計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第一章

1、1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)Computer GraphicsComputer Graphics 2014 East China Jiaotong University, School of Software.華東交通大學(xué)軟件學(xué)院華東交通大學(xué)軟件學(xué)院 主講：黃曉生主講：黃曉生 Phonemail:課程內(nèi)容 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)綜述及其應(yīng)用 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)基本圖形生成算法 幾何造型技術(shù) 圖形幾何變換 真實(shí)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(jì)算蔡士杰等譯，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（第三版），電子工業(yè)出

2、版社機(jī)圖形學(xué)（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(jī)械工業(yè)出版社，2006（美）Steve Cunningham著 石教英潘志庚譯，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)：面向視覺(jué)交流的OpenGL編程技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社 2008Samuel R.Buss著，唐龍等譯，3D計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（OpenGL版），清華大學(xué)出版社，2006孫家廣，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（第三版），清華大學(xué)出版社，1999計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)中國(guó)圖形圖像學(xué)報(bào)SIGGRAPH (Special Interest Group on Computer Graph

3、ics (美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì))計(jì)算機(jī)繪圖專(zhuān)業(yè)組)1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)定義1.2 發(fā)展歷史1.3 應(yīng)用1.4 當(dāng)前研究動(dòng)態(tài)一、什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)一、什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)何謂圖形構(gòu)成圖形的要素何謂計(jì)算機(jī)圖形圖形的兩大類(lèi)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的概念 何謂圖形能在人的視覺(jué)系統(tǒng)中產(chǎn)生視覺(jué)印象的客觀對(duì)象包括：人類(lèi)眼睛所看到的自然景物用攝像機(jī)、錄像機(jī)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(shè)計(jì)圖、方框圖各類(lèi)人工美術(shù)繪圖、雕朔品用數(shù)學(xué)方法描述的圖形 構(gòu)成圖形的要素幾何要素：刻畫(huà)對(duì)象的輪廓、形狀等 包括：點(diǎn)、線(xiàn)、面非幾何要素：刻畫(huà)對(duì)象的顏色、材質(zhì)等 包括：明暗、灰度、色彩等 什么是計(jì)算機(jī)圖形 是從客觀世界的物體

4、中抽象出來(lái)的帶有灰度或色彩形狀的圖或形。 圖形的兩大類(lèi)第一種分類(lèi)方法：點(diǎn)陣表示（明暗圖）：具有面模型、色彩、濃淡和明暗層次效應(yīng)的有真實(shí)感的圖形。 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(chēng)為圖像（數(shù)字圖像）參數(shù)表示（線(xiàn)劃圖）：用線(xiàn)段來(lái)表示圖形。容易反映客觀實(shí)體。 由圖形的形狀參數(shù)(方程或分析表達(dá)式的系數(shù)，線(xiàn)段的端點(diǎn)坐標(biāo)等)+屬性參數(shù)(顏色、線(xiàn)型等)來(lái)表示圖形簡(jiǎn)稱(chēng)為圖形第二種分類(lèi)方法2D圖形 3D圖形 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的概念 Computer Graphics (CG) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究通過(guò)計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專(zhuān)門(mén)顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科。它是建立在傳統(tǒng)的圖學(xué)理論、應(yīng)用數(shù)學(xué)

5、和計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)上的一門(mén)邊緣學(xué)科。 IEEE(美國(guó)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(shù)字圖像處理 模式識(shí)別 計(jì)算幾何 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)：討論怎樣將數(shù)據(jù)和幾何模型變成圖像。 數(shù)字圖像處理：圖像也可稱(chēng)為圖形。研究將一種圖像變成另一種圖像。包括圖像的恢復(fù)、平滑、增強(qiáng)。 模式識(shí)別：從圖像上提取數(shù)據(jù)和模型。 計(jì)算幾何：討論幾何形體的計(jì)算機(jī)表示和分析、綜合。研究怎樣方便靈活地建立幾何形體的數(shù)學(xué)模型，提高算法效率。在計(jì)算機(jī)

6、內(nèi)怎樣更好地存貯和管理這些模型數(shù)據(jù)。 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、界線(xiàn)模糊、相互滲透計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容 幾何形體構(gòu)造技術(shù)：例如各種不同類(lèi)型幾何模型（二維、三維、分?jǐn)?shù)維）的構(gòu)造方法及性能分析、曲線(xiàn)與曲面的表示與處理，專(zhuān)用或通用模型構(gòu)造系統(tǒng)的研究。 圖形生成技術(shù)：例如線(xiàn)段、圓弧、字符、區(qū)域填充的生成算法以及隱藏線(xiàn)/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(shù)。 圖形的操作與處理方法：例如圖形的開(kāi)窗裁剪、平移、旋轉(zhuǎn)、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(shí)現(xiàn)技術(shù)。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容 圖形信息的存儲(chǔ)、檢索與交換技術(shù)：例如圖形信息的各種表示方法、組織形式、存取技術(shù)、圖形數(shù)據(jù)庫(kù)的管理、圖形信息通信等。 人機(jī)交互及用戶(hù)接口技術(shù)：新型定位設(shè)備、選擇設(shè)備的研究，各種交互技術(shù)如構(gòu)造技術(shù)、命令技術(shù)、選擇技術(shù)、響應(yīng)技術(shù)等的研究，以及用戶(hù)模型、命令語(yǔ)言、反饋方法、窗口系統(tǒng)等用戶(hù)接口技術(shù)的研究。 動(dòng)畫(huà)技術(shù)：研究實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)畫(huà)的各種軟硬件方法、開(kāi)發(fā)工具、動(dòng)畫(huà)語(yǔ)言。 圖形輸出設(shè)備與輸出技術(shù)。 圖形標(biāo)準(zhǔn)與圖形軟件包的技術(shù)開(kāi)發(fā)。 醞釀期（50年代）1950年，美國(guó)MIT（麻省理工學(xué)院）的旋風(fēng)1號(hào)(Whirlwind

8、I)計(jì)算機(jī)配備了陰極射線(xiàn)管(CRT)來(lái)顯示一些簡(jiǎn)單的圖形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 萌芽期（60年代） 1962年，美國(guó)MIT（麻省理工學(xué)院）林肯實(shí)驗(yàn)室的Ivan.E.Sutherland發(fā)表了一篇題為Sketchpad：一個(gè)人機(jī)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(chē)公司的工程師Pierre Bzier 提出Bzier曲線(xiàn)、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(guò)插值四條任意的邊界曲線(xiàn)來(lái)構(gòu)造曲面。 發(fā)展期（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舉辦了與“與機(jī)器無(wú)關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會(huì)議。 ACM（美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì) - Association for Computing Machinery）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） ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS、GL圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)真實(shí)感圖形學(xué)1970年，Bouknight提出了第一個(gè)光反射模型1971

10、年Gourand提出“漫反射模型插值”的思想，被稱(chēng)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) 普及期（80年代） 出現(xiàn)了帶有光柵圖形顯示器的個(gè)人計(jì)算機(jī)和工作站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(xiàn)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,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(gè)分支均在這個(gè)時(shí)期飛速發(fā)展 提高

11、增強(qiáng)期（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) 持續(xù)發(fā)展期（21世紀(jì)）滲透到各個(gè)行業(yè)的各個(gè)方面促進(jìn)計(jì)算機(jī)硬件的進(jìn)一步發(fā)展總體特征：技術(shù)發(fā)展、需求驅(qū)動(dòng)總體特征：技術(shù)發(fā)展、需求驅(qū)動(dòng) 圖形用戶(hù)界面 CAD/CAM 可視化 地理信息系統(tǒng) 過(guò)程控制及系統(tǒng)環(huán)境模擬 計(jì)算機(jī)藝術(shù) 電子印刷及辦公自動(dòng)化 作戰(zhàn)指揮和軍事訓(xùn)練 工業(yè)模擬（仿真） 計(jì) 算 機(jī) 輔 助 教 學(xué)（CAI） 醫(yī)學(xué) 服裝、輕紡業(yè) 農(nóng)業(yè)、林業(yè) 公安 介于人與計(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

12、操縱界面由終端和鍵盤(pán)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(hù)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） Graphical user interface icons, frames, labels, fields, text-area, buttons, pop-up manuals,. 圖形學(xué)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。 建筑、機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)（結(jié)構(gòu)分析和外形設(shè)計(jì)）、布局（各種管道，電子線(xiàn)路） 電子CAD ：電路設(shè)計(jì)、線(xiàn)路圖、布線(xiàn)圖、

13、安裝圖、集成電路設(shè)計(jì) 機(jī)械CAD：汽車(chē)、飛機(jī)(波音777)、零件設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、曲面設(shè)計(jì) 建筑CAD：平面圖, 大樣圖, 外形圖 輕工CAD：服裝: 2D排料設(shè)計(jì), 3D款式設(shè)計(jì)圖案設(shè)計(jì): 墻紙, 地毯, 花布 室內(nèi)設(shè)計(jì) 產(chǎn)品外形設(shè)計(jì) Computer-Aided-Designinteractively design and modify objects 折線(xiàn)圖 條狀圖 百分比圖 三維統(tǒng)計(jì)圖 進(jìn)度計(jì)劃圖 Presenting information Bar chartsPie charts12345010203040506012345 定義: 可見(jiàn)的或不可見(jiàn)的現(xiàn)象用適當(dāng)?shù)膱D形表示出來(lái) 科學(xué)計(jì)算

14、可視化(Scientific Visualization)必要性：直接分析大量的測(cè)量數(shù)據(jù)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有困難目標(biāo)：用圖形表現(xiàn)抽象的數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)圖象重建，遙感，流場(chǎng)、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(jì)數(shù)據(jù)，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(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，（70）全球信息化。 軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查。 Weather charts 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”及一種“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、音頻、視頻、動(dòng)畫(huà)特點(diǎn)：媒體的多樣性、操作的交互性、系統(tǒng)的集成性 CAI， 教學(xué)娛樂(lè)。 電腦游戲?qū)崟r(shí)性逼實(shí)性蘊(yùn)含了先進(jìn)的圖形處理技術(shù)

16、 電視廣告，節(jié)目片頭，科教演示（CAI） 演員與圖形場(chǎng)景混合 計(jì)算機(jī)電影 人造演員 AnimationfilmsGames 相片真實(shí)感模擬與自然媒體仿真技術(shù) 分形藝術(shù)：竹,樹(shù),花,海,云,山 電子畫(huà),卡通片 動(dòng)畫(huà) Computer Art Synthesizing images Ray tracing images 已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)中； 使教學(xué)過(guò)程更加形象、直觀、生動(dòng)。 Virtual idol (Reiko Arisugawa) 飛行模擬器 駕駛模擬器Flight simulatorsVirtual Reality 或稱(chēng)虛擬環(huán)境（Virtual Environment)是用計(jì)算

17、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(hù)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 在線(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)：虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)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