計算機圖形學01緒論

1、2021-9-231計算機圖形學計算機圖形學曹曉陽2021-9-232教學要求n了解圖形系統(tǒng)的框架及其涉及的軟件、硬件技術； n了解圖形學的基本問題，掌握圖形學的基本概念、方法與算法； n對與圖形相關的應用及當前的研究熱點有一個初步認識； n具有一定實踐體會和相關的編程能力。 2021-9-233參考書：n主要參考書：n孫家廣：計算機圖形學（第三版），清華大學出版社，1999 。nDonald Hearn, M. Pauline Baker ,“Computer Graphics (C Version)”, Prentice Hall , 1997. nJames D. Foley, Andr

2、ies van Dam etc., “Introduction to Computer Graphics”, Addison-Wesley, 1996 nSiggraph 期刊2021-9-234第一章 緒論 1.1 研究內(nèi)容1.2 發(fā)展歷史1.3 計算機圖形學的應用及研究前沿2021-9-2351.1 研究內(nèi)容圖形學所研究的內(nèi)容何謂圖形構成圖形的要素圖形在計算機中的兩種表示法2021-9-236什么是計算機圖形學什么是計算機圖形學 計算機圖形學是研究怎樣用數(shù)字計算機生成、處理和顯示圖形圖形的一門學科。n圖形主要分為兩類圖形主要分為兩類：n基于線條信息表示的，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖

3、等線條圖n明暗圖(Shading)，也就是通常所說的真實感圖形（類似照片）。 2021-9-237什么是圖形n圖形：圖形：計算機圖形學的研究對象n能在人的視覺系統(tǒng)中產(chǎn)生視覺印象的客觀對象n包括自然景物、拍攝到的圖片、用數(shù)學方法用數(shù)學方法描述的圖形描述的圖形等等n構成圖形的要素要素n幾何要素：刻畫形狀的點、線、面、體等幾何要素n非幾何要素：反映物體表面屬性或材質(zhì)的灰度顏色等非幾何要素。n如，球體。2021-9-238表示圖形的方法n點陣法。枚舉出圖形中所有的點來表示圖形，強調(diào)圖形由點構成，及其點的屬性（顏色）：通常稱為像素圖或圖象。n參數(shù)法：由圖形的形狀參數(shù)形狀參數(shù)和屬性參屬性參數(shù)數(shù)來表示圖形，

4、簡稱圖形。n形狀參數(shù)：方程或分析表達式的系數(shù)，線段的端點坐標等。n屬性參數(shù)：顏色、線型等。2021-9-239圖形與圖象圖形與圖象n兩個概念間的區(qū)別越來越模糊n區(qū)別：n圖象圖象純指計算機內(nèi)以位圖(Bitmap)形式存在的灰度信息n圖形圖形含有幾何屬性，或者說更強調(diào)場景的幾何表示，是由場景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成的 2021-9-2310Graphics與與Image的對比的對比1. 數(shù)據(jù)量很少數(shù)據(jù)量很大2. 有結構，便于編輯修改無結構，不便于編輯修改3. 能準確表示 3D 景物， 易于生成所需的不同視圖3D 景物的信息巳部分丟失，很難生成不同的視圖4. 生成視圖需要復雜的計算生成視圖

5、不需要復雜的計算5. 自然景物的表示很困難參數(shù)方程自然景物的表示不困難拍照6. 國 際 標 準 ： GKS,PHIGS,OpenGL,WMF,VRML; CGM,STEP,國際標準： JBIG,JPEG,IPI/IIF;TIFF7. 編輯軟件(繪圖軟件): AutoCAD,CorelDRAW編輯軟件(圖象處理軟件)： Photoshop,Photostylergraphicsimage2021-9-2311Graphics 與與 Image 的關系的關系繪制 (image synthesis)graphics modeldigital imageimage analysis (recognit

6、ion)image digitizing (image capturing)現(xiàn)實的景物可視的圖象計算或測量得到的大量數(shù)據(jù)Visualization in Scientific Computing (VISC)假想的或概念上的景物Image processingplayback (reconstruction)modeling2021-9-2312圖形學研究內(nèi)容和方法圖形學研究內(nèi)容和方法nmodeling + Rendering via I/Onmodeling : 構造實體（構造實體（2D, 3D）；）；nrendering: 使使3D物體看起來更象；物體看起來更象；n各種輸入輸出（圖形）設備

7、各種輸入輸出（圖形）設備n客觀和主觀實體的計算機表示客觀和主觀實體的計算機表示n真實的，真實的， 虛擬的，虛擬的，n主要目標：更逼真的表達、更快捷的方法、主要目標：更逼真的表達、更快捷的方法、 更方便的交互更方便的交互2021-9-2313與計算機圖形學相關的學科：1.CAGD（Computer Aided Geometric Design）計算機輔助幾何設計n幾何形體在計算機中的表示，分析、研究怎樣靈活方便地建立幾何形體的數(shù)學模型，提高算法效率，在計算機內(nèi)更好地存儲和管理這些模型等。主要研究曲線、曲面的表示、生成、拼接、數(shù)據(jù)擬合。與計算機圖形學的側(cè)重點不同。 2021-9-23142.圖象處

8、理（易混淆）n研究如何對一幅連續(xù)圖像取樣、量化以產(chǎn)生數(shù)字圖像，如何對數(shù)字圖像做各種變換以方便處理，n如何濾去圖像中的無用噪聲，如何壓縮圖像數(shù)據(jù)以便存儲和傳輸，圖像邊緣提取，特征增強和提取。 2021-9-23153.計算機視覺和模式識別n圖形學的逆過程，分析和識別輸入的圖像并從中提取二維或三維的數(shù)據(jù)模型（特征）。手寫體識別、機器視覺。 2021-9-2316與相關學科的關系數(shù)數(shù)字字圖圖像像數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)模模型型圖像生成（計算機圖形學）圖像生成（計算機圖形學）模型（特征）提取模型（特征）提?。ㄓ嬎銠C視覺和模式識別）（計算機視覺和模式識別）模型變換模型變換（CAGD）圖像變換圖像變換（圖像處理）（圖像處

9、理）2021-9-2317發(fā)展特點發(fā)展特點n交叉、界線模糊、相互滲透交叉、界線模糊、相互滲透 n從國際會議從國際會議SIGGRAPH可知可知2021-9-23181.2 發(fā)展歷史歷史追溯硬件發(fā)展圖形顯示器的發(fā)展圖形輸入設備的發(fā)展圖形軟件及軟件標準的發(fā)展2021-9-2319歷史追溯n50年代n1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院（MIT）旋風I號（Whirlwind I）計算機的附件誕生了n1958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n50年代末期，MIT的林肯實驗室在“旋風”計算機上開發(fā)SAGE空中防御體系

10、2021-9-2320n60年代n1962年，MIT林肯實驗室的I. E. Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個人機交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文-確定了交互圖形學作為一確定了交互圖形學作為一個學科分支（提出基本交互技術、圖元分層個學科分支（提出基本交互技術、圖元分層表示概念及數(shù)據(jù)結構表示概念及數(shù)據(jù)結構)。n1962年，雷諾汽車公司的工程師Pierre Bzier 提出Bzier曲線、曲面的理論n1964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造曲面。Coons 曲面2021-9-2321n70年代n光柵圖形學迅

11、速發(fā)展n區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應算法紛紛誕生n圖形軟件標準化n1974年，ACM SIGGRAPH的與“與機器無關的圖形技術”的工作會議nACM成立圖形標準化委員會，制定“核心圖形系統(tǒng)”（Core Graphics System）nISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS2021-9-2322n真實感圖形學n1970年，Bouknight提出了第一個光反射模型n1971年Gourand提出“漫反射模型插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理n1975年，Phong提出了著名的簡單光照模型- Phong模型n實體造型技術n英國劍橋大學CAD小組的Build系統(tǒng)n美國羅徹

12、斯特大學的PADL-1系統(tǒng)2021-9-2323n80年代n1980年Whitted提出了一個光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例，實現(xiàn)Whitted模型n1984年，美國Cornell大學和日本廣島大學的學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中n圖形硬件和各個分支均在這個時期飛速發(fā)展2021-9-2324n90年代：微機和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學的應用領域日益廣泛。n標準化、集成化、智能化n多媒體技術、人工智能、科學計算可視化、虛擬現(xiàn)實n三維造型技術2021-9-2325nACM SIGGRAPH會議小知識n全稱 “the Special Intere

13、st Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”n60年代中期，由Brown 大學的教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司的Sam Matsa發(fā)起n1974年，在Colorado大學召開了第一屆SIGGRAPH 年會，并取得了巨大的成功n每年只錄取大約50篇論文，圖形學頂級文章nR2021-9-2326硬件發(fā)展硬件發(fā)展-圖形顯示器的發(fā)展圖形顯示器的發(fā)展圖形顯示器是計算機圖形學中關鍵的設備n60年代中期：畫線顯示器（亦稱矢量顯示器） 較高分辨率和對比度，良好的動態(tài)性能。 閃爍，需要刷新，緩沖存儲器，需要高速

14、處理器。 設備昂貴，限制普及n60年代后期：存儲管式顯示器 不需刷新和緩存，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，已慢慢淘汰。2021-9-2327硬件發(fā)展n70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的發(fā)展。n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。n70年代中期：廉價的固體隨機存儲器出現(xiàn)。2021-9-2328硬件發(fā)展圖形輸入設備的發(fā)展n第一階段：控制開關、穿孔紙等等n第二階段：鍵盤n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n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

15、等n第五階段：用戶的思維研究階段2021-9-23292021-9-23302021-9-2331 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 (Graphics Kernel System) 、PHIGS(Programmers Herarchical Interactive Graphics system )、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：Turbo Pascal、Turbo C，AutoLisp等。 簡練、緊湊、執(zhí)行速度快，但可移植性差（3）專用圖形系統(tǒng)

16、：效率高，但系統(tǒng)開發(fā)量大，可移植性差。針對某硬件。2021-9-2332lGKS (Graphics Kernel System) (第一個官方標準，1977)lPHIGS(Programmers Herarchical Iuteractive Graphics system)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lDirectX (MS)lXlib(X-Window系統(tǒng))lOpenGL(SGI)lAdobe公司Postscript發(fā)展趨勢：開放式、高效率的發(fā)展趨勢通用的、與設備無關的圖形包，圖形標準通用的、與設備無關的圖形包，圖形標準2021-9-2333圖形學的發(fā)展現(xiàn)狀圖形

17、學的發(fā)展現(xiàn)狀n基本內(nèi)容已成熟，尤其是二維光柵圖形學；基本內(nèi)容已成熟，尤其是二維光柵圖形學；3D圖形算法已較成熟，硬件上更新加快；但圖形算法已較成熟，硬件上更新加快；但無突破，更逼真更快（依賴于硬件），但難以無突破，更逼真更快（依賴于硬件），但難以做到完全真實。做到完全真實。2021-9-2334圖形學的發(fā)展現(xiàn)狀圖形學的發(fā)展現(xiàn)狀nModeling：NURBS曲線曲面，近二十年來曲線曲面，近二十年來無突破，新的算法層出不窮。無突破，新的算法層出不窮。nRendering（繪制）（繪制）: 真實感；非真實感（表真實感；非真實感（表意，插圖，意，插圖，Cartoon, 碳筆畫）碳筆畫）nI/O(輸入輸

18、出輸入輸出): 立體眼睛；數(shù)據(jù)手套；數(shù)立體眼睛；數(shù)據(jù)手套；數(shù)據(jù)衣；可穿戴據(jù)衣；可穿戴PC，3D Mouse, 無突破。無突破。 2021-9-2335我國現(xiàn)狀我國現(xiàn)狀n發(fā)展迅速，圖形算法水平高，硬件采用國發(fā)展迅速，圖形算法水平高，硬件采用國外最新元器件。外最新元器件。n應用有差距，商品化軟件產(chǎn)品國際競爭力應用有差距，商品化軟件產(chǎn)品國際競爭力低。低。n應用不錯，底層平臺較差應用不錯，底層平臺較差n人才缺乏。人才缺乏。 2021-9-23361.3計算機圖形學的應用及研究前沿圖形用戶界面n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n發(fā)展：由指示燈和機械開關組成的操縱界面由終端

19、和鍵盤組成的字符界面（80年代）由多種輸入設備和光柵圖形顯示設備構成的圖形用戶界面（GUI）（90年代，用于PC，工作站），WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointing devices)界面，所見即所得VR技術（發(fā)展方向）2021-9-2337n由計算機發(fā)展決定：由計算機發(fā)展決定：科學計算型科學計算型無處不在的計算機，人機溶合，無處不在的計算機，人機溶合，提高交互效率。提高交互效率。n理想狀態(tài)：自然和諧的人機交互；沒有界面的理想狀態(tài)：自然和諧的人機交互；沒有界面的用戶界面用戶界面2021-9-2338計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）-CAD/CAM是計

20、算機圖形學在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應用領域n飛機、汽車、船舶的外形的設計n發(fā)電廠、化工廠等的布局n土木工程、建筑物的設計n電子線路、電子器件的設計n設計結果直接送至后續(xù)工藝進行加工處理，如波音777飛機的設計和加工過程2021-9-23392021-9-2340奧迪汽車效果圖和線框圖奧迪汽車效果圖和線框圖2021-9-2341計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）n基于工程圖紙的三維形體重建n定義：定義：從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構造出二維信息所對應的三維形體，恢復形體的點、線、面及其拓撲關系，從而實現(xiàn)形體的重建n優(yōu)勢優(yōu)勢：可以做裝配件

21、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技術的發(fā)展方向2021-9-2342工程圖及其三維重建結果2021-9-2343可視化n科學計算可視化(Scientific Visualization)n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n目標：用圖形表現(xiàn)抽象的數(shù)據(jù)n應用領域：醫(yī)學圖象重建圖象重建，遙感，流場、氣象、核爆模擬，有限元分析。n1986年，美國科學基金會（NSF）專門召開了一次研討會，會上提出了“科學計算可視化（Visualization in Scientific Computing）”2021-9-23442021-9-2345n信息可視化：信息流量，商

22、業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，股市行情。2021-9-2346n在醫(yī)學領域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途n是機械手術和遠程手術的基礎n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n由CT數(shù)據(jù)產(chǎn)生在人體內(nèi)漫游的圖象n可視化的前沿與難點n可視化硬件的研究n實時的三維體繪制n體內(nèi)組織的識別分割Segmentation2021-9-23472021-9-2348計算機藝術n計算機藝術n用計算機軟件從事藝術創(chuàng)作n二維平面的畫筆程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）n圖表繪制軟件（如Visio）n三維建模和渲染軟件包（如3DMAX，Maya）、以及一些專門生成動畫的軟件（如Ali

23、as，Softimage）2021-9-2349n優(yōu)點：優(yōu)點：n提供多種風格的畫筆畫刷n提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖象進行霧化，變形等操作n可以任意修改，取消敗筆n不足：不足：n無法達到傳統(tǒng)繪畫中風格化的 藝術效果n很難得到有素描效果、油畫效果的藝術品2021-9-23502021-9-2351計算機動畫n計算機動畫n計算機動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角落n商業(yè)廣告、影視特技/片頭、動畫片n教育、軍事、飛行模擬等n分類n二維動畫n圖象變形n形狀混合2021-9-2352n三維動畫n關鍵幀動畫n變形物體的動畫n過程動畫n關節(jié)動畫與人體動畫2021-9-2353基于

24、特征的圖變形象（貓變虎）2021-9-2354我國第一部利用計算機輔助攝制的動畫片是咪咪釣魚，1991年由北方工業(yè)大學和北京電視臺合作制作，以二維動畫為主。用386微機和C語言編程，利用數(shù)字化儀和攝象機產(chǎn)生關鍵幀，再由計算機在相鄰兩幅關鍵幀之間內(nèi)插生成中間幀，并自動跟蹤上色。多層畫面疊加在一起，形成完整的畫面。10分鐘的片子，5人小組花了10個月時間。2021-9-2355真實感圖形實時繪制與自然景物仿真真實感圖形實時繪制與自然景物仿真n計算機中重現(xiàn)真實世界的場景叫做真實真實感繪制感繪制n真實感繪制真實感繪制的主要任務是模擬真實物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀，光學性質(zhì)，表面的紋理和粗糙

25、程度，以及物體間的相對位置，遮擋關系等等2021-9-2356真實感圖形實時繪制與自然景物仿真真實感圖形實時繪制與自然景物仿真n光照模型n簡單光照模型n局部光照模型n整體光照模型n繪制方法n光線跟蹤n輻射度n加速算法n包圍體樹、自適應八叉樹等等2021-9-2357光照模型2021-9-2358地理信息系統(tǒng)（地理信息系統(tǒng)（GIS）n建立在地理圖形之上的關于各種資源的綜合信息管理系統(tǒng)n數(shù)字地球，地形數(shù)據(jù)作為載體，（70）全球信息化.n軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查。 2021-9-2359娛樂電腦游戲n實時性n逼實性n蘊含了先進的圖形處理技術電視廣告，節(jié)目片頭，科教演示（CAI） Quake I

26、II，“古墓麗影”，“侏羅紀公園”、“皇帝的新衣”、完美風暴 MAYA, 3D-MAX, SOFTIMAGE2021-9-2360多媒體多媒體在計算機控制下，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)，其中媒體至少應包括一種“連續(xù)媒體”及一種“離散媒體”n計算機處理的常見媒體：文本、圖形、圖像、語音、音頻、視頻、動畫n特點：媒體的多樣性、操作的交互性、系統(tǒng)的集成性nCAI， 教學娛樂。2021-9-2361Virtual Reality（虛擬現(xiàn)實、靈境）又稱虛擬環(huán)境（Virtual Environment)： 是指用立體眼鏡、傳感手套等一系列傳感輔助設施來實現(xiàn)的一種三維現(xiàn)實，人們通過這些設施以自然的方式（如頭的轉(zhuǎn)動、手的運動等）向計算機送入各種動作信息，并且通過視覺、聽覺以及觸覺設施使人們得到三維的視覺、聽覺等感覺世界。隨著人們不同的動作， 這些感覺也隨之改變。2021-9-23622021-9-2363圖形學的若干熱點圖形學的若干熱點nIBMR （Image-Based Modeling and Renderin