計算機圖形學(xué)第一章

1、1 計算機圖形學(xué)計算機圖形學(xué) Computer GraphicsComputer Graphics 2014 East China Jiaotong University, School of Software. 華東交通大學(xué)軟件學(xué)院華東交通大學(xué)軟件學(xué)院 主講：黃曉生主講：黃曉生 PhoneEmail: 課程內(nèi)容 計算機圖形學(xué)綜述及其應(yīng)用 計算機圖形系統(tǒng) 計算機基本圖形生成算法 幾何造型技術(shù) 圖形幾何變換 真實感圖形顯示 教材與參考資料 教材：（美）教材：（美）Donald Hearn M.Pauline Bake著著 蔡士杰等譯，計算蔡士杰等譯，計算 機圖形學(xué)（第三

2、版），電子工業(yè)出版社機圖形學(xué)（第三版），電子工業(yè)出版社 2010.7 參考： Dave Shreiner,Mason Woo等著，徐波等澤，OpenGL 編程指南，機械工業(yè)出 版社，2006 （美）Steve Cunningham著 石教英潘志庚譯，計算機圖形學(xué)：面向視覺交流的 OpenGL編程技術(shù)，機械工業(yè)出版社 2008 Samuel R.Buss著，唐龍等譯，3D計算機圖形學(xué)（OpenGL版），清華大學(xué)出版社， 2006 孫家廣，計算機圖形學(xué)（第三版），清華大學(xué)出版社，1999 計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報 中國圖形圖像學(xué)報 SIGGRAPH (Special Interest Group

3、 on Computer Graphics (美國計算機協(xié)會)計算機 繪圖專業(yè)組) 1.1 計算機圖形學(xué)定義 1.2 發(fā)展歷史 1.3 應(yīng)用 1.4 當(dāng)前研究動態(tài) 一、什么是計算機圖形學(xué)一、什么是計算機圖形學(xué) 何謂圖形 構(gòu)成圖形的要素 何謂計算機圖形 圖形的兩大類 計算機圖形學(xué)的概念 何謂圖形 能在人的視覺系統(tǒng)中產(chǎn)生視覺印象的客觀對象 包括： 人類眼睛所看到的自然景物 用攝像機、錄像機等裝置拍攝到的照片或圖 片 用繪圖儀或繪圖工具繪制的工程圖、設(shè)計圖、 方框圖 各類人工美術(shù)繪圖、雕朔品 用數(shù)學(xué)方法描述的圖形 構(gòu)成圖形的要素 幾何要素：刻畫對象的輪廓、形狀等 包括：點、線、面 非幾何要素：刻畫對

4、象的顏色、材質(zhì)等 包括：明暗、灰度、色彩等 什么是計算機圖形 是從客觀世界的物體中抽象出來的帶有灰度或 色彩形狀的圖或形。 圖形的兩大類 第一種分類方法： 點陣表示（明暗圖）：具有面模型、色彩、濃淡和明暗層次效應(yīng) 的有真實感的圖形。 枚舉出圖形中所有的點(強調(diào)圖形由點構(gòu)成) 簡稱為圖像（數(shù)字圖像） 參數(shù)表示（線劃圖）：用線段來表示圖形。容易反映客觀實體。 由圖形的形狀參數(shù)(方程或分析表達式的系數(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 第二種分類方法 2D圖形 3D圖形 計算機圖形學(xué)的概念 Computer Graphics (CG) 計算機圖形學(xué)是研 究通過計算

5、機將數(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)和計算機科學(xué)基礎(chǔ)上的一門邊 緣學(xué)科。 IEEE(美國電氣與電子工程（IEEE）)定義： Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer. 數(shù)字圖像處理 模式識別 計算幾何 計算機圖形學(xué)：討論怎樣將數(shù)據(jù)和幾何模型變 成圖像。 數(shù)字圖像處理：圖像也可稱為圖形。研究將一 種圖像變成另一種圖像。包括圖像的恢復(fù)、平 滑、增強。 模式識別：從圖像上提取數(shù)據(jù)和模型

6、。 計算幾何：討論幾何形體的計算機表示和分析、 綜合。研究怎樣方便靈活地建立幾何形體的數(shù) 學(xué)模型，提高算法效率。在計算機內(nèi)怎樣更好 地存貯和管理這些模型數(shù)據(jù)。 數(shù) 字 圖 像 數(shù) 據(jù) 模 型 圖像生成（計算機圖形學(xué)） 模型（特征）提取 （計算機視覺，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 計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容 幾何形體構(gòu)造技術(shù)：例如各種不同類型幾何模 型（二維、三維、分數(shù)維）的構(gòu)造方法及性能 分析、曲線與曲面的表示與處理，專用或通用 模型構(gòu)造系統(tǒng)的研究。 圖形生成技術(shù)：例如線段、圓弧、字符、區(qū)域 填充的生成算法以

7、及隱藏線/面消除、光照模型、 濃淡處理、紋理、陰影、灰度與色彩等各種逼 真圖形表示技術(shù)。 圖形的操作與處理方法：例如圖形的開窗裁剪、 平移、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、投影等各種幾何變 換操作的方法及軟件或硬件實現(xiàn)技術(shù)。 計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容 圖形信息的存儲、檢索與交換技術(shù)：例如圖形信 息的各種表示方法、組織形式、存取技術(shù)、圖形 數(shù)據(jù)庫的管理、圖形信息通信等。 人機交互及用戶接口技術(shù)：新型定位設(shè)備、選擇 設(shè)備的研究，各種交互技術(shù)如構(gòu)造技術(shù)、命令技 術(shù)、選擇技術(shù)、響應(yīng)技術(shù)等的研究，以及用戶模 型、命令語言、反饋方法、窗口系統(tǒng)等用戶接口 技術(shù)的研究。 動畫技術(shù)：研究實現(xiàn)高速動畫的各種

8、軟硬件方法、 開發(fā)工具、動畫語言。 圖形輸出設(shè)備與輸出技術(shù)。 圖形標(biāo)準(zhǔn)與圖形軟件包的技術(shù)開發(fā)。 醞釀期（50年代） 1950年，美國MIT（麻省理工學(xué)院）的旋風(fēng)1號 (Whirlwind I)計算機配備了陰極射線管(CRT)來顯示一 些簡單的圖形 1958年，美國Calcomp公司由聯(lián)機的數(shù)字記錄儀發(fā)展 成滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數(shù)控機床發(fā)展成為平 板式繪圖儀 50年代末期，MIT的林肯實驗室在“旋風(fēng)”計算機上 開發(fā)SAGE空中防御體系 萌芽期（60年代） 1962年，美國MIT（麻省理工學(xué)院）林肯實驗室的 Ivan.E.Sutherland發(fā)表了一篇題為Sketchpad：一 個人機

9、通信的圖形系統(tǒng)的博士論文，其中首次使 用了“Computer Graphics” 1962年，雷諾汽車公司的工程師Pierre Bzier 提出 Bzier曲線、曲面的理論 1964年MIT的教授Steven A. Coons提出了超限插 值的新思想，通過插值四條任意的邊界曲線來構(gòu)造 曲面。 發(fā)展期（70年代） 光柵圖形學(xué)迅速發(fā)展 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，ACM SIGGRAPH舉辦了與“與機器無關(guān)的圖 形技術(shù)”的工作會議。 ACM（美國計算機協(xié)會 - Association for Computing Machinery）成立圖

10、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、GL圖形軟件標(biāo)準(zhǔn) 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 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) 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 1980年Whitted提出了一個光透視模型-Whitted模型， 并第一次

11、給出光線跟蹤算法的范例，實現(xiàn)Whitted模 型 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圖形 學(xué)中,成功模擬了理想漫反射表面間的多重漫反射效 果 圖形硬件和各個分支均在這個時期飛速發(fā)展 提高增強期（90年代） 微機和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng) 域日益廣泛。 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) 持續(xù)發(fā)展期（21世紀） 滲透到各個行業(yè)的各個方面 促進計算機硬件的進一步發(fā)展 總體特征：技術(shù)發(fā)展、需求驅(qū)動總體特征：技術(shù)發(fā)展、需求驅(qū)動 圖形用戶界面 CAD/CAM 可視化 地理信息系統(tǒng)

12、過程控制及系統(tǒng)環(huán)境 模擬 計算機藝術(shù) 電子印刷及辦公自動 化 作戰(zhàn)指揮和軍事訓(xùn)練 工業(yè)模擬（仿真） 計 算 機 輔 助 教 學(xué) （CAI） 醫(yī)學(xué) 服裝、輕紡業(yè) 農(nóng)業(yè)、林業(yè) 公安 介于人與計算機之間，人與機器的通信， 人機界面（HCI）：軟件硬件 發(fā)展：由指示燈和機械開關(guān)組成的操縱 界面由終端和鍵盤組成的字符界面 （80年代）由多種輸入設(shè)備和光柵圖 形顯示設(shè)備構(gòu)成的圖形用戶界面（GUI）， （90年代）PC，工作站，WIMP(W- windows、I-icons、M-menu、P- pointing devices)界面，所見即所得 VR技術(shù)（發(fā)展方向） Graphical user inter

13、face icons, frames, labels, fields, text-area, buttons, pop-up manuals,. 圖形學(xué)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。 建筑、機械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品設(shè)計（結(jié)構(gòu)分析和外形設(shè)計）、布局 （各種管道，電子線路） 電子CAD ：電路設(shè)計、線路圖、布線圖、安裝圖、集成電路設(shè) 計 機械CAD：汽車、飛機(波音777)、零件設(shè)計、模具設(shè)計、曲面 設(shè)計 建筑CAD：平面圖, 大樣圖, 外形圖 輕工CAD： 服裝: 2D排料設(shè)計, 3D款式設(shè)計 圖案設(shè)計: 墻紙, 地毯, 花布 室內(nèi)設(shè)計 產(chǎn)品外形設(shè)計 Computer-Aided-Design interactiv

14、ely design and modify objects 折線圖 條狀圖 百分比圖 三維統(tǒng)計圖 進度計劃圖 Presenting information Bar charts Pie charts 1 2 3 4 5 0 10 20 30 40 50 60 12345 定義: 可見的或不可見的現(xiàn)象用適當(dāng)?shù)膱D形表示出來 科學(xué)計算可視化(Scientific Visualization) 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。 等等 信息可視化：信息流量，商業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，股市行情。 Curves

15、 Surfaces -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 17131925313743495561677379859197 Scientific Visualization Johnson et al., Utah National Library of Medicine Visual Human QuickTime and a YUV420 codec decompressor are needed to see this picture. 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，（70）全球

16、信息化。 軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查。 Weather charts 在計算機控制下，對多種媒體信息進行 生成、操作、表現(xiàn)、存儲、通信、或集 成的信息系統(tǒng)，其中媒體至少應(yīng)包括一 種“連續(xù)媒體”及一種“離散媒體” 計算機處理的常見媒體：文本、圖形、 圖像、語音、音頻、視頻、動畫 特點：媒體的多樣性、操作的交互性、系統(tǒng)的集成 性 CAI， 教學(xué)娛樂。 電腦游戲 實時性 逼實性 蘊含了先進的圖形處理技術(shù) 電視廣告，節(jié)目片頭，科教演示（CAI） 演員與圖形場景混合 計算機電影 人造演員 Animation films Games 相片真實感模擬與自然媒體仿真技術(shù) 分形藝術(shù)：竹,樹,花,海,云,山

17、電子畫,卡通片 動畫 Computer Art Synthesizing images Ray tracing images 已廣泛應(yīng)用于計算機輔助教學(xué)系統(tǒng)中； 使教學(xué)過程更加形象、直觀、生動。 Virtual idol (Reiko Arisugawa) 飛行模擬器 駕駛模擬器 Flight simulators Virtual Reality 或稱虛擬環(huán)境（Virtual Environment) 是用計算機技術(shù)來生成一個 逼真的三維視覺、聽覺、觸覺 或嗅覺等感覺世界，讓用戶可 以從自己的視點出發(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行瀏覽和 交互考察。 輸入輸出設(shè)備 在線虛擬現(xiàn)實：虛擬現(xiàn)實建模語言VRML Virtual reality provides true 3-d scenes and interactions Head-mounted display (HMD) A system for tracking the position of HMD Data glove 2-d images from volume data Ordinary X-ray image Cross section X-ray image (tomography) Magnetic resonance tomography imag