第一章 計算機圖形學概述

1、計算機圖形學計算機圖形學黑龍江工程學院主講： 孟慶武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。 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：唐榮錫等，計算機圖形學教程（修訂版），科學出版社，2000。常明等，計算機圖形學（第二版），華中科技大學出版社，2001。Donald Hearn, M. Pauline Baker ,“Computer Graphics (C Version)”, Prenti

2、ce Hall , 1997. James D. Foley, Andries van Dam etc., “Introduction to Computer Graphics”, Addison-Wesley, 1996 第一章 計算機圖形學概述 1.1 研究內容1.2 應用舉例1.3 發(fā)展歷史1.4 計算機圖形學的研究前沿1.1 研究內容?何謂圖形?構成圖形的要素?圖形的兩種表示法?計算機圖形學?圖形學所研究的內容圖形以及構成圖形的要素圖形：計算機圖形學的研究對象n能在人的視覺系統(tǒng)中產(chǎn)生視覺印象的客觀對象n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n幾何要素：刻畫對

3、象的輪廓、形狀等n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n點陣表示w枚舉出圖形中所有的點(強調圖形由點構成)w簡稱為圖像（數(shù)字圖像）n參數(shù)表示w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w簡稱為圖形：w圖形主要分為兩類：n基于線條信息表示n明暗圖(Shading)什么是計算機圖形學計算機圖形學計算機圖形學計算機科學中，最為活躍、得到廣泛應用的分支之一計算機圖形學的研究內容如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法，構成了計算機圖形學的主要研究內容。n圖形硬件、圖形標準、圖形交互技術、光

4、柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計算與顯示算法，以及科學計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實等。模型變換算幾何）圖像變換（圖像處理）1.2 應用舉例CAGD圖像處理計算機視覺和模式識別CAGD（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。 圖像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

5、和傳輸，圖像邊緣提取，特征增強和提取。 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。 1.3 發(fā)展歷史?歷史追溯?硬件發(fā)展圖形顯示器的發(fā)展圖形輸入設備的發(fā)展?圖形軟件及軟件標準的發(fā)展歷史追溯50年代n1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院（MIT）旋風I號（Whirlwind I）計算機的附件誕生了n1958年，美國Calcomp公司由聯(lián)機的數(shù)字記錄儀發(fā)展成滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數(shù)控機床發(fā)展成為平板式繪圖儀n50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60年代n1962年

6、，MIT林肯實驗室的I. E. Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個人機交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文-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)。n1962年，雷諾汽車公司的工程師Pierre Bzier 提出Bzier曲線、曲面的理論n1964年MIT的教授Steven 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。70年代n光柵圖形學迅速發(fā)展w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n圖形軟件標準化w1974年，ACM SIGGRAPH的與“與機器無關的圖形技術”的工作會議wAC

7、M成立圖形標準化委員會，制定“核心圖形系統(tǒng)”（Core Graphics System）wISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGSn真實感圖形學w1970年，Bouknight提出了第一個光反射模型w1971年Gourand提出“漫反射模型插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理w1975年，Phong提出了著名的簡單光照模型- Phong模型n實體造型技術w英國劍橋大學CAD小組的Build系統(tǒng)w美國羅徹斯特大學的PADL-1系統(tǒng)80年代n1980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(xiàn)Whitted模型n1984年，美國Corne

8、ll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n圖形硬件和各個分支均在這個時期飛速發(fā)展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。n標準化、集成化、智能化n多媒體技術、人工智能、科學計算可視化、虛擬現(xiàn)實n三維造型技術ACM SIGGRAPH會議小知識n全稱 “the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”n60年代中期，由Brown 大學的教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司的Sam Matsa發(fā)起n1974年，在Co

9、lorado大學召開了第一屆SIGGRAPH 年會，并取得了巨大的成功n每年只錄取大約50篇論文硬件發(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。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，使用專用的緩沖區(qū)存放點陣，由視頻控制器負責刷新掃描。 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硬件發(fā)展圖形輸入設備

10、的發(fā)展n第一階段：控制開關、穿孔紙等等n第二階段：鍵盤n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n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n第五階段：用戶的思維發(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通用的、與設備無關的圖形包，圖形標準lGKS (Graphics Kernel 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

11、 (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1.4 計算機圖形學的研究前沿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）計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）-CAD/CAM是計算機圖形學

12、在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應用領域w飛機、汽車、船舶的外形的設計w發(fā)電廠、化工廠等的布局w土木工程、建筑物的設計w電子線路、電子器件的設計w設計結果直接送至后續(xù)工藝進行加工處理，如波音777飛機的設計和加工過程奧迪效果圖和線框圖奧迪效果圖和線框圖計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）n基于工程圖紙的三維形體重建w定義：定義：從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構造出二維信息所對應的三維形體，恢復形體的點、線、面及其拓撲關系，從而實現(xiàn)形體的重建w優(yōu)勢：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技術的發(fā)展方向工程圖及其三維

13、重建結果1工程圖及其三維重建結果2可視化科學計算可視化(Scientific Visualization)n海量的數(shù)據(jù)使得人們對數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來越難，用圖形來表示數(shù)據(jù)的迫切性與日俱增n1986年，美國科學基金會（NSF）專門召開了一次研討會，會上提出了“科學計算可視化（Visualization in Scientific Computing）”n科學計算可視化廣泛應用于醫(yī)學、流體力學、有限元分析、氣象分析當中n在醫(yī)學領域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途w是機械手術和遠程手術的基礎w將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉化為三維圖像，幫助醫(yī)生判別病人體內的患處w由CT數(shù)據(jù)產(chǎn)生在人體內漫游的圖像n可視化的前沿

14、與難點w可視化硬件的研究w實時的三維體繪制w體內組織的識別分割Segmentation真實感圖形實時繪制與自然景物仿真n計算機中重現(xiàn)真實世界的場景叫做真實感繪制n真實感繪制的主要任務是模擬真實物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀，光學性質，表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置，遮擋關系等等真實感圖形實時繪制與自然景物仿真n光照模型w簡單光照模型w局部光照模型w整體光照模型n繪制方法w光線跟蹤w輻射度n加速算法w包圍體樹、自適應八叉樹等等地理信息系統(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。

15、 娛樂電腦游戲n實時性n逼實性n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 ，CS, “古墓麗影”，“侏羅紀公園”、“皇帝的新衣”、完美風暴 MAYA, 3D-MAX, SOFTIMAGE多媒體多媒體在計算機控制下，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”n計算機處理的常見媒體：文本、圖形、圖像、語音、音頻、視頻、動畫n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。Virtual Reality（虛擬現(xiàn)實、靈境）Virtual Reality 或稱虛擬環(huán)境（Virt

16、ual Environment)n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。n輸入輸出設備當前研究熱點當前研究熱點n真實感圖形實時繪制w物體網(wǎng)格模型的面片簡化：對網(wǎng)格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內，刪除點、邊、面，從而簡化所繪制場景的復雜層度，加快圖形繪制速度w基于圖像的繪制(IBR，Image 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像中生成未知視角的圖像，適用于野外極其復雜場景的生成和漫游n野外自然

17、景物的模擬w野外場景遠遠復雜于室內場景，繪制難度更大，方法更趨多樣化w主要繪制山、水、云、樹、草、火等等w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，繪制云的細胞自動機方法等由清華大學自然景物平臺生成的野外場景日本Yoshinori Dobashi等人繪制的真實感云Xfrog3.0生成的挪威云杉與計算機網(wǎng)絡技術的緊密結合n遠程醫(yī)療與診斷n遠程導航與維修n遠程教育計算機動畫計算機動畫n計算機動畫近十多年來取得了很大的發(fā)展，已滲透到人們生活的各個角落w商業(yè)廣告、影視特技/片頭、動畫片w教育、軍事、飛行模擬等n分類w二維動畫n圖象變形n形狀混合w三維動畫n關鍵幀

18、動畫n變形物體的動畫n過程動畫n關節(jié)動畫與人體動畫基于特征的圖象變形（貓變虎）用戶接口用戶接口n用戶接口是人們使用計算機的第一觀感。一個友好的圖形化的用戶界面能夠大大提高軟件的易用性n圖形學已經(jīng)全面融入計算機的方方面面，很多軟件幾乎可以不看任何說明書，而根據(jù)它的圖形、或動畫界面的指示進行操作n目前幾個大的軟件公司都在研究下一代用戶界面，開發(fā)面向主流應用的、自然、高效多通道的用戶界面。研究多通道語義模型、多通道整合算法及其軟件結構和界面范式是當前用戶界面和接口方面研究的主流方向，而圖形學在其中起主導作用。 計算機藝術計算機藝術n用計算機軟件從事藝術創(chuàng)作w二維平面的畫筆程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）w圖表繪制軟件（如Visio）w三維建模和渲染軟件包（如3DMAX，Maya）、以及一些專門生成動畫的軟件（如Alias，Softimage）w優(yōu)點：n提供多種風格的畫筆畫刷n提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖象進行霧化，變形等操作n可以任意修改，取消敗