計算機圖形學第一章

1、1計算機圖形學計算機圖形學Computer GraphicsComputer Graphics 2014 East China Jiaotong University, School of Software.華東交通大學軟件學院華東交通大學軟件學院 主講：黃曉生主講：黃曉生 Phonemail:課程內容 計算機圖形學綜述及其應用 計算機圖形系統(tǒng) 計算機基本圖形生成算法 幾何造型技術 圖形幾何變換 真實感圖形顯示教材與參考資料教材：（美）教材：（美）Donald Hearn M.Pauline Bake著著 蔡士杰等譯，計算蔡士杰等譯，計算機圖形學（第三版），電子工業(yè)出

2、版社機圖形學（第三版），電子工業(yè)出版社 2010.7參考： Dave Shreiner,Mason Woo等著，徐波等澤，OpenGL 編程指南，機械工業(yè)出版社，2006（美）Steve Cunningham著 石教英潘志庚譯，計算機圖形學：面向視覺交流的OpenGL編程技術，機械工業(yè)出版社 2008Samuel R.Buss著，唐龍等譯，3D計算機圖形學（OpenGL版），清華大學出版社，2006孫家廣，計算機圖形學（第三版），清華大學出版社，1999計算機輔助設計與圖形學學報中國圖形圖像學報SIGGRAPH (Special Interest Group on Computer Graph

3、ics (美國計算機協會)計算機繪圖專業(yè)組)1.1 計算機圖形學定義1.2 發(fā)展歷史1.3 應用1.4 當前研究動態(tài)一、什么是計算機圖形學一、什么是計算機圖形學何謂圖形構成圖形的要素何謂計算機圖形圖形的兩大類計算機圖形學的概念 何謂圖形能在人的視覺系統(tǒng)中產生視覺印象的客觀對象包括：人類眼睛所看到的自然景物用攝像機、錄像機等裝置拍攝到的照片或圖片用繪圖儀或繪圖工具繪制的工程圖、設計圖、方框圖各類人工美術繪圖、雕朔品用數學方法描述的圖形 構成圖形的要素幾何要素：刻畫對象的輪廓、形狀等 包括：點、線、面非幾何要素：刻畫對象的顏色、材質等 包括：明暗、灰度、色彩等 什么是計算機圖形 是從客觀世界的物體

4、中抽象出來的帶有灰度或色彩形狀的圖或形。 圖形的兩大類第一種分類方法：點陣表示（明暗圖）：具有面模型、色彩、濃淡和明暗層次效應的有真實感的圖形。 枚舉出圖形中所有的點(強調圖形由點構成)簡稱為圖像（數字圖像）參數表示（線劃圖）：用線段來表示圖形。容易反映客觀實體。 由圖形的形狀參數(方程或分析表達式的系數，線段的端點坐標等)+屬性參數(顏色、線型等)來表示圖形簡稱為圖形第二種分類方法2D圖形 3D圖形 計算機圖形學的概念 Computer Graphics (CG) 計算機圖形學是研究通過計算機將數據轉換為圖形，并在專門顯示設備上顯示的原理、方法和技術的學科。它是建立在傳統(tǒng)的圖學理論、應用數學

5、和計算機科學基礎上的一門邊緣學科。 IEEE(美國電氣與電子工程（IEEE）)定義：Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer. 數字圖像處理 模式識別 計算幾何 計算機圖形學：討論怎樣將數據和幾何模型變成圖像。 數字圖像處理：圖像也可稱為圖形。研究將一種圖像變成另一種圖像。包括圖像的恢復、平滑、增強。 模式識別：從圖像上提取數據和模型。 計算幾何：討論幾何形體的計算機表示和分析、綜合。研究怎樣方便靈活地建立幾何形體的數學模型，提高算法效率。在計算機

6、內怎樣更好地存貯和管理這些模型數據。 數字圖像數據模型圖像生成（計算機圖形學）模型（特征）提?。ㄓ嬎銠C視覺，模式識別）模型變換（計算幾何）圖像變換（圖像處理）發(fā)展特點: 交叉、界線模糊、相互滲透計算機圖形學的研究內容計算機圖形學的研究內容 幾何形體構造技術：例如各種不同類型幾何模型（二維、三維、分數維）的構造方法及性能分析、曲線與曲面的表示與處理，專用或通用模型構造系統(tǒng)的研究。 圖形生成技術：例如線段、圓弧、字符、區(qū)域填充的生成算法以及隱藏線/面消除、光照模型、濃淡處理、紋理、陰影、灰度與色彩等各種逼真圖形表示技術。 圖形的操作與處理方法：例如圖形的開窗裁剪、平移、旋轉、放大、縮小、投影等各種

7、幾何變換操作的方法及軟件或硬件實現技術。 計算機圖形學的研究內容計算機圖形學的研究內容 圖形信息的存儲、檢索與交換技術：例如圖形信息的各種表示方法、組織形式、存取技術、圖形數據庫的管理、圖形信息通信等。 人機交互及用戶接口技術：新型定位設備、選擇設備的研究，各種交互技術如構造技術、命令技術、選擇技術、響應技術等的研究，以及用戶模型、命令語言、反饋方法、窗口系統(tǒng)等用戶接口技術的研究。 動畫技術：研究實現高速動畫的各種軟硬件方法、開發(fā)工具、動畫語言。 圖形輸出設備與輸出技術。 圖形標準與圖形軟件包的技術開發(fā)。 醞釀期（50年代）1950年，美國MIT（麻省理工學院）的旋風1號(Whirlwind

8、I)計算機配備了陰極射線管(CRT)來顯示一些簡單的圖形1958年，美國Calcomp公司由聯機的數字記錄儀發(fā)展成滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數控機床發(fā)展成為平板式繪圖儀50年代末期，MIT的林肯實驗室在“旋風”計算機上開發(fā)SAGE空中防御體系 萌芽期（60年代） 1962年，美國MIT（麻省理工學院）林肯實驗室的Ivan.E.Sutherland發(fā)表了一篇題為Sketchpad：一個人機通信的圖形系統(tǒng)的博士論文，其中首次使用了“Computer Graphics” 1962年，雷諾汽車公司的工程師Pierre Bzier 提出Bzier曲線、曲面的理論 1964年MIT的教授Steven

9、 A. Coons提出了超限插值的新思想，通過插值四條任意的邊界曲線來構造曲面。 發(fā)展期（70年代） 光柵圖形學迅速發(fā)展 區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應算法紛紛誕生 圖形軟件標準化 1974年，ACM SIGGRAPH舉辦了與“與機器無關的圖形技術”的工作會議。 ACM（美國計算機協會 - Association for Computing Machinery）成立圖形標準化委員會，制定“核心圖形系統(tǒng)”（Core Graphics System） ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS、GL圖形軟件標準真實感圖形學1970年，Bouknight提出了第一個光反射模型1971

10、年Gourand提出“漫反射模型插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理1975年，Phong提出了著名的簡單光照模型-Phong模型實體造型技術英國劍橋大學CAD小組的Build系統(tǒng)美國羅徹斯特大學的PADL-1系統(tǒng) 普及期（80年代） 出現了帶有光柵圖形顯示器的個人計算機和工作站1980年Whitted提出了一個光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例，實現Whitted模型1984年，美國Cornell大學和日本廣島大學的學者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計算機圖形學中,成功模擬了理想漫反射表面間的多重漫反射效果 圖形硬件和各個分支均在這個時期飛速發(fā)展 提高

11、增強期（90年代）微機和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學的應用領域日益廣泛。標準化、集成化、智能化多媒體技術、人工智能、科學計算可視化、虛擬現實三維造型技術 持續(xù)發(fā)展期（21世紀）滲透到各個行業(yè)的各個方面促進計算機硬件的進一步發(fā)展總體特征：技術發(fā)展、需求驅動總體特征：技術發(fā)展、需求驅動 圖形用戶界面 CAD/CAM 可視化 地理信息系統(tǒng) 過程控制及系統(tǒng)環(huán)境模擬 計算機藝術 電子印刷及辦公自動化 作戰(zhàn)指揮和軍事訓練 工業(yè)模擬（仿真） 計 算 機 輔 助 教 學（CAI） 醫(yī)學 服裝、輕紡業(yè) 農業(yè)、林業(yè) 公安 介于人與計算機之間，人與機器的通信，人機界面（HCI）：軟件硬件 發(fā)展：由指示燈和機械開關組成的

12、操縱界面由終端和鍵盤組成的字符界面（80年代）由多種輸入設備和光柵圖形顯示設備構成的圖形用戶界面（GUI），（90年代）PC，工作站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointing devices)界面，所見即所得VR技術（發(fā)展方向） Graphical user interface icons, frames, labels, fields, text-area, buttons, pop-up manuals,. 圖形學的主要應用領域之一。 建筑、機械結構和產品設計（結構分析和外形設計）、布局（各種管道，電子線路） 電子CAD ：電路設計、線路圖、布線圖、

13、安裝圖、集成電路設計 機械CAD：汽車、飛機(波音777)、零件設計、模具設計、曲面設計 建筑CAD：平面圖, 大樣圖, 外形圖 輕工CAD：服裝: 2D排料設計, 3D款式設計圖案設計: 墻紙, 地毯, 花布 室內設計 產品外形設計 Computer-Aided-Designinteractively design and modify objects 折線圖 條狀圖 百分比圖 三維統(tǒng)計圖 進度計劃圖 Presenting information Bar chartsPie charts12345010203040506012345 定義: 可見的或不可見的現象用適當的圖形表示出來 科學計算

14、可視化(Scientific Visualization)必要性：直接分析大量的測量數據或統(tǒng)計數據有困難目標：用圖形表現抽象的數據應用領域：醫(yī)學圖象重建，遙感，流場、氣象、核爆模擬，有限元分析。等等 信息可視化：信息流量，商業(yè)統(tǒng)計數據，股市行情。CurvesSurfaces-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.40.50.617131925313743495561677379859197Scientific VisualizationJohnson et al., UtahNational Library of MedicineVisual HumanQuickTime an

15、d aYUV420 codec decompressorare needed to see this picture. 建立在地理圖形之上的關于各種資源的綜合信息管理系統(tǒng)。 數字地球，地形數據作為載體，（70）全球信息化。 軍事，政府決策，旅游，資源調查。 Weather charts 在計算機控制下，對多種媒體信息進行生成、操作、表現、存儲、通信、或集成的信息系統(tǒng)，其中媒體至少應包括一種“連續(xù)媒體”及一種“離散媒體” 計算機處理的常見媒體：文本、圖形、圖像、語音、音頻、視頻、動畫特點：媒體的多樣性、操作的交互性、系統(tǒng)的集成性 CAI， 教學娛樂。 電腦游戲實時性逼實性蘊含了先進的圖形處理技術

16、 電視廣告，節(jié)目片頭，科教演示（CAI） 演員與圖形場景混合 計算機電影 人造演員 AnimationfilmsGames 相片真實感模擬與自然媒體仿真技術 分形藝術：竹,樹,花,海,云,山 電子畫,卡通片 動畫 Computer Art Synthesizing images Ray tracing images 已廣泛應用于計算機輔助教學系統(tǒng)中； 使教學過程更加形象、直觀、生動。 Virtual idol (Reiko Arisugawa) 飛行模擬器 駕駛模擬器Flight simulatorsVirtual Reality 或稱虛擬環(huán)境（Virtual Environment)是用計算

17、機技術來生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點出發(fā)，利用自然的技能和某些設備對這一生成的虛擬世界客體進行瀏覽和交互考察。輸入輸出設備 在線虛擬現實：虛擬現實建模語言VRML Virtual realityprovides true 3-d scenes and interactionsHead-mounted display (HMD)A system for tracking the position of HMDData glove 2-d images from volume dataOrdinary X-ray imageCross section X-ray image (tomography)Magnetic resonance tomograph