計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第一章 緒論-PPT課件

1、2022/7/171第一章 緒論2022/7/172 Computer Graphics (CG) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究怎樣用計(jì)算機(jī)生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義： 2022/7/173 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究通過計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專門顯示設(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)和計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)上的一門邊緣學(xué)科。1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史 2022/7/1741950年，麻省理工學(xué)院MIT的Whirlwind計(jì)算機(jī)的顯示器產(chǎn)生了簡單的圖形 1962年，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的Ivan E.Sutherland 發(fā)表了一篇題為“S

2、ketchpad：一個(gè)人機(jī)交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史2022/7/17560年代 1964年MIT的教授Steven A. Coons提出了被后人稱為超限插值的新思想，通過插值四條任意的邊界曲線來構(gòu)造曲面。同樣在60年代早期，法國雷諾汽車公司的工程師Pierre Bezier研究了被后人稱為Bezier曲線、曲面的理論，成功地用于幾何外形設(shè)計(jì)，并開發(fā)了用于汽車外形設(shè)計(jì)的UNISURF系統(tǒng)。Coons方法和Bezier方法是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制圖最早的開創(chuàng)性工作。 1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史2022/7/17670年代70年代是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展過程中一個(gè)重要的

3、歷史時(shí)期。光柵圖形學(xué)算法，迅速發(fā)展起來，區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本概念、及其相應(yīng)算法紛紛誕生 70年代，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)另外兩個(gè)重要進(jìn)展是真實(shí)感圖形學(xué)和實(shí)體造型技術(shù)的產(chǎn)生。1970年Bouknight光反射模型 ；1973年開始 Build系統(tǒng)、美國羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)等實(shí)體造型系統(tǒng) 1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史2022/7/17780年代 1980年Whitted提出了一個(gè)光透視模型 1984年，美國Cornell大學(xué)和日本廣島大學(xué)的學(xué)者用輻射度方法成功地模擬了理想漫反射表面間的多重漫反射效果；大量簡單易用、價(jià)格低廉的基于圖形的硬件系統(tǒng)的出現(xiàn)，為圖形學(xué)應(yīng)用的大發(fā)展鋪平了道路，為圖形學(xué)

4、的飛速發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)，使得圖形學(xué)的各個(gè)研究方向得到充分發(fā)展，圖形學(xué)已廣泛應(yīng)用于動(dòng)畫、科學(xué)計(jì)算可視化、CAD/CAM、影視娛樂等各個(gè)領(lǐng)域。 1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史2022/7/17890年代 圖形學(xué)自身朝著標(biāo)準(zhǔn)化、集成化和智能化不斷進(jìn)步。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織推出了許多關(guān)于圖形學(xué)方面的標(biāo)準(zhǔn)，并得到了廣泛地認(rèn)同和采用 1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史2022/7/17921世紀(jì)的這幾年計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)更以其高性能價(jià)格比和優(yōu)良完善的功能進(jìn)入到社會的各個(gè)領(lǐng)域。隨著多媒體技術(shù)、人工智能與專家系統(tǒng)技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，科學(xué)計(jì)算的可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用又向計(jì)算機(jī)圖形學(xué)提出了更新的課題，三維乃至高

5、維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在真實(shí)感和實(shí)時(shí)性研究方面開始迅速發(fā)展，同時(shí)也推動(dòng)了分形圖形學(xué)的研究與應(yīng)用的發(fā)展。同時(shí)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)也在朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向繼續(xù)發(fā)展。 1.2 圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿 2022/7/1710計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)重要分支，在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用 1.2 圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿2022/7/17111計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM） 如：概念設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析、計(jì)算機(jī)仿真、計(jì)算機(jī)輔助繪圖、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程管理等 2022/7/17122022/7/17132022/7/17142022/7/17151.2 圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿2022/7/17162 科學(xué)計(jì)

6、算可視化 如果能將數(shù)據(jù)用某種圖的形式表示出來，問題變得非常清晰，有助于問題的解決。科學(xué)計(jì)算可視化是20世紀(jì)80年代中期興起的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的重要發(fā)展方向，1986年，美國科學(xué)基金會（NSF）提出了“科學(xué)計(jì)算可視化（Visualization in Scientific Computing）”。目前科學(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、信息流量，商業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，股市行情。1.2 圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿2022/7/17172022/7/17182022/7/17192022/7/17201.2 圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿2022/7/17213 地圖制圖學(xué)及地理信息系統(tǒng) 地理信息

7、系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)。地理信息系統(tǒng)是指建立在地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的關(guān)于地理信息的綜合管理信息系統(tǒng)，其核心是地圖信息的建模儲存、分析處理和圖形顯示。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是建立地理信息系統(tǒng)的重要支撐技術(shù)。 Google earth2022/7/17222022/7/17231.2 圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿2022/7/17244 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫 1.2 圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿2022/7/17255人機(jī)交互界面 計(jì)算機(jī)與人之間進(jìn)行交互通信的部分稱為人機(jī)界面 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。 1.2 圖

8、形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿2022/7/17261.2 圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿2022/7/17276 計(jì)算機(jī)藝術(shù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與其他的學(xué)科結(jié)合起來，還可以構(gòu)造出非常豐富的具有藝術(shù)特征的圖形、圖案、工藝外形以及傳統(tǒng)的繪畫作品，也就是可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行藝術(shù)的創(chuàng)作。計(jì)算機(jī)藝術(shù)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)又一個(gè)重要領(lǐng)域，借助于多種工具和繪圖軟件，可在計(jì)算機(jī)屏幕上繪出多彩的藝術(shù)圖形。借助于計(jì)算機(jī)的圖形處理功能，可以對圖形進(jìn)行一系列的技術(shù)處理，從而產(chǎn)生許多豐富多彩的畫面。 二維畫2022/7/1728光照模型2022/7/1729人工繪制2022/7/17302022/7/17312022/7/17322022/7/1733

9、2022/7/17342022/7/17352022/7/17362022/7/17377虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual reality)或稱虛擬環(huán)境（Virtual Environment）是用計(jì)算機(jī)技術(shù)來生成一個(gè)逼真的具有三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺的虛擬世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自然的技能（頭的轉(zhuǎn)動(dòng)、手的運(yùn)動(dòng)等）和某些設(shè)備（立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等）與這個(gè)虛擬世界進(jìn)行交互和瀏覽。人們通過人類自然的方式向計(jì)算機(jī)送入各種動(dòng)作信息，并且通過視覺、聽覺以及觸覺設(shè)施使人們得到三維的視覺、聽覺等感覺。隨著人們不同的動(dòng)作，這些感覺也隨之改變 1.2 圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿2022/7/17

10、382022/7/17392022/7/17401.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容 圖形：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)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(xué)方法描述的圖形等 構(gòu)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(zhì)等 計(jì)算機(jī)中表示圖形的方法點(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) 來表示圖。簡稱為圖形所研究的內(nèi)容圖形的輸入 如何開發(fā)利用圖形輸入設(shè)備及軟件將圖形輸入到計(jì)算機(jī)中去，以便作各種處理。圖形的處

11、理 包括對圖形進(jìn)行變換(幾何變換，投影變換)和運(yùn)算（集合運(yùn)算）,著色，形變等圖形的輸出 如何將圖形特定的表示形式轉(zhuǎn)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(jī)等輸出設(shè)備上輸出。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容2022/7/1743三維實(shí)體造型。 三維實(shí)體造型是如何建立模型表示自然界的三維物體的技術(shù)。三維造型包括曲面造型和立體造型。曲面造型研究在計(jì)算機(jī)中如何表示一個(gè)曲面及其顯示；立體造型研究如何在計(jì)算機(jī)中定義、表示一個(gè)三維物體；曲面造型與立體造型合稱為幾何模型造型。三維物體顯示與真實(shí)感圖形技術(shù)。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)要求真實(shí)地模擬顯示自然景象，越逼真越好。由此產(chǎn)生了許多描述自然景象的算法、數(shù)學(xué)模型

12、等。1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容2022/7/1744 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫顯示技術(shù)。 包括對實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫的各種軟件與硬件系統(tǒng)的研究，具體內(nèi)容有動(dòng)畫開發(fā)工具、動(dòng)畫語言以及動(dòng)態(tài)圖形仿真技術(shù)。圖形標(biāo)準(zhǔn)與圖形軟件包。 圖形標(biāo)準(zhǔn)與圖形軟件包可以滿足基于圖形的應(yīng)用軟件的開發(fā)， 同時(shí)又不需要直接面向硬件直接編程，方便不同系統(tǒng)之間的軟件移植。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)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）提取（計(jì)算機(jī)視覺，模式識別）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、界線模糊、相互滲透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