計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 第1章 緒論

1、河海大學(xué)計(jì)算機(jī)及信息學(xué)院主講：劉惠義E-mail: 課件下載：學(xué)院網(wǎng)站/教學(xué)體系/下載區(qū) 了解圖形系統(tǒng)的框架及其涉及的軟件、硬件技術(shù)； 了解圖形學(xué)的基本問(wèn)題，掌握?qǐng)D形學(xué)的基本概念、方法與算法； 對(duì)與圖形相關(guān)的應(yīng)用及當(dāng)前的研究熱點(diǎn)有一個(gè)初步認(rèn)識(shí)； 具有一定實(shí)踐體會(huì)和相關(guān)的編程能力。 教材： 蘇小紅等，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)用教程(第二版)，人民郵電出版社，2010 主要參考書(shū)： 潘云鶴等，“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理、方法及應(yīng)用”，高等教育出版社，2003 孫家廣等，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（第三版），清華大學(xué)出版社，2002 第1章 緒論 第2章 圖形設(shè)備與系統(tǒng) 第3章 基本圖形生成算法 第4章 自由曲線與曲面 第5章 圖

2、形變換與裁剪 第6章 實(shí)體幾何造型技術(shù) 第8章 真實(shí)感圖形繪制 第10章 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫1.1 研究?jī)?nèi)容1.2 發(fā)展歷史1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿?何謂圖形?構(gòu)成圖形的要素?圖形的兩種表示法?圖形學(xué)所研究的內(nèi)容 圖形：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對(duì)象 能在人的視覺(jué)系統(tǒng)中產(chǎn)生視覺(jué)印象的客觀對(duì)象 包括自然景物、拍攝到的圖片、用數(shù)學(xué)方法描述的圖形等等 構(gòu)成圖形的要素 幾何要素：刻畫對(duì)象的輪廓、形狀等 非幾何要素：刻畫對(duì)象的顏色、紋理等 點(diǎn)陣表示 枚舉出圖形中所有的點(diǎn)(強(qiáng)調(diào)圖形由點(diǎn)構(gòu)成) 簡(jiǎn)稱為圖像（數(shù)字圖像） 參數(shù)表示 由圖形的形狀參數(shù)(方程或分析表達(dá)式的系數(shù)，線段的端點(diǎn)坐標(biāo)等)+屬性參數(shù)(顏色、線型等

3、)來(lái)表示圖形 簡(jiǎn)稱為圖形： 圖形主要分為兩類： 基于線條信息表示 明暗圖(Shading) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)中，最為活躍、得到廣泛應(yīng)用的分支之一。 如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形、以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法，構(gòu)成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容。圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形計(jì)算與顯示算法，以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型圖像生成（計(jì)算機(jī)圖形學(xué)）模型（特征）提?。ㄓ?jì)算機(jī)視覺(jué)，模式識(shí)別）模型變換（計(jì)算幾何）圖像變換（圖像處理）.發(fā)展特點(diǎn): 交叉

4、、界線模糊、相互滲透1.1 研究?jī)?nèi)容1.2 發(fā)展歷史1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿?歷史追溯?硬件發(fā)展圖形顯示器的發(fā)展圖形輸入設(shè)備的發(fā)展?圖形軟件及軟件標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展 50年代 1950年，第一臺(tái)圖形顯示器作為美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）旋風(fēng)I號(hào)（Whirlwind I）計(jì)算機(jī)的附件誕生了 1958年，美國(guó)Calcomp公司由聯(lián)機(jī)的數(shù)字記錄儀發(fā)展成滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數(shù)控機(jī)床發(fā)展成為平板式繪圖儀 50年代末期，MIT的林肯實(shí)驗(yàn)室在“旋風(fēng)”計(jì)算機(jī)上開(kāi)發(fā)SAGE空中防御體系 60年代 1962年，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的I. E. Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個(gè)

5、人機(jī)交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文-確定了交互圖形學(xué)作為一個(gè)學(xué)科分支（提出基本交互技術(shù)、圖元分層表示概念及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))。 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 A. Coons提出了超限插值的新思想，通過(guò)插值四條任意的邊界曲線來(lái)構(gòu)造曲面。 70年代 光柵圖形學(xué)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(yīng)算法紛紛誕生 圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化 1974年，ACM SIGGRAPH的“與機(jī)器無(wú)關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會(huì)議 ACM成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，制定“核心圖形系統(tǒng)”（Core Graphics System） IS

6、O發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS 真實(shí)感圖形學(xué) 1970年，Bouknight提出了第一個(gè)光反射模型 1971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(jiǎn)單光照模型- Phong模型 實(shí)體造型技術(shù) 英國(guó)劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng) 美國(guó)羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng) 80年代 1980年Whitted提出了一個(gè)光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例，實(shí)現(xiàn)Whitted模型1984年，美國(guó)Cornell大學(xué)和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中圖形硬件和各個(gè)分

7、支均在這個(gè)時(shí)期飛速發(fā)展 90年代：微機(jī)和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化 多媒體技術(shù)、人工智能、科學(xué)計(jì)算可視化、虛擬現(xiàn)實(shí) 三維造型技術(shù) ACM SIGGRAPH會(huì)議小知識(shí) 全稱 “the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques” 60年代中期，由Brown 大學(xué)的教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司的Sam Matsa發(fā)起 1974年，在Colorado大學(xué)召開(kāi)了第一屆SIGGRAPH 年會(huì)，并取得了巨大的成功 每年只錄取大約50篇論

8、文 圖形顯示器的發(fā)展 圖形顯示器是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中關(guān)鍵的設(shè)備 60年代中期：畫線顯示器（亦稱矢量顯示器） 需要刷新。設(shè)備昂貴，限制普及 60年代后期：存儲(chǔ)管式顯示器 不需刷新，價(jià)格較低，缺點(diǎn)是不具有動(dòng)態(tài)修改 圖形功能，不適合交互式。 70年代初，刷新式光柵掃描顯示器出現(xiàn)，大大地推動(dòng)了交互式圖形技術(shù)的發(fā)展。 以點(diǎn)陣形式表示圖形，使用專用的緩沖區(qū)存放點(diǎn)陣，由視頻控制器負(fù)責(zé)刷新掃描。 圖形顯示設(shè)備的發(fā)展：畫線顯示器（矢量顯示器/隨機(jī)掃描顯示器）存儲(chǔ)管式顯示器刷新式光柵掃描顯示器圖形輸入設(shè)備的發(fā)展 第一階段：控制開(kāi)關(guān)、穿孔紙等等 第二階段：鍵盤 第三階段：二維定位設(shè)備，如鼠標(biāo)、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等

9、等，語(yǔ)音 第四階段：三維輸入設(shè)備（如空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣），用戶的手勢(shì)、表情等等 第五階段：用戶的思維三種類型的計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)： (1)用某種語(yǔ)言寫成的子程序包 如: GKS (Graphics Kernel System) PHIGS(ProgrammersHerarchical Iuteractive Graphics system ) GL 便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對(duì)較慢，效率低 (2）擴(kuò)充計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，使其具有圖形生成和處理的功能 如：Turbo Pascal、Turbo C，AutoLisp等。 簡(jiǎn)練、緊湊、執(zhí)行速度快，但可移植性差（3）專用圖形系統(tǒng)：系統(tǒng)開(kāi)發(fā)量小,但執(zhí)行速

10、度慢，可移植性差。發(fā)展歷程發(fā)展歷程諸侯割據(jù)標(biāo)準(zhǔn)討論標(biāo)準(zhǔn)形成通用的、與設(shè)備無(wú)關(guān)的圖形包，圖形標(biāo)準(zhǔn)lGKS (Graphics Kernel System) (第一個(gè)官方標(biāo)準(zhǔn)，1977)lPHIGS(Programmers Herarchical Iuteractive Graphics system)一些非官方圖形軟件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)界，成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)lDirectX (MS)lXlib(X-Window系統(tǒng))lOpenGL(SGI)lAdobe公司Postscript開(kāi)放式、高效率的發(fā)展趨勢(shì)1.1 研究?jī)?nèi)容1.2 發(fā)展歷史1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用圖形用戶界面 介

11、于人與計(jì)算機(jī)之間，人與機(jī)器的通信。 人機(jī)界面（HCI）：軟件硬件 發(fā)展：由指示燈和機(jī)械開(kāi)關(guān)組成的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(shè)備和光柵圖形顯示設(shè)備構(gòu)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(jiàn)即所得VR技術(shù)（發(fā)展方向）-CAD/CAM是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域 飛機(jī)、汽車、船舶的外形的設(shè)計(jì) 發(fā)電廠、化工廠等的布局 土木工程、建筑物的設(shè)計(jì) 電子線路、電子器件的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進(jìn)行加工處理，如波音777飛機(jī)的設(shè)計(jì)和加工過(guò)

12、程 基于工程圖紙的三維形體重建 定義：定義：從二維信息中提取三維信息，通過(guò)對(duì)這些信息進(jìn)行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對(duì)應(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點(diǎn)、線、面及其拓?fù)潢P(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)形體的重建 優(yōu)勢(shì)：可以做裝配件的干涉檢查、以及有限元分析、仿真、加工等后續(xù)操作，代表CAD技術(shù)的發(fā)展方向工程圖及其三維重建結(jié)果1工程圖及其三維重建結(jié)果2 科學(xué)計(jì)算可視化(Scientific Visualization) 海量的數(shù)據(jù)使得人們對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來(lái)越難，用圖形來(lái)表示數(shù)據(jù)的迫切性與日俱增 1986年，美國(guó)科學(xué)基金會(huì)（NSF）專門召開(kāi)了一次研討會(huì)，會(huì)上提出了“科學(xué)計(jì)算可視化（Vis

13、ualization in Scientific Computing）” 科學(xué)計(jì)算可視化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、有限元分析、氣象分析當(dāng)中 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途 是機(jī)械手術(shù)和遠(yuǎn)程手術(shù)的基礎(chǔ) 將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖象，幫助醫(yī)生判別病人體內(nèi)的患處 由CT數(shù)據(jù)產(chǎn)生在人體內(nèi)漫游的圖象 可視化的前沿與難點(diǎn) 可視化硬件的研究 實(shí)時(shí)的三維體繪制 體內(nèi)組織的識(shí)別分割Segmentation 計(jì)算機(jī)中重現(xiàn)真實(shí)世界的場(chǎng)景叫做真實(shí)感繪制 真實(shí)感繪制的主要任務(wù)是模擬真實(shí)物體的物理屬性，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是物體的形狀，光學(xué)性質(zhì)，表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對(duì)位置，遮擋關(guān)系等等 光照模型 簡(jiǎn)單光

14、照模型 整體光照模型 繪制方法 光線跟蹤 輻射度 加速算法 包圍體樹(shù)、自適應(yīng)八叉樹(shù)等等 建立在地理圖形之上的關(guān)于各種資源的綜合信息管理系統(tǒng)。 數(shù)字地球，地形數(shù)據(jù)作為載體。 軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查。 電腦游戲 實(shí)時(shí)性 逼真性 蘊(yùn)含了先進(jìn)的圖形處理技術(shù)電視廣告，節(jié)目片頭，科教演示（CAI） Quake III，“古墓麗影”，“侏羅紀(jì)公園”、“皇帝的新衣”、完美風(fēng)暴 MAYA, 3D-MAX, SOFTIMAGE 在計(jì)算機(jī)控制下，對(duì)多種媒體信息進(jìn)行生成、操作、表現(xiàn)、存儲(chǔ)、通信、或集成的信息系統(tǒng)其中媒體至少應(yīng)包括一種“連續(xù)媒體”或一種“離散媒體”。 計(jì)算機(jī)處理的常見(jiàn)媒體：文本、圖形、圖像、語(yǔ)音

15、、音頻、視頻、動(dòng)畫 特點(diǎn)：媒體的多樣性、操作的交互性、系統(tǒng)的集成性 CAI， 娛樂(lè)。Virtual Reality 或稱虛擬環(huán)境（Virtual Environment) 是用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)生成一個(gè)逼真的三維視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)或嗅覺(jué)等感覺(jué)世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對(duì)這一生成的虛擬世界客體進(jìn)行瀏覽和交互考察。 輸入輸出設(shè)備 虛擬現(xiàn)實(shí)是指用立體眼鏡、傳感手套等一系列傳感輔助設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種三維現(xiàn)實(shí)，人們通過(guò)這些設(shè)施以自然的方式（如頭的轉(zhuǎn)動(dòng)、手的運(yùn)動(dòng)等）向計(jì)算機(jī)送入各種動(dòng)作信息，并且通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)以及觸覺(jué)設(shè)施使人們得到三維的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感覺(jué)世界。隨著人們不同的動(dòng)作，這些感

16、覺(jué)也隨之改變。 QuickTime是蘋果公司開(kāi)發(fā)的新一代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。它是一種基于靜態(tài)圖像處理的，在微機(jī)平臺(tái)上能夠?qū)崿F(xiàn)的初級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。它的出現(xiàn)使得以往專業(yè)實(shí)驗(yàn)室中成本昂貴的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用普及有了廣闊的前景。 假定我們?cè)谝皇铱臻g進(jìn)行觀察，室內(nèi)空間一般有六個(gè)面，如果我們獲取了這六個(gè)面的許多不同距離，不同方位的實(shí)景照片并將它們按照相互的關(guān)系有機(jī)連接起來(lái)，就可以在視覺(jué)上形成這個(gè)房間整個(gè)空間的整體認(rèn)識(shí)，這就是全景概念。 真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制 物體網(wǎng)格模型的面片簡(jiǎn)化：對(duì)網(wǎng)格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內(nèi)，刪除點(diǎn)、邊、面，從而簡(jiǎn)化所繪制場(chǎng)景的復(fù)雜度，加快圖形繪制速度 基于圖象的繪制(IBR，I

17、mage Based Rendering)：完全摒棄傳統(tǒng)的先建模，然后確定光源的繪制的方法。它直接從一系列已知的圖象中生成未知視角的圖象，適用于野外極其復(fù)雜場(chǎng)景的生成和漫游 野外自然景物的模擬 野外場(chǎng)景遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜于室內(nèi)場(chǎng)景，繪制難度更大，方法更趨多樣化 主要繪制山、水、云、樹(shù)、草、火等等 繪制火的粒子系統(tǒng)（Particle System），基于生理模型的繪制植物的方法，繪制云的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)方法等由清華大學(xué)自然景物平臺(tái)生成的野外場(chǎng)景日本Yoshinori Dobashi等人繪制的真實(shí)感云Xfrog3.0生成的挪威云杉 遠(yuǎn)程醫(yī)療與診斷 遠(yuǎn)程導(dǎo)航與維修 遠(yuǎn)程教育 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫近十多年來(lái)取得了很大的發(fā)展，已

18、滲透到人們生活的各個(gè)角落 商業(yè)廣告、影視特技/片頭、動(dòng)畫片 教育、軍事、飛行模擬等 分類 二維動(dòng)畫 圖象變形 形狀混合 三維動(dòng)畫 關(guān)鍵幀動(dòng)畫 變形物體的動(dòng)畫 過(guò)程動(dòng)畫 關(guān)節(jié)動(dòng)畫與人體動(dòng)畫基于特征的圖象變形（貓變虎） 我國(guó)第一部利用計(jì)算機(jī)輔助攝制的動(dòng)畫片是咪咪釣魚(yú)，1991年由北方工業(yè)大學(xué)和北京電視臺(tái)合作制作，以二維動(dòng)畫為主。用386微機(jī)和C語(yǔ)言編程，利用數(shù)字化儀和攝象機(jī)產(chǎn)生關(guān)鍵幀，再由計(jì)算機(jī)在相鄰兩幅關(guān)鍵幀之間內(nèi)插生成中間幀，并自動(dòng)跟蹤上色。多層畫面疊加在一起，形成完整的畫面。10分鐘的片子，5人小組花了10個(gè)月時(shí)間。 用戶接口是人們使用計(jì)算機(jī)的第一觀感。一個(gè)友好的圖形化的用戶界面能夠大大提高軟件的易用性 圖形學(xué)已經(jīng)全面融入計(jì)算機(jī)的方方面面，很多軟件幾乎可以不看任何說(shuō)明書(shū)，而根據(jù)它的圖形、或動(dòng)畫界面的指示進(jìn)行操作 目前幾個(gè)大的軟件公司都在研究下一代用戶界面，開(kāi)發(fā)面向主流應(yīng)用的、自然、高效多通道的用戶界面。研究多通道語(yǔ)義模型、