計算機圖形學第一章

1、2022-4-51計算機圖形學計算機圖形學成都理工大學土地資源管理系成都理工大學土地資源管理系何新東何新東二零一二年九月二零一二年九月4/5/20222教學要求 了解圖形系統(tǒng)的框架及其涉及的軟件、硬件技術； 了解圖形學的基本問題，掌握圖形學的基本概念、方法與算法； 對與圖形相關的應用及當前的研究熱點有一個初步認識； 具有一定實踐體會和相關的編程能力。 4/5/20223教材或參考書： 教材 倪明田等，“計算機圖形學”，北京大學出版社，1999。 主要參考書： 孫家廣：計算機圖形學（第三版），清華大學出版社，1999。 Donald Hearn, M. Pauline Baker ,“Compu

2、ter Graphics (C Version)”, Prentice Hall , 1997. James D. Foley, Andries van Dam etc., “Introduction to Computer Graphics”, Addison-Wesley, 1996 董士海，計算機用戶界面及其工具，科學出版社，1994 龍曉苑：數(shù)字化藝術，北京大學出版社，1999.124/5/20224第一講 計算機圖形學概述 1.1 研究內容1.2 發(fā)展歷史1.3 應用舉例1.4 當前研究動態(tài)4/5/202251.1 研究內容v何謂圖形v構成圖形的要v兩種表示法v所研究的內容4/5/2

3、0226 計算機圖形學的研究內容圖形：計算機圖形學的研究對象 能在人的視覺系統(tǒng)中產(chǎn)生視覺印象的客觀對象 包括自然景物、拍攝到的圖片、用數(shù)學方法描述的圖形等等構成圖形的要素 幾何要素：刻畫對象的輪廓、形狀等 非幾何要素：刻畫對象的顏色、材質等計算機中表示圖形的方法 點陣表示 枚舉出圖形中所有的點(強調圖形由點構成) 簡稱為圖像（數(shù)字圖像） 參數(shù)表示 由圖形的形狀參數(shù)(方程或分析表達式的系數(shù)，線段的端點坐標等)+屬性參數(shù)(顏色、線型等)來表示圖形 簡稱為圖形4/5/20227計算機圖形學的研究內容計算機圖形學的研究內容.與相關學科的關系數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型圖像生成（計算機圖形學）模型（特征）提?。ㄓ嬎?/p>

4、機視覺，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4/5/20228計算機圖形學的研究內容計算機圖形學的研究內容所研究的內容圖形的輸入 如何開發(fā)利用圖形輸入設備及軟件將圖形輸入到計算機中去，以便作各種處理。圖形的處理包括對圖形進行變換(幾何變換，投影變換)和運算（集合運算）,著色，形變等圖形的輸出 如何將圖形特定的表示形式轉換成圖形輸出系統(tǒng)便于接受的表示形式，并將圖形在顯示屏或打印機等輸出設備上輸出。4/5/20229CAGD（Computer Aided Geometric Design） 幾何形體在計算機中的表示，分析、研究怎樣靈活方便地建立幾

5、何形體的數(shù)學模型，提高算法效率，在計算機內更好地存儲和管理這些模型等。研究曲線、曲面的表示、生成、拼接、數(shù)據(jù)擬合。 4/5/202210圖象處理： 研究如何對一幅連續(xù)圖像取樣、量化以產(chǎn)生數(shù)字圖像， 如何對數(shù)字圖像做各種變換以方便處理， 如何濾去圖像中的無用噪聲， 如何壓縮圖像數(shù)據(jù)以便存儲和傳輸，圖像邊緣提取，特征增強和提取。 4/5/202211計算機視覺和模式識別： 圖形學的逆過程，分析和識別輸入的圖像并從中提取二維或三維的數(shù)據(jù)模型（特征）。手寫體識別、機器視覺。 4/5/2022121.2 發(fā)展歷史v 歷史追溯v 硬件發(fā)展 圖形顯示器的發(fā)展 圖形輸入設備的發(fā)展v 圖形軟件及軟件標準的發(fā)展4

6、/5/202213歷史追溯 1950年，MIT，旋風一號（Whirlwind I 計算機的圖形顯示器，類似于示波器的CRT來顯示簡單圖形。-CRT的出現(xiàn)為計算機生成和顯示圖形提供了可能。 50年代末期，MIT林肯實驗室，在Whirlwind上開發(fā)SAGE空中防御系統(tǒng)，通過光筆在屏幕上指點與系統(tǒng)交互。-標志著交互式圖形技術的誕生。4/5/202214歷史追溯1962年MIT林肯室驗室Ivan.E.Sutherland的博士論文：Sketchpad：一個人機通信的圖形系統(tǒng)。-確定了交互圖形學作為一個學科分支（提出基本交互技術、圖元分層表示概念及數(shù)據(jù)結構)。60年代：MIT、Bell Lab、 通用

7、汽車公司、劍 橋大學開展大規(guī)模的研究 。 60年代確立并得到發(fā)展 70年代進入技術實用化 但80年代初，圖形學 依然是較小的學科，原 因是圖形硬件設備十分昂貴，且基于圖形的應用相 對較少。后來，情況發(fā)生了變化4/5/202215硬件發(fā)展 圖形顯示器的發(fā)展 圖形顯示器是計算機圖形學中關鍵的設備 60年代中期：畫線顯示器（亦稱矢量顯示器） 需要刷新。設備昂貴，限制普及 60年代后期：存儲管式顯示器 不需刷新，價格較低，缺點是不具有動態(tài)修改 圖形功能，不適合交互式。4/5/202216硬件發(fā)展 70年代初，刷新式光柵掃描顯示器出現(xiàn)，大大地推動了交互式圖形技術的發(fā)展。 以點陣形式表示圖形，使用專用的緩

8、沖區(qū)存放點陣，由視頻控制器負責刷新掃描。4/5/202217 圖形顯示設備的發(fā)展：畫線顯示器（矢量顯示器/隨機掃描顯示器）存儲管式顯示器刷新式光柵掃描顯示器4/5/202218硬件發(fā)展圖形輸入設備的發(fā)展 第一階段：控制開關、穿孔紙等等 第二階段：鍵盤 第三階段：二維定位設備，如鼠標、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等，語音 第四階段：三維輸入設備（如空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣），用戶的手勢、表情等等 第五階段：用戶的思維4/5/2022194/5/2022204/5/202221 圖形軟件發(fā)展及軟件標準形成 三種類型的計算機圖形軟件系統(tǒng)： (1)用某種語言寫成的子程序包 如: GKS (Graphic

9、s Kernel System) PHIGS(ProgrammersHerarchical Iuteractive Graphics system ) GL 便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對較慢，效率低 (2）擴充計算機語言，使其具有圖形生成和處理的功能 如：Turbo Pascal、Turbo C，AutoLisp等。 簡練、緊湊、執(zhí)行速度快，但不可移植（3）專用圖形系統(tǒng)：效率高，但系統(tǒng)開發(fā)量大，可移植性差。4/5/202222發(fā)展歷程發(fā)展歷程諸侯割據(jù)標準討論標準形成圖形軟件發(fā)展及軟件標準的形成4/5/202223通用的、與設備無關的圖形包，圖形標準lGKS (Graphics Kernel

10、System) (第一個官方標準，1977)lPHIGS(Programmers Herarchical Iuteractive Graphics system)一些非官方圖形軟件，廣泛應用于工業(yè)界，成為事實上的標準lDirectX (MS)lXlib(X-Window系統(tǒng))lOpenGL(SGI)lAdobe公司Postscript開放式、高效率的發(fā)展趨勢4/5/2022241.3 應用舉例圖形用戶界面 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

11、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）4/5/202225圖形用戶界面 由計算機發(fā)展決定： 科學計算型無處不在的計算機，人機溶合，提高交互效率。 課程：“人機交互技術” 董士海教授主講4/5/202226 CAD/CAM 圖形學的主要應用領域之一。 建筑、機械結構和產(chǎn)品設計（結構分析和外形設計）、布局（各種管道，電子線路） Boeing 777, 無紙設計。 AutoCAD, GHCAD, SolidWorks, Pro/E, UG, CATIA, MDT,

12、4/5/2022274/5/202228Teapot4/5/202229Blending of the modeling4/5/202230可視化 科學計算可視化(Scientific Visualization) 必要性：直接分析大量的測量數(shù)據(jù)或統(tǒng)計數(shù)據(jù)有困難 目標：用圖形表現(xiàn)抽象的數(shù)據(jù) 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(shù)據(jù)，股市行情。4/5/202231地理信息系統(tǒng)（GIS）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(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，資源調查。 多媒體多媒體 在

13、計算機控制下，對多種媒體信息進行生成、操作、表現(xiàn)、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。4/5/202232 娛樂電腦游戲實時性逼實性蘊含了先進的圖形處理技術電視廣告，節(jié)目片頭，科教演示（CAI） Quake III，“古墓麗影”，“侏羅紀公園”、“皇帝的新衣”、完美風暴 MAYA, 3D-MAX, SOFTIMAGE4/5/202233計算機藝術 Coreldraw, Photoshop, 金山畫王筆, 相片真實感模擬

14、與自然媒體仿真技術 分形藝術4/5/2022344/5/2022354/5/202236Virtual Reality（虛擬現(xiàn)實、靈境）Virtual Reality 或稱虛擬環(huán)境（Virtual Environment) 是用計算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4/5/202237 在線虛擬現(xiàn)實：虛擬現(xiàn)實建模語言VRML4/5/2022381.4 當前的研究動態(tài) 造型技術造型技術 規(guī)則形體：歐氏幾何方法規(guī)則形體：歐氏幾何方法 不規(guī)則形體：不規(guī)則形體： 分形幾何方法分形幾何方法 粒子系統(tǒng)粒子系統(tǒng) 紋理映射紋理映射4/5/202239當前的研究動態(tài) 實體造型實體造型 基于物理的造型基于物理的造型 基于圖像的造型基于圖像的造型