計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第1章電子教案

教學(xué)要求了解圖形系統(tǒng)的框架及其涉及的軟件、硬件技術(shù)；了解圖形學(xué)的基本問題，駕馭圖形學(xué)的基本概念、方法與算法；對與圖形相關(guān)的應(yīng)用及當(dāng)前的探討熱點(diǎn)有一個(gè)初步相識(shí)；具有確定實(shí)踐體會(huì)和相關(guān)的編程實(shí)力。2023/3/81河北農(nóng)業(yè)高校張玉新課程內(nèi)容緒論圖形設(shè)備用戶接口與交互式技術(shù)圖形表示與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本圖形生成算法二維圖形變換及二維視察三維圖形變換及三維視察*高級話題：曲線和曲面、消隱、真實(shí)感圖形顯示*2023/3/82河北農(nóng)業(yè)高校張玉新主要參考書目陳傳波，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)，電子工業(yè)出版社何援軍，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社李東，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)好用教程，人民郵電出版社孫家廣，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（第三版），清華高校出版社王汝傳，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，人民郵電出版社中國圖形圖像學(xué)報(bào)等2023/3/83河北農(nóng)業(yè)高校張玉新成果評定方法平常成果＋試驗(yàn)＋筆試2023/3/84河北農(nóng)業(yè)高校張玉新第1章緒論提出問題什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)？計(jì)算機(jī)圖形學(xué)探討的對象是什么？計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展？計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用？………2023/3/85河北農(nóng)業(yè)高校張玉新1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及它與其他學(xué)科的關(guān)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（ComputerGraphics） 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是探討怎樣利用計(jì)算機(jī)來顯示、生成和處理圖形的原理、方法和技術(shù)的一門學(xué)科。 IEEE定義：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.2023/3/86河北農(nóng)業(yè)高校張玉新計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與傳統(tǒng)理論：交叉、界線模糊、相互滲透計(jì)算幾何CAGD(計(jì)算機(jī)協(xié)助幾何設(shè)計(jì))靠近論（計(jì)算數(shù)學(xué)）微分幾何形態(tài)學(xué)2023/3/87河北農(nóng)業(yè)高校張玉新圖形圖象處理的相關(guān)學(xué)科

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)試圖從非圖象形式的數(shù)據(jù)描述來生成（逼真的）圖象。

數(shù)字圖象處理旨在對圖象進(jìn)行各種加工以改善圖象的視覺效果。

計(jì)算機(jī)視覺是探討用計(jì)算機(jī)來模擬生物外顯或宏觀視覺功能的科學(xué)和技術(shù)。2023/3/88河北農(nóng)業(yè)高校張玉新圖象識(shí)別反求工程CAGD2023/3/89河北農(nóng)業(yè)高校張玉新

通常意義下的圖形： 能夠在人的視覺系統(tǒng)中形成視覺印象的客觀對象都稱為圖形。1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的探討對象——圖形2023/3/810河北農(nóng)業(yè)高校張玉新圖形的要素 幾何要素和非幾何要素計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中所探討的圖形 從客觀世界物體中抽象出來的帶有顏色及形態(tài)信息的圖和形。2023/3/811河北農(nóng)業(yè)高校張玉新圖形的表示點(diǎn)陣法是用具有顏色信息的點(diǎn)陣來表示圖形的一種方法，它強(qiáng)調(diào)圖形由哪些點(diǎn)組成，并具有什么灰度或色調(diào)。參數(shù)法是以計(jì)算機(jī)中所記錄圖形的形態(tài)參數(shù)與屬性參數(shù)來表示圖形的一種方法。通常把參數(shù)法描述的圖形叫做圖形（Graphics）把點(diǎn)陣法描述的圖形叫做圖象（Image）2023/3/812河北農(nóng)業(yè)高校張玉新醞釀期（50年頭） 1950年，美國MIT的旋風(fēng)1號(hào)(WhirlwindI)計(jì)算機(jī)配備了類似示波器的陰極射線管(CRT)來顯示一些簡潔的圖形(僅能輸出) 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)床發(fā)展成為平板式繪圖儀 20世紀(jì)50年頭末期，MIT的林肯試驗(yàn)室在“旋風(fēng)”計(jì)算機(jī)上開發(fā)SAGE空中防衛(wèi)體系，第一次運(yùn)用了支持輸入輸出的CRT顯示器，操作者可以用光筆在屏幕上指出確定的目標(biāo)。1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展簡史2023/3/813河北農(nóng)業(yè)高校張玉新萌芽期（60年頭） 1962年，美國MIT林肯試驗(yàn)室的Ivan.E.Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個(gè)人－機(jī)通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文，其中首次運(yùn)用了“ComputerGraphics”。 1962年，雷諾汽車公司的工程師PierreBézier提出Bézier曲線、曲面的理論 1964年，MIT的教授StevenA.Coons提出了超限插值的新思想，通過插值四條隨意的邊界曲線來構(gòu)造曲面。2023/3/814河北農(nóng)業(yè)高校張玉新

發(fā)展期（70年頭） 光柵圖形學(xué)快速發(fā)展，出現(xiàn)了基于電視技術(shù)的光柵圖形掃描器 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 圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化1974年，ACMSIGGRAPH的與“與機(jī)器無關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會(huì)議ACM成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，制定“核心圖形系統(tǒng)”（CoreGraphicsSystem）ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS2023/3/815河北農(nóng)業(yè)高校張玉新普及期（80年頭）1980年Whitted提出了一個(gè)光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例，實(shí)現(xiàn)Whitted模型1984年，美國Cornell高校和日本廣島高校的學(xué)者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中用輻射度方法成功的模擬了志向漫反射表面間的多重漫反射效果圖形硬件和各個(gè)分支均在這個(gè)時(shí)期飛速發(fā)展2023/3/816河北農(nóng)業(yè)高校張玉新提高增加期（90年頭）朝著標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化方向發(fā)展總體特征：技術(shù)發(fā)展、需求驅(qū)動(dòng)2023/3/817河北農(nóng)業(yè)高校張玉新1.4圖形軟件的發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)的形成圖形軟件的發(fā)展 開放式、高效率、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化

圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)備無關(guān)、與應(yīng)用無關(guān)、具有較高性能2023/3/818河北農(nóng)業(yè)高校張玉新近二十年中，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO已經(jīng)批準(zhǔn)和正在探討的與計(jì)算機(jī)圖形有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有： GKS、GKS-3D、PHIGS、CGM、 CGI、IGES、STEP等事實(shí)標(biāo)準(zhǔn) 如SGI的OpenGL，微軟的DirectX，Adobe的Postscript，SUN的Java3D，ACIS等2023/3/819河北農(nóng)業(yè)高校張玉新1.5計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)1.5.1計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的功能

2023/3/820河北農(nóng)業(yè)高校張玉新

(1)計(jì)算功能形體設(shè)計(jì)、分析，圖形描述，基本幾何元素（點(diǎn)、線、面等）的表示、求交運(yùn)算、分類、幾何變換，光、色模型的建立和計(jì)算，干涉檢測等。2023/3/821河北農(nóng)業(yè)高校張玉新(2)存儲(chǔ)功能存放圖形數(shù)據(jù)、幾何元素之間的拓?fù)潢P(guān)系，幾何信息和屬性信息，并可對有關(guān)的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢索、修改、增加和刪除。(3)輸入功能輸入有關(guān)進(jìn)行圖形設(shè)計(jì)的吩咐和參數(shù)等。2023/3/822河北農(nóng)業(yè)高校張玉新

(4)輸出功能對于設(shè)計(jì)的中間結(jié)果、最終結(jié)果或檔案，可以以文字、圖形或圖像等形式輸出。

(5)交互功能進(jìn)行選擇、拾取和修改，對操作步驟的追蹤和提示，顯示出錯(cuò)信息等。2023/3/823河北農(nóng)業(yè)高校張玉新1.5.2計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2023/3/824河北農(nóng)業(yè)高校張玉新1.6計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用和探討熱點(diǎn)計(jì)算機(jī)協(xié)助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）CAD/CAM是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng) 用領(lǐng)域 飛機(jī)、汽車、船舶的外形的設(shè)計(jì) 發(fā)電廠、化工廠等的布局 土木工程、建筑物的設(shè)計(jì) 電子線路、電子器件的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)結(jié)果干脆送至后續(xù)工藝進(jìn)行加工處理，如波音777飛 機(jī)的設(shè)計(jì)和加工過程2023/3/825河北農(nóng)業(yè)高校張玉新奧迪效果圖和線框圖2023/3/826河北農(nóng)業(yè)高校張玉新基于工程圖紙的三維形體重建定義：從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進(jìn)行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對應(yīng)的三維形體，復(fù)原形體的點(diǎn)、線、面及其拓?fù)潢P(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)形體的重建優(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(shù)的發(fā)展方向2023/3/827河北農(nóng)業(yè)高校張玉新工程圖及其三維重建結(jié)果12023/3/828河北農(nóng)業(yè)高校張玉新工程圖及其三維重建結(jié)果22023/3/829河北農(nóng)業(yè)高校張玉新2.科學(xué)計(jì)算可視化（VisualizationinScientificComputing）“科學(xué)家們不僅須要分析由計(jì)算機(jī)得出的計(jì)算數(shù)據(jù)，而且須要了解在計(jì)算過程中數(shù)據(jù)的變更”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1986年，美國科學(xué)基金會(huì)（NSF）特地召開了一次研討會(huì)，會(huì)上提出了“科學(xué)計(jì)算可視化（VisualizationinScientificComputing）”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、氣象分析當(dāng)中2023/3/830河北農(nóng)業(yè)高校張玉新2.科學(xué)計(jì)算可視化在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣袤的發(fā)展前途是機(jī)械手術(shù)和遠(yuǎn)程手術(shù)的基礎(chǔ)將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖象，幫助醫(yī)生判別病人體內(nèi)的患處由CT數(shù)據(jù)產(chǎn)生在人體內(nèi)漫游的圖象可視化的前沿與難點(diǎn)可視化硬件的探討實(shí)時(shí)的三維體繪制體內(nèi)組織的識(shí)別分割——Segmentation2023/3/831河北農(nóng)業(yè)高校張玉新3.計(jì)算機(jī)藝術(shù)計(jì)算機(jī)藝術(shù)用計(jì)算機(jī)軟件從事藝術(shù)創(chuàng)作二維平面的畫筆程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）圖表繪制軟件（如Visio）三維建模和渲染軟件包（如3DMAX，Maya）、以及一些特地生成動(dòng)畫的軟件（如Alias，Softimage）2023/3/832河北農(nóng)業(yè)高校張玉新優(yōu)點(diǎn)：供應(yīng)多種風(fēng)格的畫筆畫刷供應(yīng)多種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖象進(jìn)行霧化，變形等操作可以隨意修改，取消敗筆不足：無法達(dá)到傳統(tǒng)繪畫中風(fēng)格化的藝術(shù)效果很難得到有素描效果、油畫效果的藝術(shù)品2023/3/833河北農(nóng)業(yè)高校張玉新2023/3/834河北農(nóng)業(yè)高校張玉新4.非真實(shí)感繪制用于模擬藝術(shù)效果，探討方法有別于真實(shí)感圖形學(xué)鋼筆素描的生成鋼筆素描產(chǎn)生于中世紀(jì)，從19世紀(jì)起先成為一門藝術(shù)20世紀(jì)90年頭起先探討用計(jì)算機(jī)模擬中國國畫與書法的生成2023/3/835河北農(nóng)業(yè)高校張玉新GeorgesWinkenb1ach繪制的壺和碗2023/3/836河北農(nóng)業(yè)高校張玉新Salisbury繪制的茶壺2023/3/837河北農(nóng)業(yè)高校張玉新Salisbury繪制的熊2023/3/838河北農(nóng)業(yè)高校張玉新OliverDeussen繪制的素描樹2023/3/839河北農(nóng)業(yè)高校張玉新5.地理信息系統(tǒng)

強(qiáng)調(diào)對圖形和圖象的空間分析和管理。主要探討熱點(diǎn)：遙感圖象信息的自動(dòng)提取地理系統(tǒng)建模地理信息的智能分析地表系統(tǒng)的仿真2023/3/840河北農(nóng)業(yè)高校張玉新6.真實(shí)感圖形顯示真實(shí)感圖形的生成：場景造型→取景變換→視域裁剪→消退隱藏面→可見面光亮度計(jì)算2023/3/841河北農(nóng)業(yè)高校張玉新由清華高校自然景物平臺(tái)生成的野外場景2023/3/842河北農(nóng)業(yè)高校張玉新計(jì)算機(jī)繪制的真實(shí)感云2023/3/843河北農(nóng)業(yè)高校張玉新Xfrog3.0生成的挪威云杉2023/3/844河北農(nóng)業(yè)高校張玉新7.虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual-reality)由計(jì)算機(jī)生成的一個(gè)實(shí)時(shí)三維空間。運(yùn)用戶產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。2023/3/845河北農(nóng)業(yè)高校張玉新8.計(jì)算機(jī)動(dòng)畫

計(jì)算機(jī)動(dòng)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(gè)角落商業(yè)廣告、影視絕技/片頭、動(dòng)畫片教化、軍事、飛行模擬等基于特征的圖象變形（貓變虎）2023/3/846河北農(nóng)業(yè)高校張玉新由于計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)能生成豐富的圖形，可用于協(xié)助教學(xué)，使教學(xué)過程變得形象、直觀和生動(dòng)，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)愛好和留意力，增加教學(xué)效果。9.計(jì)算機(jī)協(xié)助教學(xué)（CAI）2023/3/847河北農(nóng)業(yè)高校張玉新10.人機(jī)交互HCI是將來的計(jì)算機(jī)科學(xué)。我們已經(jīng)花費(fèi)了至少50年的時(shí)間來學(xué)習(xí)如何制造計(jì)算機(jī)以及如何編寫計(jì)算機(jī)程序。下一個(gè)新領(lǐng)域自然是讓計(jì)算機(jī)服務(wù)并適應(yīng)于人