計算機圖形學基礎

計算機圖形學基礎2024/10/211緒論提出問題什么是計算機圖形學？計算機圖形學研究的對象是什么？計算機圖形處理系統(tǒng)的構(gòu)造？2024/10/2121.1計算機圖形學及其相關(guān)概念計算機圖形學（ComputerGraphics）計算機圖形學是研究怎樣利用計算機來顯示、生成和處理圖形的原理、方法和技術(shù)的一門學科。IEEE定義：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.2024/10/213計算機圖形學的研究對象——圖形通常意義下的圖形： 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。2024/10/214圖形的要素幾何要素:刻畫形狀的點、線、面、體等幾何要素非幾何要素：反映物體表面屬性或材質(zhì)的明暗、灰度、色彩等。計算機圖形學中所研究的圖形 從客觀世界物體中抽象出來的帶有顏色及形狀信息的圖形。2024/10/215圖形的表示點陣法是用具有顏色信息的點陣來表示圖形的一種方法，它強調(diào)圖形由哪些點組成，并具有什么灰度或色彩。參數(shù)法是以計算機中所記錄圖形的形狀參數(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）

把點陣法描述的圖形叫做圖象（Image）2024/10/216與計算機圖形學相關(guān)的學科

數(shù)字圖象處理 利用計算機對圖形和圖像進行分析處理，繼而再現(xiàn)圖像。圖形（圖像）信息輸入計算機中，按照不同的應用要求，計算機對圖像進行各種各樣的分析和處理。

圖像的存儲、壓縮、增強（突出某些特征）、復原（使模糊圖像清晰）、分割、重建、編碼、傳輸?shù)鹊?，最后把?jīng)過加工處理后的結(jié)果重新輸出。

2024/10/217模式識別（PatternRecognition）

圖像的模式識別所研究的問題與計算機圖形學所研究的問題是互逆的。模式識別是由圖像來獲得對圖像本身的描述。它是以圖像為依據(jù)，將圖像變換成數(shù)據(jù)、符號或者是抽象的圖。例如，自動分檢信封上的郵件編碼、文本自動閱讀裝置、還有地圖符號的識別，都是先由掃描得到圖像，然后經(jīng)識別還原為圖形或字符。2024/10/218計算幾何（ComputationalGeometry）

著重討論幾何形體在計算機內(nèi)的表示、分析和綜合，研究怎樣方便靈活地建立幾何形體的數(shù)學模型，提高算法的效率，在計算機內(nèi)如何更好地存儲和管理這些模型等。它的研究內(nèi)容包括曲線曲面的表示、生成、拼接和造型、三維立體造型、離散數(shù)據(jù)插值等等。2024/10/219數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型圖像生成（計算機圖形學）模型（特征）提?。ㄓ嬎銠C視覺，模式識別）模型變換（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2024/10/2110彼此的內(nèi)在聯(lián)系（狹義）圖形學研究如何將數(shù)據(jù)和幾何模型變?yōu)閳D形；圖像處理重點在于圖像的壓縮存儲以及去除噪音問題；模式識別討論如何從圖像中提取數(shù)據(jù)和模型；計算幾何則是上述學科的研究基石。——基礎2024/10/2111計算機圖形學的研究內(nèi)容1、二維圖形元素的生成算法

點、直線、圓、弧、規(guī)則曲線、自由曲線、文本等圖元的生成。

2、二維圖形的基本操作和圖形處理算法

對圖形的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、鏡像、錯切等操作，此外還包括二維圖形的裁剪、多邊形填充以及二維圖形的布爾運算（并、交、差）等。2024/10/21123、二維圖形的輸入輸出

用圖形輸入設備實現(xiàn)人機交互及用戶接口技術(shù)。

4、三維幾何造型技術(shù)

包括基本體素的建立與生成，規(guī)則曲面與自由曲面的構(gòu)造，以及三維形體之間的布爾運算等。

5、真實感圖形的生成算法

三維圖形的消隱算法、光照模型的建立，陰影及彩色濃淡圖的生成算法。

6、科學計算可視化技術(shù)

這是20世紀90年代計算機圖形學領域的前沿課題。研究的是，將科學計算中大量難以理解的數(shù)據(jù)通過計算機圖形顯示出來，從而加深人們對科學過程的理解。例如，有限元分析的結(jié)果，應力場、磁場的分布，各種復雜的運動學和動力學問題的圖形仿真等。2024/10/2113醞釀期（50年代）1950年，美國MIT的旋風1號(WhirlwindI)計算機配備了陰極射線管(CRT)來顯示一些簡單的圖形1.2計算機圖形學的發(fā)展1.2.1計算機圖形學的確立2024/10/2114萌芽期（60年代）1962年，美國MIT林肯實驗室的Ivan.E.Sutherland發(fā)表了一篇題為"Sketchpad：一個人－機通信的圖形系統(tǒng)"的博士論文，其中首次使用了“ComputerGraphics”2024/10/2115

發(fā)展期（70年代）普及期（80年代）出現(xiàn)了帶有光柵圖形顯示器的個人計算機和工作站提高增強期（90年代）總體特征：技術(shù)發(fā)展、需求驅(qū)動2024/10/21161958年，滾筒式繪圖機誕生1962年，Sutherland發(fā)表重要博士論文1964年，Coons提出曲面擬合理論70年代，光柵式圖形顯示器問世1977年，提出第一個圖形標準GKS80年代，圖形工作站，PC，Macintosh90年代，互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展，圖形在非工業(yè)應用超過在工業(yè)方面的應用圖形學發(fā)展史上的幾件大事2024/10/21171.2.2硬件發(fā)展圖形輸入設備的發(fā)展第一階段：控制開關(guān)、穿孔紙等第二階段：鍵盤第三階段：二維定位設備，如鼠標、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等，語音第四階段：三維輸入設備（如空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣），用戶的手勢、表情等第五階段：用戶的思維圖形顯示器的發(fā)展（見下頁）

2024/10/2118圖形顯示設備的發(fā)展：畫線顯示器（矢量顯示器/隨機掃描顯示器），60年代中期存儲管式顯示器，60年代后期刷新式光柵掃描顯示器，70年代初以點陣形式表示圖形，使用專用的緩沖區(qū)存放點陣，由視頻控制器負責刷新掃描需要刷新，設備昂貴，限制普及。不需刷新，價格較低，不能動態(tài)修改圖形功，不適合交互式目前正向著小型化、低電壓、數(shù)字化方向發(fā)展2024/10/2119圖形硬拷貝設備打印機繪圖儀圖形輸入設備二維圖形輸入設備三維圖形輸入設備：空間球、數(shù)據(jù)手套2024/10/21201.2.3圖形軟件的發(fā)展及軟件標準的形成圖形軟件的發(fā)展開放式、高效率、標準化、集成化、智能化、學科交叉

圖形軟件標準與設備無關(guān)、與應用無關(guān)、具有較高性能2024/10/2121近二十年中，國際標準化組織ISO已經(jīng)批準和正在討論的與計算機圖形有關(guān)的標準有： GKS、GKS-3D、PHIGS、CGM、 CGI、IGES、STEP事實標準 如SGI的OpenGL，微軟的DirectX，Adobe的Postscript等2024/10/21221964年

S.Coons提出Coons曲面，用小塊曲面片組合自由曲面；

1966年P(guān).Bezier提出Bezier曲線和曲面，奠定了計算機輔助幾何設計的基礎；

1975年Versprille提出有理B樣條的理論，進而發(fā)展到NURBS；

圖形軟件發(fā)展及軟件標準形成2024/10/2123圖形軟件發(fā)展及軟件標準形成三種類型的計算機圖形軟件系統(tǒng)：

(1)用某種語言寫成的子程序包

如:GKS(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicssystem)GL 便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對較慢，效率低(2）擴充計算機語言，使其具有圖形生成和處理的功能

如：TurboPascal、TurboC、AutoLisp等。簡練、緊湊、執(zhí)行速度快，但不可移植（3）專用圖形系統(tǒng)：效率高，但系統(tǒng)開發(fā)量大，可移植性差。

2024/10/2124圖形軟件標準計算機圖形核心系統(tǒng)ISO的第一個圖形軟件標準GKS(GraphicsKernelSystem)(第一個官方標準，1977)程序員層次交互式圖形系統(tǒng)（PHIGSProgrammer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem）計算機圖元文件（CGMComputerGraphicsMetafile）計算機圖形接口（CGIComputerGraphicsInterface),ISO）基本圖形轉(zhuǎn)換標準（IGES,InitialGraphicsExchangeSpecification,美國國家標準局）開放式、高效率的發(fā)展趨勢2024/10/2125常用圖形軟件標準一些非官方圖形軟件，廣泛應用于工業(yè)界，成為事實上的標準DirectX(MS)Xlib(X-Window系統(tǒng))OpenGL(SGI)Adobe公司Postscript典型：開放圖形庫（OpenGL）一個開放的三維圖形軟件包，獨立于操作系統(tǒng)，業(yè)界中的事實標準。（Stanford大學）支持平臺：VisualC++、GLUT（

=OpenGLUtilityToolkit）等；主要功能：圖形建模圖形變換光照、材質(zhì)、紋理、像素操作融合、反走樣、霧化2024/10/2126專業(yè)協(xié)會ACMSIGGRAPH-AssociationforComputingMachinerySpecialInterestGroupinGraphicsIEEE-TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers,TechnicalCommitteeonComputerGraphics2024/10/2127圖形標準STANDARDORGANIZATIONANSI=AmericanNationalStandardInstitute(private,nongovernment)ISO=InternationalStandardsOrganization(voluntary,nontreaty)ANSIisamemberofISO2024/10/21281.3計算機圖形學的應用一、計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）

2024/10/2129汽車曲面設計2024/10/2130奧迪效果圖和線框圖

CAD/CAM2024/10/2131

CAD/CAM2024/10/2132boeing777

CAD/CAM2024/10/2133

CAD/CAM2024/10/2134用AutoCAD軟件制作

三維實體模型(學生作品)2024/10/2135用AutoCAD軟件制作

三維模型2024/10/2136用3DMAX與Photoshop制作

室內(nèi)裝潢設計效果圖2024/10/2137二、科學計算可視化

研究如何將來自科學、工程、醫(yī)學等領域的抽象數(shù)據(jù)用圖形表示的學科稱為科學計算可視化。

用圖形來表示大量數(shù)據(jù)計算的結(jié)果或中間過程。例如：

·科技工作者需要認真分析大量的計算結(jié)果以確定一個系統(tǒng)的描述；

·商業(yè)主管需要分析大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)以做出對未來商業(yè)行為的決策；

·醫(yī)生需要面對大量的CT數(shù)據(jù)以確定病人體內(nèi)是否發(fā)生病變及何處發(fā)生病變；

·氣象人員需要處理氣象衛(wèi)星傳回的大批數(shù)據(jù)以繪出未來一段時間內(nèi)的天氣變化趨勢圖。2024/10/2138

三、地理信息系統(tǒng)與制圖

地理信息系統(tǒng)是建立在地理圖形之上的關(guān)于人口分布、礦藏分布、森林覆蓋、土地利用、旅游資源、海洋地理、地形地貌、山川河流分布、區(qū)域規(guī)劃、城市交通、管線管網(wǎng)等綜合信息管理系統(tǒng)。

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四、事務管理和辦公自動化

無論是企業(yè)還是事業(yè)行政管理中，都存在著大量的圖表，如作業(yè)進程表、生產(chǎn)產(chǎn)量表、庫存表、銷售統(tǒng)計圖、生產(chǎn)計劃表，以及統(tǒng)計分析方面的各種圖表。這些圖表都可以用計算機圖形技術(shù)產(chǎn)生的直方圖、餅圖和折線圖來表示。在辦公自動化方面，各國都非常重視。辦公自動化系統(tǒng)可以從聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫中，取出所需要的數(shù)據(jù)，用清晰明了的圖表在屏幕上顯示或在打印機、繪圖儀上輸出。2024/10/2140五、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實又稱為虛擬環(huán)境，是指由計算機實時生成一個虛擬的三維空間。這個空間可以是小到分子、原子的微觀世界，或是大到天體的宏觀世界，也可以是類似于真實社會的生活空間。用戶可以在這個三維空間中“自由”地走動，隨意地觀察，并可以通過一些特殊的設備與所處的虛擬景物進行交互操作。 交互是多通道的、自然的，用來傳遞的信息可以是某個操作、一個手勢、一個眼神，也可以是一個表情等。在此環(huán)境中，用戶看到的是由計算機生成的逼真圖像，聽到的是虛擬環(huán)境中的聲音，身體可以感受到虛擬環(huán)境所反饋的作用力，由此產(chǎn)生身臨其境的感覺。2024/10/2141虛擬現(xiàn)實（VirtualReality）

或虛擬環(huán)境（VirtualEnvironment)2024/10/2142在線虛擬現(xiàn)實：虛擬現(xiàn)實建模語言VRML虛擬現(xiàn)實（VirtualReality）2024/10/21432024/10/2144

六、過程控制和指揮系統(tǒng)

將各種實時過程的重要參數(shù)，如火箭的運行狀態(tài)，煉油廠、發(fā)電廠和電力系統(tǒng)送來的壓力、溫度、電壓、電流等數(shù)據(jù)傳送到計算機，用圖形方式進行顯示，管理人員對圖形進行監(jiān)控，并對異常情況作出調(diào)整。此外，現(xiàn)在大量的指揮系統(tǒng)，軍用指揮、鐵路調(diào)度、機場指揮等系統(tǒng)，也用圖形進行監(jiān)視與控制。2024/10/2145七、計算機動畫

為了產(chǎn)生連續(xù)的動畫，每秒至少需要24幀畫面。因而，一部兩小時的動畫片就需要十幾萬張畫面，如果用傳統(tǒng)的方式手工繪制，工作量是巨大的。 60年代制作動畫片《大鬧天宮》時，就花了幾十位動畫工作者近兩年的時間。 計算機圖形技術(shù)來制作，一方面可以利用造型工具創(chuàng)作出形象逼真的演員、場景，另一方面可以在關(guān)鍵畫面之間利用圖形變換技術(shù)自動插入中間畫面。八、計算機輔助教學2024/10/2146分形幾何中的自相似圖形(b)分形樹(a)Koch曲線生成雪花(c)三分康托集2024/10/2147計算機藝術(shù)Coreldraw,Photoshop,金山畫王筆,相片真實感模擬與自然媒體仿真技術(shù)分形藝術(shù)2024/10/2148OliverDeussen繪制的素描樹(Siggraph’2000)計算機藝術(shù)2024/10/2149由清華大學自然景物平臺生成的野外場景計算機仿真2024/10/2150圖案設計2024/10/2151建筑模擬2024/10/2152建筑模擬2024/10/2153列車駕駛模擬2024/10/2154列車駕駛模擬2024/10/2155運動中的汽車變換成奔跑中的老虎2024/10/21561.4