計算機(jī)圖形學(xué)概要

計算機(jī)圖形學(xué)概要1第1頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四教材和參考書教材

《計算機(jī)圖形學(xué)導(dǎo)論》JamesD.Foley，董士海等譯，機(jī)械工業(yè)出版社。主要參考書：孫家廣，《計算機(jī)圖形學(xué)》（第三版），清華大學(xué)出版社，1999。唐澤圣，《計算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)》清華大學(xué)出版社2001。Hill,F.S.“ComputerGraphicsUsingOpenGL”,PrenticeHall,2001.2第2頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四教學(xué)要求理解交互式計算機(jī)圖形學(xué)掌握2D圖形學(xué)經(jīng)典算法具備一定的圖形應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)能力

3第3頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四第一章計算機(jī)圖形學(xué)概述

1.1計算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用1.2計算機(jī)圖形學(xué)的基本概念1.3計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史1.4當(dāng)前計算機(jī)圖形學(xué)的研究熱點(diǎn)4第4頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四1.1計算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用1)GraphicalUserInterface(GUI)

W.I.M.P-Windows,icons,menu,pointersAppleiPhoneTM5第5頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四

2）GIS地理信息系統(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)數(shù)字地球，地形數(shù)據(jù)作為載體，全球信息化.軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查。

1.1計算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用6第6頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四3)建模（image,modelcreation）坐標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)生成幾何-觀察變換裁剪-消隱顏色紋理光照陰影繪制1.1計算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用7第7頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四1.1計算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用8第8頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四1.1計算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用FramefromanimationbyWilliamLatham,shownatSIGGRAPH1992.Lathamusesrulesthatgovernpatternsofnaturalformstocreatehisartwork.9第9頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四CAD/CAM10第10頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四4）科學(xué)計算可視化(ScientificVisualization)必要性：直接分析大量的測量數(shù)據(jù)或統(tǒng)計數(shù)據(jù)有困難目標(biāo)：用圖形表現(xiàn)抽象的數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)圖象重建，遙感，流場、氣象、核爆模擬，有限元分析……。1.1計算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用11第11頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四1.1計算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用12第12頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四醫(yī)學(xué)可視化13第13頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四科學(xué)可視化14第14頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四5）多媒體系統(tǒng)在計算機(jī)控制下，對多種媒體信息進(jìn)行生成、操作、表現(xiàn)、存儲、通信、或集成的信息系統(tǒng)。計算機(jī)處理的常見媒體：文本、圖形、圖像、語音、音頻、視頻、動畫特點(diǎn)：媒體多樣性、操作交互性、系統(tǒng)集成性CAI，教學(xué)娛樂。1.1計算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用15第15頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四6）數(shù)字娛樂電腦動畫、電腦游戲?qū)崟r性逼真性蘊(yùn)含了先進(jìn)的圖形處理技術(shù)電影特技，電視廣告，節(jié)目片頭、FLASH

采用的動畫工具：MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGE…1.1計算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用16第16頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四數(shù)字娛樂：電影17第17頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四CG游戲與電影Pixar:Monster’sInc.Square:FinalFantasy18第18頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四CG游戲19第19頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四7）計算機(jī)藝術(shù)工具：Coreldraw,Photoshop等相片真實感模擬與自然媒體仿真技術(shù)分形藝術(shù)樂譜，舞譜1.1計算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用20第20頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四8）VirtualReality是用計算機(jī)技術(shù)來生成一個逼真的三維視、聽、觸等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對這一生成的虛擬世界客體進(jìn)行瀏覽和交互考察，如戰(zhàn)斗機(jī)駕駛模擬系統(tǒng)等1.1計算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用MarsdatavisualizationElumens’VisionStation?21第21頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四計算機(jī)圖形學(xué)定義計算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容1.2圖形學(xué)基本概念22第22頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四WhatisComputerGraphics?(1/2)Computergraphicsgenerallymeanscreation,storageandmanipulationofmodelsandimagesSuchmodelscomefromdiverseandexpandingsetoffieldsincludingphysical,mathematical,artistic,biological,andevenconceptual(abstract)structures計算機(jī)圖形學(xué)(ComputerGraphics，簡稱CG)是一種使用數(shù)學(xué)算法將二維或三維圖形轉(zhuǎn)化為計算機(jī)顯示器的柵格形式的科學(xué)。隨著以計算機(jī)為主要工具進(jìn)行視覺設(shè)計和生產(chǎn)的一系列相關(guān)產(chǎn)業(yè)的形成,國際上習(xí)慣將利用計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行視覺設(shè)計和生產(chǎn)的領(lǐng)域通稱為CG。23第23頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四WilliamFettercoinedterm“computergraphics”in1960todescribenewdesignmethodshewaspursuingatBoeingCreatedaseriesofwidelyreproducedimagesonpenplotterexploringcockpitdesign,using3Dmodelofhumanbody.“Perhapsthebestwaytodefinecomputergraphicsistofindoutwhatitisnot.Itisnotamachine.Itisnotacomputer,noragroupofcomputerprograms.Itisnottheknow-howofagraphicdesigner,aprogrammer,awriter,amotionpicturespecialist,orareproductionspecialist.Computergraphicsisallthese–aconsciouslymanagedanddocumentedtechnologydirectedtowardcommunicatinginformationaccuratelyanddescriptively.”ComputerGraphics,byWilliamA.Fetter,1966WhatisComputerGraphics?(2/2)24第24頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四圖形的輸入

如何開發(fā)利用圖形輸入設(shè)備及軟件將圖形輸入到計算機(jī)中去，以便作各種處理。圖形的處理包括對圖形進(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

如何將圖形格式轉(zhuǎn)換、并在顯示屏或打印機(jī)等輸出設(shè)備上輸出。計算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容25第25頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四圖形與圖像圖像生成（計算機(jī)圖形學(xué)）模型（特征）提?。ㄓ嬎銠C(jī)視覺，模式識別）模型變換（計算幾何）數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型圖像變換（圖像處理）發(fā)展特點(diǎn):交叉、界線模糊、相互滲透采樣量化濾波增強(qiáng)26第26頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四基于采樣的圖形（光柵，點(diǎn)陣)Imagesaremadeupofgridofdiscretepixels,for2D“pictureelements”MathematicalpixelgridLCDdisplayCRTbeamilluminationpatternNB:Can’tresolveadjacentpixelsonCRT1pixellightintensity27第27頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四采樣LetsdosomesamplingofCITbuildingAcolorvalueismeasuredateverygridpointandusedtocolorcorrespondinggridsquareNote:thispoorsamplingandimagereconstructionmethodcreatesblockyimage3Dscene0=white,5=gray,10=black28第28頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四Onceimageisdefinedintermsofcolorsat(x,y)locationsongrid,canchangeimageeasilybyalteringlocationorcolorvaluesE.g.,ifwereverseourmappingaboveandmake10=whiteand0=black,theimagewouldlooklikethis:Pixelinformationfromoneimagecanbecopiedandpastedintoanother,replacingorcombiningwithpreviouslystoredpixelsWhat’stheAdvantage?29第29頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四What’stheDisadvantage?WYSIAYG(WhatYouSeeIsAllYouGet):Noadditionalinformationnodepthinformationcan’texaminescenefromdifferentpointofviewatmostcanplaywiththeindividualpixelsorgroupsofpixelstochangecolors,enhancecontrast,findedges,etc.Butrecently,stronginterestinimage-basedrenderingtofake3Dscenesandarbitrarycamerapositions.Newimagesconstructedbyinterpolation,composition,warpingandotheroperations.PhotoTourism:Exploringphotocollectionsin3D(Siggraph2006)30第30頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四Examplesof2DImage

Manipulation(1/3)Thenews:digitally“enhanced”imagesaremoreandmorecommon.Usuallyjustsharpening,colorbalancing,butsometimesmuchmore.To“Photoshopsomethingin”:Reuters’doctoredBeirutbombingphoto(belowright;noteclonedsmoke)else31第31頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四Examplesof2DImage

Manipulation(2/3)Peoplecannowmutateintootherpeopleorobjectsthroughmorphing,andcancarryonconversationsindifferenttimesandplacesInteractiveDigitalPhotomontage,Siggraph2004

眼見為實？32第32頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四Examplesof2DImage

Manipulation(3/3)InartworktheprocessesandtechniquesofphotographyandpaintingaremergingintheartofdigitalimagingMicheleTurre:theartist,herdaughter,andhermother,allat3yearsofage33第33頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四基于幾何的圖形Geometry-basedgraphicsapplicationsstoremathematicaldescriptions,or“models,”ofgeometricelements(lines,polygons,polyhedrons…)andassociatedattributes(e.g.,color,materialproperties).Elementsareprimitivegeometricshapes,primitivesforshortImagescreatedaspixelarrays(viasamplingofgeometry)forviewing,butnotstoredaspartofmodel.ImagesofmanydifferentviewsaregeneratedfromsamemodelUserscannotusuallyworkdirectlywithindividualpixelsingeometry-basedprograms;asusermanipulatesgeometricelements,programresamplesandredisplayselementsIncreasinglyrenderingcombinesgeometricandsample-basedgraphics,bothasperformancehackandtoincreasequalityoffinalproduct34第34頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四1.3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(shè)備的發(fā)展圖形軟件及軟件標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展35第35頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四歷史追溯1950年，MIT，旋風(fēng)一號（WhirlwindI計算機(jī)的圖形顯示器，類似于示波器的CRT來顯示簡單圖形，可供照相制作硬拷貝。50年代末期，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(diǎn)定位識別目標(biāo)。36第36頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四歷史追溯1963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)。--確定了交互圖形學(xué)作為一個學(xué)科分支。Sketchpadin1963.NoteuseofaCRTmonitor,lightpenandfunction-keypanel.37第37頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四歷史追溯60年代：MIT、BellLab、通用汽車公司、劍橋大學(xué)開展大規(guī)模的研究。70年代進(jìn)入技術(shù)實用化但80年代初，圖形學(xué)依然是較小的學(xué)科，原因是圖形硬件設(shè)備十分昂貴，且基于圖形的應(yīng)用相對較少。38第38頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四硬件發(fā)展圖形顯示器的發(fā)展

圖形顯示器是計算機(jī)圖形學(xué)中關(guān)鍵的設(shè)備60年代中期：畫線顯示器（亦稱矢量顯示器）

需要刷新。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(diǎn)是不具有動態(tài)修改圖形功能，不適合交互式。39第39頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四Vector顯示器40第40頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四硬件發(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(shù)的發(fā)展。

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。41第41頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四

圖形顯示設(shè)備的發(fā)展畫線顯示器（矢量顯示器/隨機(jī)掃描顯示器）存儲管式顯示器刷新式光柵掃描顯示器42第42頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四VersusDatePriceCPUMemoryStorageMonitorDevicesGUI19842008$2500$22008MHz3.06GHz(Dual)128KBRAM2.0GBDDR2SDRAM400KBFloppy500GBHardDisk9”Black&White24”Color512x34268dpi1920x1200100dpiMouseKeyboardMouseKeyboardDesktopWIMPDesktopWIMP+24x.88x382.5x15625x1250000x2.6x13.2x1.5samesamesameOriginalMacintoshNewiMac24”43第43頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四ArchitectureVectorvs.Raster44第44頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四1950~60：計算機(jī)以批處理方式執(zhí)行，主要的人機(jī)交互設(shè)備是控制開關(guān)、打孔機(jī)和讀卡機(jī)1960~80：計算機(jī)以分時方式執(zhí)行，人機(jī)交互主要是命令行界面：鍵盤1970~：圖形用戶界面：二維定位設(shè)備，如鼠標(biāo)、光筆、圖形輸入板等第四階段：三維輸入設(shè)備（如空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣），觸摸屏、手勢、表情、語音等第五階段：用戶的思維圖形輸入設(shè)備的發(fā)展據(jù)英國《每日郵報》9月2日報道,美國科學(xué)家日前發(fā)明了一種可以幫助盲人和視力低下的人“重見光明”的電子裝置,它是讓人通過舌頭“看見”眼前的景象.

45第45頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四圖形輸入設(shè)備的發(fā)展46第46頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四GKS(GraphicsKernelSystem)(第一個官方標(biāo)準(zhǔn)，1977)PHIGS(Programmer’sHerarchicalInteractiveGraphicssystem)非官方圖形軟件，成為工業(yè)界事實上的標(biāo)準(zhǔn)OpenGL(SGI、Intel、IBM等)DirectX(Microsoft)Xlib(X-Window系統(tǒng))Postscript（Adobe）設(shè)備無關(guān)

通用圖形標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展47第47頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四

1.4當(dāng)前的研究動態(tài)造型技術(shù)規(guī)則形體：歐氏幾何方法基于物理的造型基于特征的造型不規(guī)則形體：分形幾何方法紋理映射48第48頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四真實感圖形繪制技術(shù)光照明模型繪制算法快速算法易于圖像的繪制人機(jī)交互技術(shù)界面簡單易用色彩搭配、比例尺寸符合人的審美規(guī)律；吸引用戶交互操作。49第49頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四國際會議動態(tài)第24屆計算機(jī)圖形國際會議(CGI2006)在浙江大學(xué)舉行①結(jié)合圖形硬件實現(xiàn)實時繪制；②基于數(shù)據(jù)采集進(jìn)行真實感建模；③繪制與建模任務(wù)相結(jié)合;④隨著數(shù)字多媒體、虛擬現(xiàn)實、系統(tǒng)仿真以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，以電子游戲、教育娛樂、數(shù)字視聽等軟件及其相關(guān)硬件設(shè)備制作、銷售及服務(wù)為代表的數(shù)字娛樂產(chǎn)業(yè)獲得蓬勃發(fā)展。50第50頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四CGI2006設(shè)立了22個Section研討的內(nèi)容包括：真實感繪制、計算幾何、圖形新技術(shù)、可視化、圖像與視頻、紋理合成、基于圖像的建模、圖形檢索、虛擬現(xiàn)實、圖形硬件等51第51頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四CGI2006計算機(jī)圖形繪制與動畫日本東京大學(xué)的ＹｏｓｈｉｎｏｒｉＤｏｂａｓｈｉ教授介紹了水的實時繪制韓國Ｂｙｕｎｇ－ＳｅｏｋＲｏｈ博士報告了可控的煙霧動畫澳門大學(xué)吳恩華教授則重點(diǎn)研討了水的波光效果生成德國的ＯｌｉｖｅｒＤｅｕｓｓｅｎ教授則發(fā)表了采用ＷａｎｇＴｉｌｅ拼圖方法生成大規(guī)模植物競爭生長場景的模擬方法52第52頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四CGI2006計算機(jī)圖形建模清華大學(xué)胡事民教授提出基于骨架變形的新方法浙江大學(xué)幾何處理研究小組所提出的材質(zhì)相關(guān)變形方法將目前國際上熱門的微分域網(wǎng)格處理方法又往前推進(jìn)了一步臺灣的Ｂｉｎｇ－ＹｕＣｈｅｎ教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊則側(cè)重于卡通動畫中的變形遷移技術(shù)。53第53頁，共61頁，2023年，2月20日，星期四基于骨架的地圖生成54第54頁，共61頁，2023年，2月20日，