第部分計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

1、2006-9-2李輝 副教授計(jì)算機(jī)圖形學(xué)R第2頁第1章 概述內(nèi) 容n計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容n計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史n計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的典型應(yīng)用第3頁第1章 概述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容n計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(Computer Graphics)n與其它技術(shù)的關(guān)系 模式識別 圖像處理 計(jì)算幾何第4頁第1章 概述與其它技術(shù)的關(guān)系圖像幾何數(shù)據(jù)圖像處理計(jì)算幾何模式識別計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第5頁第1章 概述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的概念n簡單地說，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)就是研究如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形、以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。n圖形 基于線條信息表示的 明暗圖（真實(shí)感圖形）n圖形與圖像 界限越來越模糊。 圖像純指計(jì)

2、算機(jī)內(nèi)以位圖形式存在的信息。 圖形含有幾何屬性，由場景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成。第6頁第1章 概述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史n20世紀(jì)50年代 1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學(xué)院（MIT）旋風(fēng)I號（Whirlwind I）計(jì)算機(jī)的附件誕生 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年代末期，MIT的林肯實(shí)驗(yàn)室在“旋風(fēng)”計(jì)算機(jī)上開發(fā)SAGE空中防御體系第7頁第1章 概述n20世紀(jì)60年代 1962年，雷諾汽車公司的工程師Pierre Bzier 提出Bzier曲線、曲面的理論 1963年

3、，麻省理工學(xué)院的Ivan ESutherland發(fā)表了“畫板（Sketchpad）：一個人機(jī)圖形通信系統(tǒng)”的博士論文，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為一個全新研究領(lǐng)域的起步 1964年，MIT的教授Steven A. Coons提出了超限插值的新思想，通過用小塊曲面片組合來表示自由曲面，使曲面片邊界上達(dá)到任意高階連續(xù)的理論方法，稱孔斯曲面。第8頁第1章 概述n20世紀(jì)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的與“與機(jī)器無關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會議 ACM成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會，制定“核心圖形系統(tǒng)”（Core

4、Graphics System） ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS第9頁第1章 概述 真實(shí)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(shí)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)第10頁第1章 概述n20世紀(jì)80年代之后 圖形硬件迅猛發(fā)展 各個分支迅猛發(fā)展第11頁第1章 概述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的典型應(yīng)用n可視化 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)

5、據(jù)的迫切性與日俱增 1986年，美國科學(xué)基金會（NSF）專門召開了一次研討會，會上提出了“科學(xué)計(jì)算可視化（Visualization in Scientific Computing）” 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)中第12頁第1章 概述n計(jì)算機(jī)輔助設(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)第13頁第1章 概述n計(jì)算機(jī)動畫 圖象變形 形狀混合 關(guān)鍵幀動畫 變形物體的動畫 過程動畫 關(guān)節(jié)動畫與人體動畫第14頁第1章

6、 概述n計(jì)算機(jī)藝術(shù) 用于模擬藝術(shù)效果，研究方法有別于真實(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)開始成為一門藝術(shù)20世紀(jì)90年代開始研究用計(jì)算機(jī)模擬 中國國畫與書法的生成第15頁第1章 概述素描樹(Siggraph2000)n由Oliver Deussen繪制第16頁第1章 概述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)開發(fā)技術(shù)nOpenGLnDirectXnJava3DnVRML第17頁第1章 概述OpenGL簡介 OpenGL（Open Graphics Library）是圖形硬件的一個軟件接口，也是該領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。圖形程序員利用這些指令可以創(chuàng)建高質(zhì)量的交互式的三維應(yīng)用。 OpenGL的前身是S

7、GI（Silicon Graphics）公司為其圖形工作站開發(fā)的IRIS GL。IRIS GL雖然功能強(qiáng)大但是移植性不好，于是SGI公司便在IRIS GL的基礎(chǔ)上開發(fā)了OpenGL。 OpenGL是一個與硬件無關(guān)的軟件接口?？梢栽诓煌钠脚_如Windows 95、Windows NT、Unix、Linux、MacOS、OS/2之間進(jìn)行移植。 OpenGL是網(wǎng)絡(luò)透明的，具有網(wǎng)絡(luò)功能。即便客戶機(jī)和服務(wù)器是不同類型的計(jì)算機(jī)OpenGL程序也可以在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。第18頁第1章 概述DirectX簡介 DirectX 首次出現(xiàn)在 1995 年，當(dāng)時(shí)稱為“GameSDK”。在其原始形式中，針對的目標(biāo)是使用

8、C 和 C+ 的開發(fā)人員。 DirectX 能增強(qiáng)計(jì)算機(jī)的多媒體功能。使用 DirectX 可訪問顯卡與聲卡的功能，從而使程序可提供逼真的3D)圖形與聲音效果。DirectX 是一組底層“應(yīng)用程序接口 (API)”，可為 Windows 程序提供高性能的硬件加速多媒體支持。 DirectX 包含一組 API，通過它能訪問高性能硬件的高級功能，如三維圖形加速芯片和聲卡。第19頁第1章 概述 DirectX 支持以下底層功能： Microsoft DirectDraw API 支持快速訪問計(jì)算機(jī)視頻適配器的加速硬件功能。它支持在所有視頻適配器上顯示圖形的標(biāo)準(zhǔn)方法，并且使用加速驅(qū)動程序時(shí)可以更快更直

9、接地訪問。 Microsoft Direct3D API (Direct3D) 為大多數(shù)新視頻適配器內(nèi)置的 3-D 調(diào)色功能提供界面。Direct3D 包含專用 CPU 指令集支持，從而可為新型計(jì)算機(jī)提供進(jìn)一步加速支持。 Microsoft DirectSound API 為多媒體軟件程序提供低延遲混合、硬件加速以及直接訪問聲音設(shè)備等功能。第20頁第1章 概述 Microsoft DirectInput API 為游戲提供高級輸入功能并能處理游戲桿以及包括鼠標(biāo)、鍵盤和反饋游戲控制器在內(nèi)的設(shè)備輸入。 Microsoft DirectMusic API 是 DirectX 的交互式音頻組件。與捕獲

10、和播放數(shù)字聲音樣本的 DirectSound API 不同，DirectMusic 處理數(shù)字音頻以及基于消息的音樂數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是通過聲卡或其內(nèi)置的軟件合成器轉(zhuǎn)換成數(shù)字音頻的。DirectMusic API 支持以“樂器數(shù)字界面 (MIDI)”格式進(jìn)行輸入，也支持壓縮與未壓縮的數(shù)字音頻格式。第21頁第1章 概述 Microsoft DirectPlay API 支持通過調(diào)制解調(diào)器、Internet 或局域網(wǎng)連接游戲。DirectPlay的新功能支持通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行語音通信，從而可大大提高游戲的娛樂性，同時(shí)該組件還通過提供與玩游戲的其他人對話的功能而使游戲更具魅力。 Microsoft Direct

11、Show API 提供可在計(jì)算機(jī)與 Internet 服務(wù)器上進(jìn)行高品質(zhì)捕獲與回放多媒體文件的功能。DirectShow 支持各種音頻與視頻格式，包括ASF、AVI、DV、MPEG、MP3、 以及 WAV 文件。DirectShow 還具有視頻捕獲、DVD 回放、視頻編輯與混合、硬件加速視頻解碼以及調(diào)諧廣播模擬與數(shù)字電視信號等功能。第22頁第1章 概述Java3D簡介 Java3D API是Sun定義的用于實(shí)現(xiàn)3D顯示的接口。3D技術(shù)是底層的顯示技術(shù)，Java3D提供了基于Java的上層接口。 Java3D把OpenGL和DirectX這些底層技術(shù)包裝在Java接口中。 Java3D建立在Ja

12、va2基礎(chǔ)之上，J2SE在其標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)包中并不提供Java3D的API，Java3D是一個獨(dú)立的可選組件，可以單獨(dú)下載。第23頁第1章 概述 Java3D實(shí)現(xiàn)了以下功能： 生成簡單或復(fù)雜的形體（也可以調(diào)用現(xiàn)有的三維形體） 使形體具有顏色、透明效果、貼圖。 在三維環(huán)境中生成燈光、移動燈光。 具有行為的處理判斷能力（鍵盤、鼠標(biāo)、定時(shí)等）。 生成霧、背景、聲音。 使形體變形、移動、生成三維動畫。 編寫非常復(fù)雜的應(yīng)用程序，用于各種領(lǐng)域如VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）。 第24頁第1章 概述VRML簡介 VRML ( Virtual Reality Modeling Language)是一種模型語言， 用來描述一個目標(biāo)對象是如何呈現(xiàn)在 Web 上的。 和HTML一樣， VRML也是可由瀏覽器解釋的描述語言， 只不過VRML 不是