計(jì)算機(jī)圖形學(xué)CG01-綜述

1、1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)2第第1章章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)綜述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)綜述3本章目標(biāo)l掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本概念及研究?jī)?nèi)容掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本概念及研究?jī)?nèi)容l掌握?qǐng)D形的組成和表示掌握?qǐng)D形的組成和表示l了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展史了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展史l初步認(rèn)識(shí)與圖形相關(guān)的應(yīng)用及當(dāng)前的研究熱點(diǎn)初步認(rèn)識(shí)與圖形相關(guān)的應(yīng)用及當(dāng)前的研究熱點(diǎn)4主要內(nèi)容l1.1 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l1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用l1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展史計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展史l1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)當(dāng)前的研究熱點(diǎn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)當(dāng)前的研究熱點(diǎn) 51.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容l計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（計(jì)算機(jī)圖形

2、學(xué)（Computer Graphics）nISO定義：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)換為定義：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)換為圖形圖形，并在專門的顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)，并在專門的顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科的學(xué)科 nIEEE定義：定義： Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer通俗地講，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)就是應(yīng)用計(jì)算通俗地講，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行圖形的生成、處理和輸出。機(jī)技術(shù)進(jìn)行圖形的生成、處理和輸出。6

3、1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容l圖形（圖形（graphics）n計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對(duì)象計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對(duì)象n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u自然景物、拍攝到的圖片自然景物、拍攝到的圖片u用數(shù)學(xué)方法描述的圖形用數(shù)學(xué)方法描述的圖形(如如sin函數(shù)曲線函數(shù)曲線)n圖形可以是現(xiàn)實(shí)世界中已經(jīng)存在的物體，也可以是完全圖形可以是現(xiàn)實(shí)世界中已經(jīng)存在的物體，也可以是完全虛構(gòu)的物體虛構(gòu)的物體n本課程：是人們通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和構(gòu)造出來(lái)的，可以用本課程：是人們通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和構(gòu)造出來(lái)的，可以用計(jì)算機(jī)生成、顯示、存儲(chǔ)、處理并且輸出計(jì)算機(jī)生成、顯示、存儲(chǔ)、處理并且輸出71

4、.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容l圖形的基本要素圖形的基本要素n幾何要素幾何要素 刻畫(huà)對(duì)象的輪廓、形狀等（點(diǎn)，線，面，體）刻畫(huà)對(duì)象的輪廓、形狀等（點(diǎn)，線，面，體）n非幾何要素非幾何要素 刻畫(huà)對(duì)象的顏色、材質(zhì)等（顏色，紋理）刻畫(huà)對(duì)象的顏色、材質(zhì)等（顏色，紋理）n例如例如線框線框顏色顏色紋理紋理81.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容l表示方法表示方法n點(diǎn)陣法點(diǎn)陣法 枚舉出圖形中所有的點(diǎn)枚舉出圖形中所有的點(diǎn)(強(qiáng)調(diào)圖形由點(diǎn)構(gòu)成）強(qiáng)調(diào)圖形由點(diǎn)構(gòu)成） 簡(jiǎn)稱為簡(jiǎn)稱為圖像圖像（image）n參數(shù)法參數(shù)法 由圖形的形狀參數(shù)由圖形的形狀參數(shù)(方程或表達(dá)式的系數(shù)，線段的端點(diǎn)方程或表達(dá)式的系數(shù)，線段的端點(diǎn)坐標(biāo)等坐標(biāo)等) + 屬

5、性參數(shù)屬性參數(shù)(顏色、線型等顏色、線型等)來(lái)表示圖形來(lái)表示圖形簡(jiǎn)稱為簡(jiǎn)稱為圖形圖形（graphics）n比較（見(jiàn)下頁(yè)）比較（見(jiàn)下頁(yè)）9Graphics與與Image的比較的比較GraphicsImage1 1 數(shù)據(jù)量很少數(shù)據(jù)量很少數(shù)據(jù)量很大數(shù)據(jù)量很大2 2有結(jié)構(gòu)，便于編輯修改有結(jié)構(gòu)，便于編輯修改無(wú)結(jié)構(gòu)，不便于編輯修改無(wú)結(jié)構(gòu)，不便于編輯修改3 3能準(zhǔn)確表示能準(zhǔn)確表示3D 景物，易于生成所需的景物，易于生成所需的不同視圖不同視圖3D 景物的信息巳部分丟失，很難生景物的信息巳部分丟失，很難生成所需的不同視圖成所需的不同視圖4 4生成視圖需要復(fù)雜的計(jì)算生成視圖需要復(fù)雜的計(jì)算生成視圖不需要復(fù)雜的計(jì)算生成

6、視圖不需要復(fù)雜的計(jì)算5 5自然景物的表示很困難自然景物的表示很困難自然景物的表示不困難自然景物的表示不困難6 6國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)： GKS，PHIGS，OpenGL, WMF，VRML，CGM國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：JPEG，TIFF等等7 7編輯軟件編輯軟件(繪圖軟件繪圖軟件): AutoCAD, CorelDRAW, 3D Max等等編輯軟件編輯軟件(圖像處理軟件圖像處理軟件)：Photoshop, Photostyler等等101.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容l研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容n圖形系統(tǒng)（硬、軟、標(biāo)準(zhǔn)化）圖形系統(tǒng)（硬、軟、標(biāo)準(zhǔn)化）n基本圖形生成基本圖形生成 如何顯示點(diǎn)、線段、多邊形及圓等幾何

7、圖形如何顯示點(diǎn)、線段、多邊形及圓等幾何圖形n圖形的處理圖形的處理u幾何變換（圖形動(dòng)起來(lái)）幾何變換（圖形動(dòng)起來(lái)）u投影變換（如何顯示三維圖形）投影變換（如何顯示三維圖形）u真實(shí)感圖形真實(shí)感圖形n曲線曲面曲線曲面111.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容l相關(guān)學(xué)科相關(guān)學(xué)科n數(shù)字圖像處理、計(jì)算幾何、模式識(shí)別及計(jì)算機(jī)視覺(jué)數(shù)字圖像處理、計(jì)算幾何、模式識(shí)別及計(jì)算機(jī)視覺(jué)數(shù)數(shù)字字圖圖像像數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)模模型型圖像生成（計(jì)算機(jī)圖形學(xué)）圖像生成（計(jì)算機(jī)圖形學(xué)）模型（特征）提取模型（特征）提取（計(jì)算機(jī)視覺(jué)，模式識(shí)別）（計(jì)算機(jī)視覺(jué)，模式識(shí)別）模型變換模型變換（計(jì)算幾何）（計(jì)算幾何）圖像變換圖像變換（圖像處理）（圖像處理）發(fā)展特點(diǎn)發(fā)

8、展特點(diǎn): : 交叉、界線模糊、相互滲透交叉、界線模糊、相互滲透12計(jì)算幾何lCAGD（Computer Aided Geometric Design）n幾何形體在計(jì)算機(jī)中的表示幾何形體在計(jì)算機(jī)中的表示n分析、研究怎樣靈活方便地建立幾何形體的數(shù)學(xué)模型，分析、研究怎樣靈活方便地建立幾何形體的數(shù)學(xué)模型，提高算法效率提高算法效率n在計(jì)算機(jī)內(nèi)更好地存儲(chǔ)和管理這些模型等在計(jì)算機(jī)內(nèi)更好地存儲(chǔ)和管理這些模型等n包括研究曲線、曲面的表示、生成、拼接、數(shù)據(jù)擬合包括研究曲線、曲面的表示、生成、拼接、數(shù)據(jù)擬合13數(shù)字圖像處理lDIP（Digital Image Processing）n研究如何對(duì)一幅連續(xù)圖像采樣、量化

9、以產(chǎn)生數(shù)字圖像研究如何對(duì)一幅連續(xù)圖像采樣、量化以產(chǎn)生數(shù)字圖像n如何對(duì)數(shù)字圖像做各種變換（如傅里葉變換），以方如何對(duì)數(shù)字圖像做各種變換（如傅里葉變換），以方便處理便處理n如何濾去圖像中的無(wú)用噪聲如何濾去圖像中的無(wú)用噪聲n如何壓縮圖像數(shù)據(jù)以便存儲(chǔ)和傳輸；圖像邊緣提??；如何壓縮圖像數(shù)據(jù)以便存儲(chǔ)和傳輸；圖像邊緣提取；圖像增強(qiáng)等圖像增強(qiáng)等n圖像恢復(fù)與重建圖像恢復(fù)與重建恢復(fù)恢復(fù)14模式識(shí)別lPattern Recognitionn從圖像中抽取的統(tǒng)計(jì)特性或結(jié)構(gòu)信息，從而把圖像分成從圖像中抽取的統(tǒng)計(jì)特性或結(jié)構(gòu)信息，從而把圖像分成預(yù)定的類別預(yù)定的類別 n如印刷體文字識(shí)別、指紋識(shí)別等如印刷體文字識(shí)別、指紋識(shí)別等1

10、5計(jì)算機(jī)視覺(jué)lComputer Visionn計(jì)算機(jī)視覺(jué)就是用各種成像系統(tǒng)代替視覺(jué)器官作為輸入計(jì)算機(jī)視覺(jué)就是用各種成像系統(tǒng)代替視覺(jué)器官作為輸入敏感手段，由計(jì)算機(jī)來(lái)代替大腦完成處理和解釋敏感手段，由計(jì)算機(jī)來(lái)代替大腦完成處理和解釋n核心技術(shù)：分析和識(shí)別輸入的圖像并從中提取二維或三核心技術(shù)：分析和識(shí)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）維的數(shù)據(jù)模型（特征）-n如機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)如機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng) n可以看做是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的逆過(guò)程可以看做是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的逆過(guò)程161.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用l圖形用戶界面（圖形用戶界面（GUI）l計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）l科學(xué)可視化（科學(xué)可視化（

11、 Scientific Visualization ）l計(jì)算機(jī)藝術(shù)（計(jì)算機(jī)藝術(shù)（Computer Art）l地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)(GIS)l計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、廣告及娛樂(lè)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、廣告及娛樂(lè)l多媒體系統(tǒng)（多媒體系統(tǒng)（Multimedia）l虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(Virtual Reality)171.2.1圖形用戶界面圖形用戶界面l人機(jī)界面人機(jī)界面(HCI：Human Computer Interface)n人與計(jì)算機(jī)間的通信，由軟件與硬件組成人與計(jì)算機(jī)間的通信，由軟件與硬件組成n發(fā)展發(fā)展u操縱板：指示燈與機(jī)械開(kāi)關(guān)操縱板：指示燈與機(jī)械開(kāi)關(guān)u字符界面：字符界面：DOS。終端與鍵盤。終端與鍵盤u

12、圖形用戶界面：圖形用戶界面：Windows，XWindows等等l圖形用戶界面圖形用戶界面(GUI：Graphical User Interface)n圖形直觀易記，操作簡(jiǎn)捷圖形直觀易記，操作簡(jiǎn)捷n編程容易（如編程容易（如VC+開(kāi)發(fā)環(huán)境）開(kāi)發(fā)環(huán)境）l發(fā)展發(fā)展n自然、高效多通道的用戶界面（語(yǔ)音，視覺(jué)等）自然、高效多通道的用戶界面（語(yǔ)音，視覺(jué)等）n沒(méi)有界面的用戶界面（類似人與人間的交流）沒(méi)有界面的用戶界面（類似人與人間的交流）181.2.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)lCAD：Computer Aided Designn交互式圖形生成技術(shù)用來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)械、電子設(shè)備等產(chǎn)品的交互式圖形生成技術(shù)用來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)械

13、、電子設(shè)備等產(chǎn)品的元部件和系統(tǒng)以及工程建筑元部件和系統(tǒng)以及工程建筑u表示與顯示表示與顯示u性能分析計(jì)算性能分析計(jì)算u修改設(shè)計(jì)修改設(shè)計(jì)l應(yīng)用應(yīng)用n汽車、飛機(jī)和船體的外殼汽車、飛機(jī)和船體的外殼n模具、大規(guī)模集成電路模具、大規(guī)模集成電路n光學(xué)系統(tǒng)、民用建筑、服裝、玩具等光學(xué)系統(tǒng)、民用建筑、服裝、玩具等l主要軟件主要軟件nAutoCAD， Pro/E， 3DS，Maya,。19實(shí)例120實(shí)例2211.2.3 科學(xué)可視化 lScientific Visualizationn1986年，美國(guó)科學(xué)基金會(huì)（年，美國(guó)科學(xué)基金會(huì)（NSF）專門召開(kāi)了一次研討）專門召開(kāi)了一次研討會(huì)，會(huì)上提出了會(huì)，會(huì)上提出了“科學(xué)計(jì)算

14、可視化（科學(xué)計(jì)算可視化（Visualization in Scientific Computing）”n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n目標(biāo)：用圖形表現(xiàn)抽象的數(shù)據(jù)目標(biāo)：用圖形表現(xiàn)抽象的數(shù)據(jù)n應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)圖像重建，遙感，流場(chǎng)、氣象、核爆模應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)圖像重建，遙感，流場(chǎng)、氣象、核爆模擬擬。l信息可視化信息可視化n信息流量信息流量n商業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)商業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)n股市行情股市行情n22實(shí)例餅圖：反映餅圖：反映市場(chǎng)份額市場(chǎng)份額直方圖直方圖:反映圖像反映圖像中像素亮度分布中像素亮度分布23實(shí)例l醫(yī)療：建立人體的三維模型（數(shù)字人或虛擬人），醫(yī)療

15、：建立人體的三維模型（數(shù)字人或虛擬人），可用于觀察內(nèi)外器官可用于觀察內(nèi)外器官241.2.4 計(jì)算機(jī)藝術(shù)lComputer Artn將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與人工智能技術(shù)結(jié)合起來(lái)，可構(gòu)造出豐將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與人工智能技術(shù)結(jié)合起來(lái)，可構(gòu)造出豐富多彩的藝術(shù)圖象富多彩的藝術(shù)圖象n根據(jù)設(shè)定的規(guī)則，可以構(gòu)造出形狀各異的多種圖案，并根據(jù)設(shè)定的規(guī)則，可以構(gòu)造出形狀各異的多種圖案，并實(shí)現(xiàn)合理的顏色配置實(shí)現(xiàn)合理的顏色配置n可以利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)生成盆景和書(shū)法可以利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)生成盆景和書(shū)法25實(shí)例261.2.5 地理信息系統(tǒng)lGIS（Geographical Information System）n建立在地理圖形之上

16、的關(guān)于各種資源的綜合信息管理系統(tǒng)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)n人口、礦藏、森林、旅游等資源人口、礦藏、森林、旅游等資源n包含：地理圖、地形圖、礦藏分布圖、海洋地理圖、氣象包含：地理圖、地形圖、礦藏分布圖、海洋地理圖、氣象圖，植被分布圖等圖，植被分布圖等l應(yīng)用應(yīng)用n軍事，政府決策，旅游，軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查資源調(diào)查271.2.6 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、廣告及娛樂(lè)l計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)n計(jì)算機(jī)生成的場(chǎng)景可單獨(dú)顯示，也可以與演員及實(shí)際場(chǎng)計(jì)算機(jī)生成的場(chǎng)景可單獨(dú)顯示，也可以與演員及實(shí)際場(chǎng)景混合顯示，以生成各種逼真的虛擬場(chǎng)景畫(huà)面和特技效景混合顯示，以生成各種逼真的虛擬場(chǎng)景畫(huà)面和特技效

17、果，從而為人們提供一個(gè)充分展示個(gè)人想象力和藝術(shù)才果，從而為人們提供一個(gè)充分展示個(gè)人想象力和藝術(shù)才能的空間能的空間l電視廣告，節(jié)目片頭，科教演示電視廣告，節(jié)目片頭，科教演示l娛樂(lè)：娛樂(lè)：gameToy Story 成為第成為第一部全三維計(jì)算機(jī)一部全三維計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)特點(diǎn)的電影動(dòng)畫(huà)特點(diǎn)的電影28實(shí)例：變形效果l許多商業(yè)廣告中一種常用的圖形方法是變形，可以許多商業(yè)廣告中一種常用的圖形方法是變形，可以將一個(gè)物體轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)物體將一個(gè)物體轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)物體291.2.7 多媒體系統(tǒng)lMultimedia Systemn多媒體技術(shù)就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，把多種媒體綜合在一多媒體技術(shù)就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，把多種媒體綜合

18、在一起，使之建立起邏輯上的聯(lián)系，并能對(duì)它們進(jìn)行各種處起，使之建立起邏輯上的聯(lián)系，并能對(duì)它們進(jìn)行各種處理。（具有處理多種媒體的能力）理。（具有處理多種媒體的能力）n媒體：文本、圖形、圖像、聲音、動(dòng)畫(huà)和視頻媒體：文本、圖形、圖像、聲音、動(dòng)畫(huà)和視頻n軟硬件軟硬件u海量存儲(chǔ)海量存儲(chǔ)u高傳輸率高傳輸率u高計(jì)算能力高計(jì)算能力n交互性交互性301.2.8 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)lVR（Virtual Reality)n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)、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

19、和某些設(shè)備對(duì)這一生成的虛擬世發(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進(jìn)行瀏覽和交互考察界進(jìn)行瀏覽和交互考察n特點(diǎn)：特點(diǎn)： 逼真的環(huán)境逼真的環(huán)境; 自然的交互自然的交互31實(shí)例：輸入輸出設(shè)備l主要有：頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等主要有：頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等321.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展史l特點(diǎn)：計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展推動(dòng)了圖形學(xué)的研究特點(diǎn)：計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展推動(dòng)了圖形學(xué)的研究l內(nèi)容：內(nèi)容：n學(xué)科發(fā)展歷程學(xué)科發(fā)展歷程n硬件發(fā)展硬件發(fā)展u圖形顯示器的發(fā)展圖形顯示器的發(fā)展u圖形輸入設(shè)備的發(fā)展圖形輸入設(shè)備的發(fā)展n軟件及軟件標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展軟件及軟件標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展331.3.1 學(xué)科發(fā)展歷程l誕生：誕生：50年代年代n1

20、950年，第一臺(tái)圖形顯示器作為美國(guó)麻省理工學(xué)院年，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)）旋風(fēng)I號(hào)（號(hào)（Whirlwind I）計(jì)算機(jī)的附件誕生）計(jì)算機(jī)的附件誕生- CRT的出現(xiàn)為計(jì)算機(jī)生成和顯示圖形提供了可能。的出現(xiàn)為計(jì)算機(jī)生成和顯示圖形提供了可能。n1958年，美國(guó)年，美國(guó)Calcomp公司由聯(lián)機(jī)的數(shù)字記錄儀發(fā)展成公司由聯(lián)機(jī)的數(shù)字記錄儀發(fā)展成滾筒式繪圖儀，滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數(shù)控機(jī)床式繪圖儀發(fā)展成公司把數(shù)控機(jī)床式繪圖儀發(fā)展成為平板式繪圖儀。為平板式繪圖儀。nMIT林肯實(shí)驗(yàn)室，在林肯實(shí)驗(yàn)室，在Whirlwind上開(kāi)發(fā)上開(kāi)發(fā)SAGE空中防御系空中防御系統(tǒng)，通過(guò)光筆在屏幕

21、上指點(diǎn)與系統(tǒng)交互。統(tǒng)，通過(guò)光筆在屏幕上指點(diǎn)與系統(tǒng)交互。-標(biāo)志著交互標(biāo)志著交互式圖形技術(shù)的誕生式圖形技術(shù)的誕生341.3.1 學(xué)科發(fā)展歷程l確立：確立： 60年代年代n1962年年MIT林肯室驗(yàn)室林肯室驗(yàn)室Ivan E. Sutherland的博士論文：的博士論文：Sketchpad：一個(gè)人機(jī)通信的圖形系統(tǒng)。首次提出：一個(gè)人機(jī)通信的圖形系統(tǒng)。首次提出“Computer Graphics”一詞一詞n1962年，雷諾汽車公司的工程師年，雷諾汽車公司的工程師Pierre Bzier 提出提出Bzier曲線、曲面的理論曲線、曲面的理論n1964年年MIT的教授的教授Steven A. Coons提出了超

22、限插值的新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。思想，通過(guò)插值四條任意的邊界曲線來(lái)構(gòu)造曲面。n大公司開(kāi)展大規(guī)模研究（通用、大公司開(kāi)展大規(guī)模研究（通用、AT&T、BELL）351.3.1 學(xué)科發(fā)展歷程l理論發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)化：理論發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)化：70年代年代n光柵圖形學(xué)迅速發(fā)展光柵圖形學(xué)迅速發(fā)展u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)算法紛紛誕生生n真實(shí)感圖形學(xué)真實(shí)感圖形學(xué)u1970年，年，Bouknight提出了第一個(gè)光反射模型提出了第一個(gè)光反射模型u1971年年Gourand提出提出“漫反射模型插值漫反射模型

23、插值”的思想，被稱為的思想，被稱為Gourand明暗處理明暗處理u1975年，年，Phong提出了著名的簡(jiǎn)單光照模型提出了著名的簡(jiǎn)單光照模型- Phong模型模型361.3.1 學(xué)科發(fā)展歷程l理論發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)化：理論發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)化：70年代年代n實(shí)體造型技術(shù)實(shí)體造型技術(shù)u英國(guó)劍橋大學(xué)英國(guó)劍橋大學(xué)CAD小組的小組的Build系統(tǒng)系統(tǒng)u美國(guó)羅徹斯特大學(xué)的美國(guó)羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)系統(tǒng)n圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化u1974年，年，ACM SIGGRAPH的與的與“與機(jī)器無(wú)關(guān)的圖形技術(shù)與機(jī)器無(wú)關(guān)的圖形技術(shù)”的的工作會(huì)議工作會(huì)議uACM成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，制定成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，制定“核心圖形

24、系統(tǒng)核心圖形系統(tǒng)”（Core Graphics System）uISO發(fā)布發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS371.3.1 學(xué)科發(fā)展歷程l實(shí)用化：實(shí)用化：80年代年代n更完備的硬件系統(tǒng)，個(gè)人計(jì)算機(jī)、工作站系統(tǒng)更完備的硬件系統(tǒng)，個(gè)人計(jì)算機(jī)、工作站系統(tǒng)n大量圖形應(yīng)用軟件出現(xiàn)大量圖形應(yīng)用軟件出現(xiàn)n圖形硬件設(shè)備十分昂貴，且基于圖形的應(yīng)用相對(duì)較少圖形硬件設(shè)備十分昂貴，且基于圖形的應(yīng)用相對(duì)較少l廣泛應(yīng)用：廣泛應(yīng)用：90年代后年代后n標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化n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)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)n三維造型技術(shù)三維造型技術(shù)n硬件集

25、成化大幅提高：硬件集成化大幅提高：GPU（nVidia 和和 ATI圖形加速硬圖形加速硬件公司）件公司）381.3.2 圖形顯示設(shè)備的發(fā)展l60年代中期年代中期n畫(huà)線顯示器（亦稱矢量顯示器）需要刷新。較高分辨率和對(duì)比度，畫(huà)線顯示器（亦稱矢量顯示器）需要刷新。較高分辨率和對(duì)比度，良好的動(dòng)態(tài)性能。設(shè)備昂貴，限制普及。良好的動(dòng)態(tài)性能。設(shè)備昂貴，限制普及。l60年代后期年代后期n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。形功能，不適合交互式。l70年代初年代初n刷新式光柵掃描顯示器。以點(diǎn)陣形式表示圖形，使用

26、專用的緩沖區(qū)刷新式光柵掃描顯示器。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。大大地推動(dòng)了交互式圖形存放點(diǎn)陣，由視頻控制器負(fù)責(zé)刷新掃描。大大地推動(dòng)了交互式圖形技術(shù)的發(fā)展。技術(shù)的發(fā)展。l90年代后年代后n液晶和等離子顯示器液晶和等離子顯示器n新的顯示設(shè)備新的顯示設(shè)備39實(shí)例l立體眼鏡立體眼鏡40l第一階段：控制開(kāi)關(guān)、穿孔紙等等第一階段：控制開(kāi)關(guān)、穿孔紙等等l第二階段：鍵盤第二階段：鍵盤l第三階段：二維定位設(shè)備第三階段：二維定位設(shè)備n鼠標(biāo)、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等，語(yǔ)音鼠標(biāo)、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等，語(yǔ)音n操縱桿操縱桿l第四階段：三維輸入設(shè)備第四階段：三維輸入設(shè)

27、備n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(將來(lái)將來(lái))l第五階段：用戶的思維第五階段：用戶的思維(將來(lái)將來(lái))1.3.3 圖形輸入設(shè)備的發(fā)展41l數(shù)據(jù)手套（主要部件是傳感器）數(shù)據(jù)手套（主要部件是傳感器）實(shí)例42l數(shù)據(jù)衣（主要部件是傳感器）數(shù)據(jù)衣（主要部件是傳感器）實(shí)例43l三種類型的計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)三種類型的計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)n用某種語(yǔ)言寫(xiě)成的子程序包用某種語(yǔ)言寫(xiě)成的子程序包uGKS (Graphics Kernel System) uPHIGS(Programmers Hierarchical Interactive Graphics

28、 system )uGL (Graphics Language )u便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對(duì)較慢，效率低便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對(duì)較慢，效率低n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uTurbo Pascal、Turbo C，Visual C（GDI）等。）等。 u簡(jiǎn)練、緊湊、執(zhí)行速度快，但不可移植簡(jiǎn)練、緊湊、執(zhí)行速度快，但不可移植n專用圖形系統(tǒng)：效率高，但系統(tǒng)開(kāi)發(fā)量大，可移植性差專用圖形系統(tǒng)：效率高，但系統(tǒng)開(kāi)發(fā)量大，可移植性差1.3.4 圖形軟件及軟件標(biāo)準(zhǔn)44lISO標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)nGKS (Graphics Kernel System)

29、 (第一個(gè)官方標(biāo)準(zhǔn)，第一個(gè)官方標(biāo)準(zhǔn)，1977)nGKS-3DnPHIGS(Programmers Hierarchical Iuteractive Graphics system)nCGM、 CGI、IGES、STEP（討論中）（討論中）l行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)nOpenGL (SGI)：工業(yè)界；平臺(tái)無(wú)關(guān)：工業(yè)界；平臺(tái)無(wú)關(guān)nDirectX (MS)：娛樂(lè)界；：娛樂(lè)界；Widows平臺(tái)平臺(tái)nXlib (X財(cái)團(tuán)財(cái)團(tuán))：XWidowsnPostscript (Adobe)：印刷業(yè)：印刷業(yè)1.3.4 圖形軟件及軟件標(biāo)準(zhǔn)45l造型技術(shù)造型技術(shù)l真實(shí)感圖形繪制技術(shù)真實(shí)感圖形繪制技術(shù)l人機(jī)交互技術(shù)人機(jī)交互技術(shù)l與

30、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的緊密結(jié)合與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的緊密結(jié)合1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)當(dāng)前的研究熱點(diǎn)46l規(guī)則形體：歐氏幾何方法規(guī)則形體：歐氏幾何方法l不規(guī)則形體：不規(guī)則形體：n分形幾何方法分形幾何方法n粒子系統(tǒng)粒子系統(tǒng)n紋理映射紋理映射n實(shí)體造型實(shí)體造型n基于物理的造型基于物理的造型n基于圖像的造型基于圖像的造型1.4.1 造型（建模）技術(shù)計(jì)算機(jī)生成計(jì)算機(jī)生成的挪威云杉的挪威云杉47l奧迪汽車效果圖和線框圖奧迪汽車效果圖和線框圖實(shí)例48實(shí)例l基于視覺(jué)的實(shí)體建?；谝曈X(jué)的實(shí)體建模Wojciech MatusikMIT Laboratory for Computer Science49實(shí)例l基于視覺(jué)的實(shí)體建模原

31、理基于視覺(jué)的實(shí)體建模原理50l光照明模型光照明模型n簡(jiǎn)單光照模型簡(jiǎn)單光照模型; 局部光照模型局部光照模型; 整體光照模型整體光照模型l繪制算法繪制算法n光線跟蹤光線跟蹤; 輻射度輻射度l快速算法快速算法n包圍體樹(shù)、自適應(yīng)八叉樹(shù)等等包圍體樹(shù)、自適應(yīng)八叉樹(shù)等等l例子例子1.4.2 真實(shí)感圖形繪制技術(shù)51實(shí)例52lHuman-Computer Interaction Techniquesn是指通過(guò)計(jì)算機(jī)輸入、輸出設(shè)備，以有效的方式實(shí)現(xiàn)人是指通過(guò)計(jì)算機(jī)輸入、輸出設(shè)備，以有效的方式實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)對(duì)話的技術(shù)與計(jì)算機(jī)對(duì)話的技術(shù)l 包括包括n機(jī)器通過(guò)輸出或顯示設(shè)備給人提供大量有關(guān)信息及提示機(jī)器通過(guò)輸出或顯示設(shè)備給人提供大量有關(guān)信息及提示請(qǐng)示等請(qǐng)示等n人通過(guò)輸入設(shè)備給機(jī)器輸入有關(guān)信息等人通過(guò)輸入設(shè)備給機(jī)器輸入有關(guān)信息等l發(fā)展發(fā)展n多通道交互（利用人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等）多通道交互（利用人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等）n交互的精確性（計(jì)算機(jī)的理解能力）交互的精確性（計(jì)算機(jī)的理解能力）1.4.3 人機(jī)交互技術(shù)人機(jī)交互技術(shù)53l遠(yuǎn)程醫(yī)療與診斷遠(yuǎn)程醫(yī)療與診斷l(xiāng)遠(yuǎn)程導(dǎo)航與維修遠(yuǎn)程導(dǎo)航與維修l遠(yuǎn)程教育遠(yuǎn)程教育lVRML（虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言：（虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言：Virtual Reality Modeling Language）1.4.4 與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的緊密結(jié)合與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的緊密結(jié)合54l機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)n中