间的关系图形图像处理各学科间
14、的关系o计算机图形学的确立计算机图形学的确立o图形硬件的发展图形硬件的发展o图形软件的发展图形软件的发展1.2 计算机图形学的发展计算机图形学的发展22o酝酿期（酝酿期（50年代）年代） 1950年年，美美国国麻麻省省理理工工学学院院（MIT）的的旋旋风1号号(WhirlwindI)计算算机机配配备了了阴阴极极射射线管管(CRT)来来显示一些示一些简单的的图形。形。计算机图形学的确立计算机图形学的确立23计算机图形学的确立计算机图形学的确立o萌芽期（萌芽期（60年年代）代） 1962年，年，美国美国MIT林肯林肯实验室的室的Ivan.E.Sutherland发表了一篇表了一篇题为“Sketch
15、pad：一个一个人人机通信的机通信的图形系形系统”的博士的博士论文，其中首文，其中首次使用了次使用了“ComputerGraphics”。24计算机图形学的确立计算机图形学的确立o发展期（发展期（70年代）年代）n计算机图形处理技术进入实用化阶段；计算机图形处理技术进入实用化阶段；n区区域域填填充充、裁裁剪剪、消消隐隐等等基基本本图图形形概概念念及及算法；算法；n真实感图形学和实体造型技术；真实感图形学和实体造型技术；25计算机图形学的确立计算机图形学的确立o普及期（普及期（80年代）年代）n出出现现了了带带有有光光栅栅图图形形显显示示器器的的个个人人计计算算机机和和工作站。工作站。n光光线线
16、跟跟踪踪算算法法和和辐辐射射度度算算法法的的提提出出，标标志志着着计算机真实感图形学的算法已经日渐成熟。计算机真实感图形学的算法已经日渐成熟。o提高增强期（提高增强期（90年代）年代） 标准化、集成化、智能化方向发展。标准化、集成化、智能化方向发展。26o图形显示设备图形显示设备n6060年代中期，随机扫描的显示器；年代中期，随机扫描的显示器；n6060年代后期，存储管式显示器；年代后期，存储管式显示器；n7070年代中期，光栅扫描的图形显示器。年代中期，光栅扫描的图形显示器。 目前正向着小型化、低电压、数字化方向发展。目前正向着小型化、低电压、数字化方向发展。图形硬件的发展图形硬件的发展27
17、o图形硬拷贝设备图形硬拷贝设备 打印机打印机 绘图仪绘图仪o图形输入设备图形输入设备 二维图形输入设备二维图形输入设备 三维图形输入设备三维图形输入设备o图形软件的发展图形软件的发展 开开放放式式、高高效效率率、标标准准化化、集集成成化化、智智能能化、学科交叉。化、学科交叉。o图形软件标准图形软件标准 与设备无关、与应用无关、具有较高性能。与设备无关、与应用无关、具有较高性能。图形软件的发展及软件标准的形成图形软件的发展及软件标准的形成29o近近二二十十年年中中，国国际标准准化化组织ISO已已经批批准准和和正正在在讨论的与的与计算机算机图形有关的形有关的标准有：准有：GKS、 GKS-3D、
18、PHIGS、 CGM、 CGI、IGES、STEP。o事事实标准准SGI的的OpenGL，微微软的的DirectX，Adobe的的Postscript等。等。图形软件的发展及软件标准的形成图形软件的发展及软件标准的形成1.3 计算机图形学的应用计算机图形学的应用p计算机辅助设计与制造计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）nCAD通通过交互式的交互式的图形形设备对部件部件进行行设计和描述，和描述，产生工程略生工程略图（线框框图）或者更接）或者更接近近实际物体的透物体的透视图等，通等，通过迅速地将各种迅速地将各种修改信息修改信息进行行组合，用合，用户可以自由、灵活地可以自由、灵活地对图形形进行行实
19、验性改性改动和形体和形体显示。示。nCAM技技术在各种工在各种工业制造制造业中得到广泛的中得到广泛的应用。用。31计算机图形学的应用计算机图形学的应用p计算机辅助绘图计算机辅助绘图n图形、图表和模型图等的绘制；图形、图表和模型图等的绘制；n商务事务领域分析财政、数学和经济等方面商务事务领域分析财政、数学和经济等方面数据。数据。32计算机图形学的应用计算机图形学的应用p计算机辅助教学计算机辅助教学 计算机图形显示与处理技术已广泛地应计算机图形显示与处理技术已广泛地应用于计算机辅助教学系统中，它可以使教学用于计算机辅助教学系统中，它可以使教学过程，特别是基础学科的教学过程形象、直过程，特别是基础学
20、科的教学过程形象、直观和生动。观和生动。33计算机图形学的应用计算机图形学的应用p办公自动化和电子出版技术办公自动化和电子出版技术n图形显示技术在办公自动化和事务处理中的图形显示技术在办公自动化和事务处理中的应用，有助于数据及其相互关系的有效表达，应用，有助于数据及其相互关系的有效表达，因而有利于人们进行正确的决策；因而有利于人们进行正确的决策；n图文并茂的电子排版系统代替了传统的铅字图文并茂的电子排版系统代替了传统的铅字排版，这是印刷史上的一次革命。排版，这是印刷史上的一次革命。34计算机图形学的应用计算机图形学的应用p计算机艺术计算机艺术 计算机图形技术已广泛应用于各种图案、计算机图形技术
21、已广泛应用于各种图案、花纹、工艺外形及传统的油画、中国国画和书花纹、工艺外形及传统的油画、中国国画和书法等艺术品的制作，为创作艺术和商品艺术提法等艺术品的制作，为创作艺术和商品艺术提供了更为广阔的空间。供了更为广阔的空间。35计算机图形学的应用计算机图形学的应用p工业控制及交通工业控制及交通n在过程控制中，用户利用计算机图形处理和在过程控制中，用户利用计算机图形处理和显示技术实现与其控制或管理对象间的相互显示技术实现与其控制或管理对象间的相互作用；作用；n用于石油化工、金属冶炼过程中的监视和控用于石油化工、金属冶炼过程中的监视和控制；制；n铁路系统和公路系统的管制与监视。铁路系统和公路系统的管
22、制与监视。36计算机图形学的应用计算机图形学的应用p医疗卫生医疗卫生n显示病历，显示各种药物的剂量、性能；显示病历，显示各种药物的剂量、性能；n对某种病的治愈率作统计分析；对某种病的治愈率作统计分析；n医学图像处理技术；医学图像处理技术；n计算机辅助手术计算机辅助手术（Computer-AidedSurgery）。37计算机图形学的应用计算机图形学的应用p图形用户界面图形用户界面（GUI,GraphicalUserInterface） 典型的图形用户界面包含一个窗口管理程典型的图形用户界面包含一个窗口管理程序、菜单显示和图符等。序、菜单显示和图符等。381.4计算机图形学的研究动态计算机图形学
23、的研究动态p计算机动画：计算机动画是指用程序生成一系计算机动画：计算机动画是指用程序生成一系列的景物画面，其中当前帧画面是对前一帧画列的景物画面，其中当前帧画面是对前一帧画面的部分修改。面的部分修改。39p刚体动画刚体动画p变形动画变形动画p基于物理的动画（运动动画）基于物理的动画（运动动画）p粒子动画粒子动画p关节动画关节动画p行为动画行为动画计算机动画的分类计算机动画的分类40计算机图形学的研究动态计算机图形学的研究动态p地理信息系统地理信息系统 地理信息系统地理信息系统（GIS，GeographicInformationSystem）是一种用于采集、模拟、是一种用于采集、模拟、处理、检索
24、、分析和表达地理空间数据的计算处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统，是社会经济与环境保护协同持续机信息系统，是社会经济与环境保护协同持续发展中，信息集成和分析的先进工具。发展中，信息集成和分析的先进工具。41计算机图形学的研究动态计算机图形学的研究动态p人机交互人机交互 人机交互学人机交互学（Human-ComputerInterface）是一）是一门关于设计、评估和执行交互门关于设计、评估和执行交互式计算机系统以及研究由此而发生的相关现象式计算机系统以及研究由此而发生的相关现象的学科。它是伴随着计算机的出现而出现，伴的学科。它是伴随着计算机的出现而出现，伴随着计算机技术发展而发
25、展的。随着计算机技术发展而发展的。42计算机图形学的研究动态计算机图形学的研究动态p真实感图形显示真实感图形显示真实感图形的生成：真实感图形的生成： 场景造型场景造型 取景变换取景变换 视域裁剪视域裁剪 消除隐藏面消除隐藏面 可见面光亮度计算可见面光亮度计算 43计算机图形学的研究动态计算机图形学的研究动态p虚拟现实虚拟现实（Virtualreality） 由计算机生成的一个实时三维空间。用户由计算机生成的一个实时三维空间。用户在其间可以在其间可以“自由自由”地运动，随意观察周围的地运动，随意观察周围的景物，并可以通过一些特殊的设备与虚拟物体景物，并可以通过一些特殊的设备与虚拟物体进行交互操作
26、，使用户产生一种身临其境的感进行交互操作，使用户产生一种身临其境的感觉。觉。44p沉浸沉浸（Immersion）：全方位投入，使用）：全方位投入，使用户产生身生身临其景的感其景的感觉。p交互（交互（Interaction）：响）：响应用用户的各种的各种输入手入手势、语言命令以及身体言命令以及身体动作。作。p构想（构想（Imagination）：生）：生动形象地反映形象地反映设计者者的思想。的思想。虚拟现实技术虚拟现实技术45p能以实时的速度生成有逼真感的景物图形。能以实时的速度生成有逼真感的景物图形。p能高精度的跟踪用户的头和手。能高精度的跟踪用户的头和手。p头戴显示器能产生高分辨率图象和较大
27、的视角。头戴显示器能产生高分辨率图象和较大的视角。p能对用户的动作产生力反馈能对用户的动作产生力反馈。p实例实例（VRML，虚拟现实建模语言），虚拟现实建模语言）虚拟现实的关键技术虚拟现实的关键技术46p科学计算可视化科学计算可视化 运用计算机图形学和图像处理技术，将科运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中及计算结果的数据转换为图形及学计算过程中及计算结果的数据转换为图形及图像在屏幕上显示出来并进行交互处理的理论、图像在屏幕上显示出来并进行交互处理的理论、方法和技术。方法和技术。计算机图形学的研究动态计算机图形学的研究动态47p并行图形处理并行图形处理n多计算机的并行图形处理多计算机的并行图形处理n多图形显示子系统（显卡）实现并行计算多图形显示子系统（显卡）实现并行计算n多多GPU/VPU的并行处理的并行处理计算机图形学的研究动态计算机图形学的研究动态48
