計算機(jī)圖形學(xué)課件第0講簡介匯編

1、計算機(jī)圖形學(xué)簡介1講授：鄧浩 講師haodengComputer GraphicsWhy?What?About2Computer GraphicsGraphicsfrom Greek graphikosderived from the word graphExamples are photographs, drawings, Line Art, graphs, diagrams, typography, numbers, symbols, geometric designs, maps, engineering drawings, or other images.“Graphics are v

2、isual presentations on some surface, such as a wall, canvas, screen, paper, or stone to brand, inform, illustrate, or entertain” -from wikipedia圖案、圖形、圖樣、圖片【計算機(jī)】圖形學(xué)【建筑工程】制圖學(xué)3Computer GraphicsWhy?What?About4Why Computer Graphics?“One picture is worth a thousand words”（一圖勝萬言）Why Computer Graphics?“One

3、picture is worth a thousand words”（一圖勝萬言）腦血腫6Why Computer Graphics?“One picture is worth a thousand words”（一圖勝萬言）刮痕癥7Why Computer Graphics?視覺是人類最為重要的感官人腦中有相當(dāng)區(qū)域負(fù)責(zé)處理視覺信息Why Computer Graphics?人腦的一個重要功能是處理視覺信息Why Computer Graphics?人類的視覺好于其他大多數(shù)動物Computer GraphicsWhy?What?About11Computer GraphicsShowing p

4、hotos, picturesComputer GraphicsPresenting information 13Computer GraphicsCurves (曲線)Surfaces (曲面)Computer GraphicsMagnetic resonance tomography images(核磁共振影像)15Computer GraphicsGraphics User InterfaceComputer GraphicsSynthesizing images (圖像合成)Computer GraphicsComputer GraphicsComputer GraphicsCompu

5、ter GraphicsComputer GraphicsComputer GraphicsComputer GraphicsComputer GraphicsMovie玩具總動員Toy Story (1995)Computer GraphicsMovieComputer GraphicsComputer GraphicsComputer GamesComputer GraphicsSimulation (模擬與仿真)Computer GraphicsCAD/CAMComputer GraphicsCAD/CAMComputer GraphicsVirtual reality (虛擬現(xiàn)實)Co

6、mputer GraphicsArchitectureComputer GraphicsVisualization（可視化）340.17 0.19 0.15 0.14 0.14 0.15 0.16 0.22 0.25 0.16 0.16 0.15 0.23 0.25 0.31 0.17 0.23 0.45 0.44 0.40 0.41 0.38 0.40 0.46 0.47 0.48 0.42 0.31 0.24 0.29 Computer GraphicsComputer GraphicsMedicine data visualizationComputer GraphicsSpatial

7、data visualizationComputer GraphicsGISComputer GraphicsGISComputer Graphics3D Geological Modeling歷史1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學(xué)院（MIT）旋風(fēng)I號（Whirlwind I）計算機(jī)的附件誕生 CRT（陰極射線管）的出現(xiàn)為計算機(jī)生成和顯示圖形提供了可能歷史1958年，美國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)床式繪圖儀發(fā)展成為平板式繪圖儀。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(biāo)

8、志著交互式圖形技術(shù)的誕生歷史計算機(jī)圖形學(xué)的確立1962年MIT林肯室驗室Ivan E. Sutherland的博士論文：Sketchpad：一個人機(jī)通信的圖形系統(tǒng)。首次提出“Computer Graphics”一詞Ivan E. Sutherland (1938-)PhD MITMS CITBachelor Carnegie 1988年圖靈獎美國兩院院士CAD之父曾為美國國防部信息處理辦公室領(lǐng)導(dǎo)人1964年起，先后在哈佛、Utah、Catech工作。并創(chuàng)辦Evan & Sutherland公司歷史1962年，雷諾汽車公司的工程師Pierre Bzier 總結(jié)提出Bzier曲線、曲面的理論至今最

9、常用的曲線曲面歷史1970年代光柵圖形學(xué)快速發(fā)展，相應(yīng)算法紛紛誕生scan conversion(掃描轉(zhuǎn)化)clipping (裁減) hidden surface removal (消除隱藏面)歷史1970年代真實感圖形學(xué)1970年，Bouknight提出了第一個光反射模型1971年Gourand提出“漫反射模型插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理1975年，Phong提出了著名的簡單光照模型- Phong模型歷史理論發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)化：70年代實體造型技術(shù)英國劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng)美國羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化1974年，ACM SIGGRAPH召開與“與機(jī)器

10、無關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會議ACM成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會，制定“核心圖形系統(tǒng)”（Core Graphics System）ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS歷史80年代（光線跟蹤和輻射度模型）1980年，Whitted 提出了首個光線跟蹤模型，包括光的反射和折射效果在圖形學(xué)中具有的里程碑意義歷史盡管光線跟蹤算法成功地模擬了景物表面間的鏡面反射、規(guī)則透射及陰影等整體光照效果，但卻無法很好到模擬物體相互輝映效果1984年，美國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算機(jī)圖形學(xué)中，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。輻射度方法是繼光線跟

11、蹤算法后，真實感圖形繪制技術(shù)的一個重要進(jìn)展。歷史歷史實用化：80年代更完備的硬件系統(tǒng)，個人計算機(jī)、工作站系統(tǒng)大量圖形應(yīng)用軟件出現(xiàn)圖形硬件設(shè)備十分昂貴，且基于圖形的應(yīng)用相對較少廣泛應(yīng)用：90年代后標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化多媒體技術(shù)、人工智能、科學(xué)計算可視化、虛擬現(xiàn)實三維造型技術(shù)硬件集成化大幅提高：GPU（nVidia 、ATI、3DFX圖形加速硬件公司）圖形設(shè)備53VideoControllerMonitorCPUFrame bufferSystemmemoryPeripheral devicesSystem busDisplay processor圖形設(shè)備Graphic Card (Video

12、Card)圖形顯示設(shè)備60年代中期畫線顯示器（亦稱矢量顯示器）需要刷新。較高分辨率和對比度，良好的動態(tài)性能。設(shè)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。70年代初刷新式光柵掃描顯示器。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(fù)責(zé)刷新掃描。大大地推動了交互式圖形技術(shù)的發(fā)展。90年代后液晶和等離子顯示器當(dāng)前移動設(shè)備小型化：眼鏡？圖形顯示設(shè)備圖形輸入設(shè)備第一階段：控制開關(guān)、穿孔紙等等第二階段：鍵盤第三階段：二維定位設(shè)備鼠標(biāo)、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等，語音操縱桿第四階段：三維輸入設(shè)備如空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣，用

13、戶的手勢、表情等第五階段：用戶的思維(將來)圖形輸入設(shè)備圖形輸入設(shè)備圖形輸入設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)ISO標(biāo)準(zhǔn)GKS (Graphics Kernel System) (第一個官方標(biāo)準(zhǔn)，1977)GKS-3DPHIGS (Programmers Hierarchical Iuteractive Graphics system)CGM、 CGI、IGES、STEP（討論中）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OpenGL (SGI)：工業(yè)界；平臺無關(guān)DirectX (MS)：娛樂界；Windows平臺Xlib (X財團(tuán))：XWindowsPostscript (Adobe)：印刷業(yè)計算機(jī)圖形學(xué)計算機(jī)圖形學(xué)（Computer Graphic

14、s）ISO定義：計算機(jī)圖形學(xué)是研究通過計算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，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 IEEE定義： Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer通俗地講，計算機(jī)圖形學(xué)就是應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行圖形的生成、處理和輸出。圖形（graphics）計算機(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自然景物、拍攝到的圖片用數(shù)學(xué)方法描述的圖形圖形可以是現(xiàn)實世界中已經(jīng)存在的物體，也可以是完全虛構(gòu)的物體圖形（graphics）圖形的

15、基本要素幾何要素 刻畫對象的輪廓、形狀等（點，線，面，體）非幾何要素 刻畫對象的顏色(color)、材質(zhì)(material) 、紋理(texture)等例如線框顏色紋理圖形（graphics）表示方法點陣法 枚舉出圖形中所有的點(強(qiáng)調(diào)圖形由點構(gòu)成） 簡稱為圖像（image）如GIS柵格數(shù)據(jù)參數(shù)法 由圖形的形狀參數(shù)(方程或表達(dá)式的系數(shù)，線段的端點坐標(biāo)等) + 屬性參數(shù)(顏色、線型等)來表示圖形簡稱為圖形（graphics）如GIS矢量數(shù)據(jù)圖形（graphics）GraphicsImage1 數(shù)據(jù)量很少數(shù)據(jù)量很大2有結(jié)構(gòu)，便于編輯修改無結(jié)構(gòu)，不便于編輯修改3能準(zhǔn)確表示3D 景物，易于生成所需的不同

16、視圖3D 景物的信息已部分丟失，很難生成所需的不同視圖4生成視圖需要復(fù)雜的計算生成視圖不需要復(fù)雜的計算5自然景物的表示很困難自然景物的表示不困難6國際標(biāo)準(zhǔn)： GKS，PHIGS，OpenGL, WMF，VRML，CGM國際標(biāo)準(zhǔn)：JPEG，TIFF等7編輯軟件(繪圖軟件): AutoCAD, CorelDRAW, 3D Max等編輯軟件(圖像處理軟件)：Photoshop, Photostyler等計算機(jī)圖形學(xué)建模與繪制！建模圖形變換實體造型幾何處理顯示基本幾何圖形顯示(直線、圓)/裁剪/消隱真實感圖形光照陰影紋理計算機(jī)圖形學(xué)實體造型68計算機(jī)圖形學(xué)幾何處理（配準(zhǔn)）69幾何處理（網(wǎng)格化）70計算

17、機(jī)圖形學(xué)幾何處理（圖形形變）71計算機(jī)圖形學(xué)幾何處理（參數(shù)化）72計算機(jī)圖形學(xué)幾何處理（圖形分割）73計算機(jī)圖形學(xué)圖形變換74基本幾何圖形的繪制75計算機(jī)圖形學(xué)繪制（光照明）76計算機(jī)圖形學(xué)繪制（陰影）77計算機(jī)圖形學(xué)繪制（紋理）78計算機(jī)圖形學(xué)繪制（光照明）79計算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)學(xué)科數(shù)字圖像處理、計算幾何、模式識別及計算機(jī)視覺數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型圖像生成（計算機(jī)圖形學(xué)）模型（特征）提取（計算機(jī)視覺，模式識別）模型變換（計算機(jī)圖形學(xué)）（計算幾何）圖像變換（圖像處理）發(fā)展特點: 交叉、界線模糊、相互滲透計算機(jī)圖形學(xué) VS 地理信息系統(tǒng)計算機(jī)圖形學(xué)是利用計算機(jī)研究圖形的表示、生成、處理和顯示的學(xué)科（孫家

18、廣、胡事民，2009）地理信息系統(tǒng)是在計算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)從與計算機(jī)軟件的角度來說 經(jīng)典地理信息系統(tǒng) =（空間）數(shù)據(jù)庫 + 計算機(jī)圖形（圖像）系統(tǒng) + 空間分析功能（地圖投影功能）學(xué)術(shù)活動機(jī)構(gòu)美國計算機(jī)學(xué)會（ACM）圖形學(xué)專業(yè)委員會IEEE：Technical Committee on Computer Graphics中國計算機(jī)協(xié)會計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué) 專業(yè)委員會中國圖形圖像學(xué)會學(xué)術(shù)活動會議ACM Siggraph, Eurographics, Pacific Graphi

19、csSymposium on Geometric Processing, Eurographics Symposium on RenderingComputer Graphics International, CASA,Graphics Interface, Rendering workshop, 期刊ACM Transaction on GraphicsIEEE Transaction on Visualization and Computer GraphicsComputer Graphics Forum IEEE Computer Graphics and ApplicationCAD, CAGD, Graphical Models The Visual Computer學(xué)術(shù)活動ACM SIGGRAPHFull: ”the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”In 1967, professor van Dam at Brown Unversity and Sam Masta of IBM Corporation co-founded SIGGRAPHI