計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)知識

1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-多媒體課件.PPT-引言 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(Computer Graphics,簡稱CG)是研究計(jì)算機(jī)繪圖的一門學(xué)科，經(jīng)過30多年的開展，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)中最為活潑的分支之一，并得到廣泛的應(yīng)用。它是隨著計(jì)算機(jī)硬件特別是圖形顯示設(shè)備的開展而逐漸產(chǎn)生開展起來的，并已滲入到生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面。 它是建立在傳統(tǒng)的圖學(xué)理論、應(yīng)用數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)根底上的一門邊緣學(xué)科。特點(diǎn)：新興學(xué)科 邊緣性學(xué)科 與傳統(tǒng)理論密切聯(lián)系。2022/9/152 通過本課程的學(xué)習(xí)，掌握圖形圖象處理的原理、方法和技術(shù)，能充分理解圖形學(xué)中的各種根本算法在整個(gè)計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)中的作用，對圖形系統(tǒng)有一個(gè)整體的概念。從而

2、培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)圖形處理能力，熟悉計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)、使用及組織，為學(xué)生畢業(yè)后從事計(jì)算機(jī)繪圖、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、輔助教學(xué)、輔助工程、圖形處理等方面打下良好的根底。2022/9/153教學(xué)安排總學(xué)時(shí)：48講課：32學(xué)時(shí)上機(jī)：16學(xué)時(shí)成績評定方法為：總成績 = 平時(shí)30% + 期末70%。平時(shí)成績包括：作業(yè)、課堂考勤等2022/9/154課程目錄 第一章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)根本知識第二章 C語言圖形程序設(shè)計(jì)根底 第三章 根本圖形的生成與計(jì)算 第四章 曲線與曲面的生成與計(jì)算 第五章 圖形變換技術(shù)2022/9/155本章概述：本章主要介紹了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念、研究內(nèi)容、開展概況與應(yīng)用領(lǐng)域，以及

3、計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的相關(guān)知識。 1 第章第一章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)根底知識2022/9/156本章目錄1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容 1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的開展概況1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用與研究前沿1.5 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成1.6 圖形輸入設(shè)備1.7 圖形顯示設(shè)備與圖形處理器1.8 圖形輸出設(shè)備2022/9/157本章重點(diǎn)、難點(diǎn)本章重點(diǎn)1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念2、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容3、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用與研究前沿4、計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成5、圖形輸入、輸出設(shè)備與圖形顯示設(shè)備本章難點(diǎn)1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容2、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究前沿3、計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成4、圖形顯示設(shè)

4、備與圖形處理器2022/9/158本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1. 充分理解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一些根本概念， 如的定義、圖形與圖象的概念等。2. 熟練掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容。3. 明確計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域與研究前沿。4. 掌握計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成，包括系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)、根本功能及其硬件性能要求。5. 了解并掌握常用的圖形輸入與輸出設(shè)備。6. 了解圖形顯示設(shè)備與圖形處理器。2022/9/1591.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念本節(jié)我們主要介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一些根本概念，包括：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的定義、圖形圖像的概念以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)學(xué)科。1.圖形圖像的概念2.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的定義.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)學(xué)科2022/9/1510

5、第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念 人類用來表達(dá)和交流的方式有很多：語言文字、圖形圖像、肢體語言手勢、點(diǎn)頭、眼神等。圖作為交流的方式與語言文字相比，有一些文字無法替代的優(yōu)勢： 圖形圖像信息易于交流和理解。語言受地域，國別的限制 圖形圖像信息精煉：一圖勝于言，百聞不如一見。 圖形圖像表達(dá)精確：用語言描述一個(gè)人的外貌，總有信息喪失，拍照就不會(huì)產(chǎn)生信息喪失。 圖形圖像表達(dá)直觀：形象，深刻。書中除文字解釋外還配有插圖 一、圖形圖像的概念2022/9/1511第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念那在我們的現(xiàn)實(shí)生活中哪些是圖呢？ 人類眼睛看到的實(shí)物景象。實(shí)

6、體物 3D 用攝像機(jī)等裝置獲得的圖片照片。圖片 2D 用繪圖儀繪制出來的工程圖、設(shè)計(jì)圖等。圖紙 各種人工美術(shù)繪圖、雕塑等。(美術(shù)作品 用數(shù)學(xué)方法描述的圖形。y=sin(x)函數(shù)曲線 雖然有人認(rèn)為圖形與圖像兩個(gè)概念間的區(qū)別越來越模糊，但我 們認(rèn)為還是有區(qū)別的。 1圖形圖像的定義1圖形Graphic 圖形也稱矢量圖形，簡稱矢量圖。一般由計(jì)算機(jī)結(jié)合圖2022/9/1512第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念 形應(yīng)用程序一起創(chuàng)立，通常由點(diǎn)、線、面、體等幾何元素圖元和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何元素組成，內(nèi)部表示為這些圖元對象的集合。說明： 1. 所謂圖元是最簡單的圖形，如點(diǎn)、

7、直線、曲線、圓、矩形等。圖元都由數(shù)學(xué)公式來表示，所存儲的也是數(shù)學(xué)公式中的參數(shù)值，例如圓可以用圓心和半徑表示等等。 2. 另外，圖元也可以是用多個(gè)圖形簡單圖元組成的一個(gè)帶有一定含義的組合圖元。組合圖元的各個(gè)圖元可以單獨(dú)地除去、添加、移動(dòng)或修改。 3. 圖形含有幾何屬性，更強(qiáng)調(diào)場景的幾何表示，是由場景的幾何模型和景物物理屬性 (非幾何屬性) 共同組成的。2022/9/1513第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念2圖像Image 圖像也稱點(diǎn)位圖，一般來源于現(xiàn)實(shí)和虛擬世界，是用攝像機(jī)或掃描儀等輸入設(shè)備捕捉實(shí)際場景畫面產(chǎn)生的數(shù)字圖像，其最小的可尋址的圖像元素為像素。 說明： 1.

8、像素是圖像上一個(gè)個(gè)帶有亮度和顏色的的點(diǎn)，大量有序非幾何元素：反映物體表面屬性或材質(zhì)的明暗、灰度、色彩等幾何元素：刻畫形狀的點(diǎn)、線、面、體等幾何要素2022/9/1514第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念 的點(diǎn)組成一幅離散化了的數(shù)字圖像。也就是說，圖像被分割為一個(gè)個(gè)離散的點(diǎn)，所以稱之為點(diǎn)位圖，簡稱位圖，從而圖像又可以看成是計(jì)算機(jī)內(nèi)以位圖(Bitmap)形式存在的灰度信息。 2.圖像一般具有信息精煉、表達(dá)精確、表達(dá)直觀、易于交流和理解的優(yōu)點(diǎn)。2矢量圖和位圖的比較及轉(zhuǎn)換1矢量圖和位圖的比較 如以下圖1-1所示，兩者之間的差異如下：2022/9/1515第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的

9、根底知識1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念矢量圖（圖形）位圖（圖像）容量與圖的復(fù)雜程度有關(guān)，一般較小與圖的尺寸和顏色有關(guān)，一般較大文件內(nèi)容圖形指令圖像點(diǎn)陣數(shù)據(jù)顯示速度圖越復(fù)雜，需要執(zhí)行的指令越多，顯示越慢與圖的容量（含像素點(diǎn)多少）有關(guān)應(yīng)用特點(diǎn)容易編輯，適合 “繪制”和創(chuàng)建，但表現(xiàn)力受限適于“獲取”和“復(fù)制”，表現(xiàn)力豐富，但編輯起來較復(fù)雜圖 1-12022/9/1516第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念2矢量圖和位圖的轉(zhuǎn)化 圖形和圖像之間的轉(zhuǎn)化主要包括文件在輸入/輸出設(shè)備之間的硬轉(zhuǎn)化和文件格式之間的軟轉(zhuǎn)化。硬轉(zhuǎn)化 所謂硬轉(zhuǎn)化是指圖形和圖像之間通過輸入輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn) 相互之間的

10、轉(zhuǎn)化。例如：有一張工程圖紙： 如果用掃描儀將它掃描后導(dǎo)入Photoshop，那么它就變成 圖像信息，因?yàn)閽呙鑳x只能將圖紙上的畫面轉(zhuǎn)化成點(diǎn)位圖 ；如果用數(shù)字化儀輸入AutoCAD，那么它就變成圖形信息, 因?yàn)閿?shù)字化儀支持圖形輸入。這說明圖形和圖像間可以通 過輸入設(shè)備來轉(zhuǎn)化。 相同地，輸出時(shí)，如果將AutoCAD中的工程圖通過打印機(jī)2022/9/1517第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念，那么必須先對圖形進(jìn)行點(diǎn)陣化，才能被打印機(jī)識別。這個(gè)過程就是圖形圖像間的硬轉(zhuǎn)化。如果用繪圖儀輸出，那么無須轉(zhuǎn)化，因?yàn)槔L圖儀支持圖形輸出。軟轉(zhuǎn)化所謂軟轉(zhuǎn)化是指利用圖形圖像處理軟件應(yīng)用軟件來轉(zhuǎn)

11、化文件的格式。例如： 將AutoCAD的DWG矢量圖轉(zhuǎn)化為BMP、GIF等格式點(diǎn)位圖就屬于圖形圖像之間的軟轉(zhuǎn)化。目前，提供圖形圖像之間軟轉(zhuǎn)化功能的應(yīng)用程序軟件有CorelDraw、 Phot -oshop、ACDSee等。 圖形圖像間的軟轉(zhuǎn)化和硬轉(zhuǎn)化在理論和實(shí)際中都是可行的，不過兩者間的轉(zhuǎn)化會(huì)造成一些細(xì)節(jié)的喪失或失真。2022/9/1518第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念 二、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的定義 什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)呢？簡單地講，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究計(jì)算機(jī)繪圖的一門學(xué)科。但是這樣的定義并不科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)檫@樣容易使人們將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)圖像處理Image Proces

12、sing混淆。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)所研究的圖形為從客觀世界的物體中抽象出來的帶有灰度或色彩及形狀的圖或形。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO，對計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作如下定義：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)Computer Graphics、簡稱CG是研究通過計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專用的顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科，換句話說，是指利用計(jì)算機(jī)研究圖形的表示、生成、處理、顯示的學(xué)科。2022/9/1519計(jì)算機(jī)中圖形的表示方法： 參數(shù)表示法：圖形用形狀參數(shù)和屬性參數(shù)來表示。形狀參數(shù)可以是描述其形狀的數(shù)學(xué)方程的系數(shù)、線段的起始點(diǎn)及終止點(diǎn)等；屬性參數(shù)那么包括灰度、色彩、線型等非幾何屬性。這種方法強(qiáng)調(diào)圖形的“形的概念。 點(diǎn)陣表示法

13、：圖形用帶有灰度或色彩的點(diǎn)陣來表示。這種方法強(qiáng)調(diào)圖形的“灰度而不是“形。2022/9/1520第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念圖形的具體應(yīng)用范圍很廣，但是從根本的處理技術(shù)看主要分為兩類： (1) 一類是線條式，如工程圖、地圖、曲線圖表、電路的原理圖、曲面的線框圖等； (2) 另一類是明暗圖(Shanding)，與照片相似，也就是通常所說的真實(shí)感圖形，如汽車、飛機(jī)、輪船等的外型設(shè)計(jì)以及各種藝術(shù)品造型設(shè)計(jì)等。 如以下圖1-2所示：2022/9/1521第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念明暗圖(Shanding)線條式圖 1-2022/9/152

14、2為了生成圖形，首先要有原始數(shù)據(jù)或數(shù)學(xué)模型，如工程人員構(gòu)思的草圖，飛機(jī)的總體方案模型，企業(yè)經(jīng)營的月統(tǒng)計(jì)資料等。這些數(shù)字化的輸入經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后變成圖形輸出。第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念計(jì)算機(jī)圖形處理系統(tǒng)輸入信息：數(shù)據(jù)輸出信息：圖形圖1.3 圖形處理過程計(jì)算機(jī)圖形學(xué)一個(gè)主要的目的就是要利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生令人賞心悅目的真實(shí)感圖形。同時(shí)，真實(shí)感圖形計(jì)算的結(jié)果有時(shí)以數(shù)字圖象的方式提供的，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)也就和圖像處理有著密切的關(guān)系。2022/9/1523計(jì)算機(jī)圖形產(chǎn)生的方法有兩種：1.矢量法短折線法2.描點(diǎn)法相鄰像素串接法第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本

15、概念2022/9/1524第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念 三、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的的相關(guān)學(xué)科 圖像處理( Image Processing)、模式識別Pattern recognition和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(Computer Graphics)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域開展的3個(gè)分支學(xué)科，他們之間有一定的區(qū)別和聯(lián)系。所謂區(qū)別是指： 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究根據(jù)給定的描述如數(shù)學(xué)公式或數(shù)據(jù)等，用計(jì)算機(jī)生成相應(yīng)的圖形、圖像，和顯示圖形的學(xué)科；研究的是從數(shù)據(jù)描述到圖形生成的過程； 圖像處理：利用計(jì)算機(jī)及其它有關(guān)數(shù)字技術(shù)對客觀物體的影像施加某種運(yùn)算和處理，然后再現(xiàn)圖像，從而到達(dá)某種預(yù)想

16、的目的，如圖像的數(shù)字化、增強(qiáng)、恢復(fù)、編碼、分割、重建、分析、壓縮、傳輸?shù)?。如人體的CT掃描、X射線探傷等；2022/9/1525模式識別：計(jì)算機(jī)對所輸入的圖形信息進(jìn)行識別和分析描述，找出其中蘊(yùn)涵的內(nèi)在聯(lián)系或抽象模型，是從圖形圖形到描述的過程。如郵政分檢設(shè)備掃描信件上手寫的郵政編碼，并將編碼用圖象復(fù)原成數(shù)字等；它們之間的關(guān)系如圖1.4和表1所示。第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念2022/9/1526描述對象的幾何數(shù)據(jù)或者數(shù)學(xué)特征（方程）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)所要顯示出的圖形圖像處理處理后新的圖形模式識別圖1.4 圖像處理、模式識別和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之間的關(guān)系2022/9/1527第

17、1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念 學(xué)科 內(nèi)容計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（CG）模式識別（PR）圖像處理（IP）輸入形式描述視覺表達(dá)視覺表達(dá)輸出視覺表達(dá)形式描述視覺表達(dá)對象直線、文字、像、域或其集合生成或掃描的圖像掃描的圖像目的圖形生成、表達(dá)、分段、變換模式、機(jī)構(gòu)分析、景物分析圖像增強(qiáng)表1：三個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的異同2022/9/1528第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本概念數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型圖像生成（計(jì)算機(jī)圖形學(xué)）模型（特征）提?。ㄓ?jì)算機(jī)視覺，模式識別）模型變換（計(jì)算幾何）圖像變換（圖像處理）說明：圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、模式識別、計(jì)算幾何與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)都是與圖形信息處理

18、有關(guān)的學(xué)科，由于光柵掃描圖形顯示器的廣泛使用以及各學(xué)科之間的相互滲透和溝通，它們之間的關(guān)系越來越密切，但是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)仍起著根底和核心的作用。圖1.5 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與其他相關(guān)學(xué)科之間的關(guān)系2022/9/1529 在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，圖形生成方式有兩種，交互式繪圖和被動(dòng)式繪圖。數(shù)據(jù)庫圖形庫程序庫輸入設(shè)備功能鍵光筆、鼠標(biāo)圖形輸入板微型計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪圖儀或打印機(jī)圖形 人 實(shí)時(shí)觀察顯示器交互式繪圖過程2022/9/1530數(shù)據(jù)或程序計(jì)算機(jī)圖形信息繪圖儀顯示器或圖形被動(dòng)式繪圖過程2022/9/15311.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容如何在計(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

19、法，構(gòu)成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容非常廣泛，大體上包括以下幾個(gè)方面：1：幾何模型構(gòu)造技術(shù)Geometric Modelling2：圖形生成技術(shù)Image Synthesis 3：圖形的操作和處理方法(Picture Manipulation) 4：圖形信息存儲、檢索與交換技術(shù) 5：人機(jī)交互及用戶接口技術(shù)6：動(dòng)畫和游戲制作技術(shù)。研究高速動(dòng)畫的各種軟硬件方法、開發(fā)工具、動(dòng)畫語言等。2022/9/1532第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1. 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容7：圖形輸出設(shè)備與輸出技術(shù)。例如各種圖形顯示器圖形卡、圖形終端、圖形工作站等邏輯結(jié)構(gòu)的研究。實(shí)現(xiàn)高級圖形功能的專用

20、芯片ASIC的開發(fā)，圖形硬拷貝設(shè)備特別是彩色硬拷貝設(shè)備的研究。 8：圖形標(biāo)準(zhǔn)與圖形軟件包的技術(shù)開發(fā)。如制定一系列國際圖形標(biāo)準(zhǔn)，以滿足多方面圖形應(yīng)用軟件開發(fā)工作的需要，并使圖形應(yīng)用軟件擺脫對硬件設(shè)備的依賴，允許在不同系統(tǒng)之間方便的進(jìn)行移值。我們著重討論與圖形生成技術(shù)、幾何模型構(gòu)造技術(shù)、圖形的操作和處理方法相關(guān)的原理與算法以及人機(jī)交互及用戶接口等技術(shù)。2022/9/15339：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造三者一體化。10：虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的生成。11：科學(xué)計(jì)算可視化。2022/9/15341.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的開展概況計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是隨著計(jì)算機(jī)硬件特別是圖形顯示設(shè)備的發(fā)展而逐漸產(chǎn)生、開展起

21、來的。因此它的開展包括硬件、軟件和算法三個(gè)方面的內(nèi)容。1. 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展2.計(jì)算機(jī)圖形軟件及算法類型.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在我國的發(fā)展 2022/9/1535第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1. 起步階段 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)的附件誕生了。該顯示器用一個(gè)類似于示波器的陰極射線管 (CRT) 來顯示一些簡單的圖形。 一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的開展1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的開展概況2. 開展階段60年代1962年，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的I. E. Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個(gè)人機(jī)交互通信的圖形系統(tǒng)的博士論文他

22、在論文中首次使用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)“Computer Graphics這個(gè)術(shù)語，證明了交互計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一個(gè)可行的、有用的研究領(lǐng)域，從而確定了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為一個(gè)嶄新的科學(xué)分支的獨(dú)立地位。2022/9/1536第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識3. 成熟階段70年代光柵圖形學(xué)迅速開展 70年代是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)開展過程中一個(gè)重要的歷史時(shí)期。由于光柵顯示器的產(chǎn)生，在60年代就已萌芽的光柵圖形學(xué)算法，迅速開展起來，區(qū)域填充、裁剪、消隱等根本圖形概念、及其相應(yīng)算法紛紛誕生，圖形學(xué)進(jìn)入了第一個(gè)興盛的時(shí)期，并開始出現(xiàn)實(shí)用的CAD圖形系統(tǒng)。真實(shí)感圖形學(xué) 70年代，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)另外兩個(gè)重要進(jìn)展是真實(shí)感圖形學(xué)和實(shí)體造型技

23、術(shù)的產(chǎn)生。1970年Bouknight提出了第一個(gè)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。1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的開展概況2022/9/1537第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識 1975年P(guān)hong提出了著名的簡單光照模型- Phong模型。這些可以算是真實(shí)感圖形學(xué)最早的開創(chuàng)性工作。實(shí)體造型技術(shù) 從1973年開始，相繼出現(xiàn)了英國劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng)、美國羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)等一些實(shí)體造型系統(tǒng)。4. 推廣階段80年代至今1980年Whitted提出了一個(gè)光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例，實(shí)現(xiàn)W

24、hitted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(jì)算機(jī)圖形學(xué)中;用輻射度方法成功地模擬了理想漫反射外表間的多重漫反射效果。1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的開展概況2022/9/1538第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識 光線跟蹤算法和輻射度算法的提出，標(biāo)志著真實(shí)感圖形的顯示算法已逐漸成熟。80年代中期以來，超大規(guī)模集成電路的開展，為圖形學(xué)的飛速開展奠定了物質(zhì)根底。計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高，圖形處理速度的加快，使得圖形學(xué)的各個(gè)研究方向得到充分開展，圖形學(xué)已廣泛應(yīng)用于動(dòng)畫、科學(xué)計(jì)算可視化、CAD/CAM、影視娛樂等各個(gè)領(lǐng)域。5. ACM SIGGRAPH會(huì)

25、議小知識 全稱 “the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques 。60年代中期，由Brown 大學(xué)的教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司的Sam Matsa發(fā)起。1974年，在Colorado大學(xué)召開了第一屆SIGGRAPH 年會(huì)，并取得了巨大的成功每年只錄取大約50篇論文。1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的開展概況2022/9/1539第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1. 圖形軟件系統(tǒng) 隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、圖形輸入、圖形輸出設(shè)備的開展，計(jì)算機(jī)圖形軟件及其生成、控制圖形的算法也有了很

26、大的開展。近十幾年來，開展了多種不同類型的計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)，目前主要有以下幾種：用現(xiàn)有的某種高級語言寫成的子程序包。用戶使用該語言調(diào)用需要的子程序生成各種圖形，編程相對容易，靈活、正確使用的周期較長。在這類程序包的根底上開發(fā)的圖形程序具有便于移植和推廣的優(yōu)點(diǎn)，但執(zhí)行速度相對較慢，效率較低。這類子程序包很多，例如圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化的典型標(biāo)準(zhǔn)GKS、PHIGS、OPENGL CORE文本等。 二、計(jì)算機(jī)圖形軟件及算法類型1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的開展概況2022/9/1540第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識將某種高級語言的功能加以擴(kuò)充，使其具有圖形生成和處理功能。目前具有圖形生成和處理功能的高級語言很多，

27、如Turbo Pascal、BASIC、Turbo C、Borland C+、Java等，即在相應(yīng)的高級語言中擴(kuò)充了圖形生成及控制的語句或函數(shù)。這中方法的缺點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)起來工作量較大，難以移植；其優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)比較簡練、緊湊、執(zhí)行速度快。專用的圖形系統(tǒng)。對于某一種類型的設(shè)備，可以配置專用的圖形生成語言。其優(yōu)點(diǎn)是：功能強(qiáng)，執(zhí)行速度快，效率更高；缺點(diǎn)是：系統(tǒng)開發(fā)工作量大，功能差異大，難以移植。目前大多數(shù)繪圖儀都配備了相應(yīng)的圖形生成語言，如著名的有GL(Graphics Language)語言、PL(Ploting Language)語言和Dxy語言,這些語言都是與設(shè)備有關(guān)，因此難以在不同的設(shè)備上使用。

28、1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的開展概況2022/9/1541第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識2. 圖形的標(biāo)準(zhǔn)化 為了克服上述矛盾，就要求產(chǎn)生一種可以通用的與設(shè)備無關(guān)的圖形軟件，即圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化問題。 1974年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)化局ANSI在ACM SIGGRAPH的一個(gè)與“與機(jī)器無關(guān)的圖形技術(shù)的工作會(huì)議上，提出了制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的根本規(guī)那么。此后ACM專門成立了一個(gè)圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，開始制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 1977年美國計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)ACM 提出了核心圖形系統(tǒng)CGSCore Graphics System標(biāo)準(zhǔn)。即原西德提出的圖形核心系統(tǒng)GKSGraphics Kernel System。 ISO發(fā)布CGI、CGM、G

29、KS、PHIGS等。 制定標(biāo)準(zhǔn)的目的是考慮到程序的可移植性。當(dāng)使用具體圖形設(shè)備時(shí)只要和這個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)的圖形系統(tǒng)做一個(gè)“接口即可。 1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的開展概況2022/9/1542第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識3.圖形算法的分類 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)所涉及的算法十分豐富，圍繞著生成、表示物體的圖形圖形的準(zhǔn)確性、真實(shí)性和實(shí)時(shí)性，其算法大致可以分為以下幾類。 1 根本圖形元素的生成 2 根本圖形元素的幾何變換、投影變換、窗口裁減 3 自由曲線和曲面如擬和、拼接、分解、整體和局部修改等 4 圖形元素點(diǎn)、線、環(huán)、面、體的求交及分類 5 隱藏線及隱藏面的消除與真實(shí)感的圖形顯示 6 中西文字型生成及變換 7 分形景

30、物的生成如山水、花草、煙霧等模糊景物的生成 8 三維或高維數(shù)據(jù)場的可視化及虛擬現(xiàn)實(shí) 9 三維圖形的實(shí)時(shí)顯示及并行算法 10虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的生成及其控制算法等。 1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的開展概況2022/9/1543第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識 我國開展計(jì)算機(jī)設(shè)備和計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)方面的研究開始于20世紀(jì)年代中后期。到80年代以來，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)無論在理論研究，還是在實(shí)際應(yīng)用的深度和廣度方面都取得了可喜的成績。在圖形設(shè)備方面：研制繪圖儀、數(shù)字化儀、圖形顯示器、鼠標(biāo)等；如1970年我國成功研制了黑白光筆圖形顯示器75-1型，1976年又成功研制了彩色光筆圖形顯示器75-2型。軟件方面：有國家攻關(guān)、高

31、技術(shù)工程及國家自然科學(xué)基金中的關(guān)于計(jì)算機(jī)圖形軟件研究的課題如二維交互繪圖系統(tǒng)已進(jìn)入商品化階段，三維幾何造型系統(tǒng)在國內(nèi)也有幾個(gè)比較實(shí)用的版本； 三、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在我國的開展 1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的開展概況2022/9/1544第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識學(xué)術(shù)刊物方面:在我國與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)有關(guān)的學(xué)術(shù)刊物有?計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)? 、 ?工程圖學(xué)學(xué)報(bào)? 、 ?計(jì)算機(jī)輔助工程? 、 ?中國圖形圖象學(xué)報(bào)?等。 1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的開展概況2022/9/15451.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用與研究前沿本節(jié)我們主要介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一些根本應(yīng)用領(lǐng)域和研究前沿。2.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究

32、前沿2022/9/1546 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是近年來隨著對計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理的不斷研究和新技術(shù)的不斷產(chǎn)生，使得它深入到生產(chǎn)、科研、教學(xué)及生活等領(lǐng)域，目前主要應(yīng)用在如下領(lǐng)域： 1. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造CAD/CAM 2. 可視化3. 圖形實(shí)時(shí)繪制與自然景物仿真 4. 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫5. 用戶接口 6. 計(jì)算機(jī)藝術(shù)7. 地理信息系統(tǒng) 8. 辦公自動(dòng)化與電子印刷9. 科學(xué)、技術(shù)及事物管理中的交互式繪圖10. 過程控制及系統(tǒng)模擬11計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿 一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域2022/9/15471.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造C

33、AD/CAM 第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿CAD/CAM是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活潑的應(yīng)用領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)被用來進(jìn)行土建工程、機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，包括：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)等。有時(shí)，著眼于產(chǎn)生工程和產(chǎn)品相應(yīng)結(jié)構(gòu)的精確圖形。然而更常用的是對所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)、產(chǎn)品和工程的相關(guān)圖形進(jìn)行人-機(jī)交互設(shè)計(jì)和修改，經(jīng)過反復(fù)的迭代設(shè)計(jì)，便可利用結(jié)果數(shù)據(jù)輸出零件表、材料單、加工流程和工藝卡，或者數(shù)據(jù)加工代碼的指令。2022/9/1548第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用

34、與研究前沿在電子工業(yè)中，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用到集成電路、印刷電路板、電子線路和網(wǎng)絡(luò)分析等方面的優(yōu)勢是十清楚顯的。 一個(gè)復(fù)雜的大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路幅員根本不可能用手工設(shè)計(jì)和繪制，用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)不僅能進(jìn)行設(shè)計(jì)和畫圖，而且可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成，把其結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進(jìn)行加工處理。在飛機(jī)工業(yè)中，例如美國波音飛機(jī)公司已用有關(guān)的CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)波音777飛機(jī)的整體設(shè)計(jì)和模擬無紙?jiān)O(shè)計(jì)，其中包括飛機(jī)外型、內(nèi)部零部件的安裝和檢驗(yàn)。在CAD/CAM中，常用軟件有 AutoCAD, GHCAD, Pro/E, SolidWorks, UG, CATIA, MDT等。2022/9/1549圖1.7奧迪效果圖和線框

35、圖第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿2022/9/1550第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿圖1.82022/9/1551第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿圖1.92022/9/1552第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的開展，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行異地異構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)，已經(jīng)成為CAD領(lǐng)域最熱門的課題之一?，F(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)已不再是一個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)孤立的技術(shù)問題，而是綜合了產(chǎn)品各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域、相關(guān)過程、相關(guān)技術(shù)資源和相關(guān)組織形式的系統(tǒng)化工程。它要求設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在合理的組織

36、結(jié)構(gòu)下，采用群體工作方式來協(xié)調(diào)和綜合設(shè)計(jì)者的專長，并且從設(shè)計(jì)一開始就考慮產(chǎn)品生命周期的全部因素，從而到達(dá)快速響應(yīng)市場需求的目的，協(xié)同設(shè)計(jì)的出現(xiàn)使企業(yè)生產(chǎn)的時(shí)空觀發(fā)生了根本的變化。異地設(shè)計(jì)、異地制造、異地裝配成為可能，從而為企業(yè)在市場競爭中贏得了珍貴的時(shí)間。2022/9/1553第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿CAD領(lǐng)域另一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域是基于工程圖紙的三維形體重建。定義:三維形體重建就是從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進(jìn)行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對應(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點(diǎn)、線、面及其拓?fù)潢P(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)形體的重建。

37、優(yōu)勢:三維幾何造型系統(tǒng)，因?yàn)榭梢宰鲅b配件的干預(yù)檢查、以及有限元分析、仿真、加工等后續(xù)操作，代表CAD技術(shù)的開展方向。說明：目前主要的三維形體重建算法是針對多面體和對主軸方向有嚴(yán)格限制的二次曲面體的。任意曲面體的三維形體重建，至今仍是一個(gè)未解決的世界難題。2022/9/1554第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿圖1.10-工程圖及其三維重建結(jié)果12022/9/1555第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿圖1.11-工程圖及其三維重建結(jié)果22022/9/1556第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿2. 可視化

38、科學(xué)技術(shù)的迅猛開展，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)據(jù)的迫切性與日俱增。1986年，美國科學(xué)基金會(huì)NSF專門召開了一次研討會(huì)，會(huì)上提出了“科學(xué)計(jì)算可視化Visualization in Scientific Computing的概念。第二年，美國計(jì)算機(jī)成像專業(yè)委員會(huì)向NSF提交了“科學(xué)計(jì)算可視化的研究報(bào)告后，VISC就迅速開展起來了。目前科學(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。尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的開展前途。依靠精密機(jī)械做腦部手術(shù)已經(jīng)由機(jī)械人和醫(yī)學(xué)專家配合做遠(yuǎn)程手術(shù)是目前醫(yī)學(xué)上很熱門的課題，而這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)的根底那么是可視化。

39、2022/9/1557第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿可視化技術(shù)將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖象，并通過一定的技術(shù)生成在人體內(nèi)漫游的圖象，使得醫(yī)生能夠看到并準(zhǔn)確地判別病人體內(nèi)的患處，然后通過碰撞檢測一類的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手術(shù)效果的反響，幫助醫(yī)生成功完成手術(shù)。從目前的研究狀況來看，這項(xiàng)技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟，離實(shí)用還有一定的距離。主要難點(diǎn)在于生成人體內(nèi)漫游圖象的三維體繪制技術(shù)還沒有到達(dá)實(shí)時(shí)的程度，而且現(xiàn)在大多體繪制技術(shù)是基于平行投影的，而漫游那么需要真實(shí)感更強(qiáng)的透視投影技術(shù)，然而體繪制的透視投影技術(shù)到還沒有很好地解決。另外在漫游當(dāng)中還要根據(jù)CT圖象區(qū)分出不同的體內(nèi)組織，這項(xiàng)技

40、術(shù)叫Segmentation。目前的Segmentation主要是靠人機(jī)交互來完成，遠(yuǎn)未到達(dá)自動(dòng)實(shí)時(shí)的地步。2022/9/1558第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿圖1.12-腦外科手術(shù)導(dǎo)航2022/9/1559第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿圖1.13-骨科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)顯示2022/9/1560第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿3. 真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制與自然景物仿真在計(jì)算機(jī)中重現(xiàn)真實(shí)世界的場景叫做真實(shí)感繪制。真實(shí)感繪制的主要任務(wù)是模擬真實(shí)物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀、光學(xué)性質(zhì)、外

41、表的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置、遮擋關(guān)系等等。其中光照和外表屬性是最難模擬的。為了模擬光照，已有各種各樣的光照模型。從簡單到復(fù)雜排列分別是：簡單光照模型、局部光照模型和整體光照模型。繪制方法有:1.模擬光實(shí)際傳播過程的光線跟蹤法，2.模擬能量交換的輻射度方法。 除了建造計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)的逼真物理模型外，真實(shí)感繪制還有一個(gè)研究重點(diǎn)是研究加速算法，力求能在最短時(shí)間內(nèi)繪制出最真實(shí)的場景。2022/9/1561第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿加速算法有:求交算法的加速、光線跟蹤的加速、包圍體樹、自適應(yīng)八叉樹等等。 實(shí)時(shí)真實(shí)感繪制已經(jīng)成為當(dāng)前真實(shí)感繪制的研究熱點(diǎn)，

42、而當(dāng)前真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制的兩個(gè)熱點(diǎn)問題那么是物體網(wǎng)格模型的面片簡化和基于圖象的繪制IBR Image Based Rendering。 1.網(wǎng)格模型的面片簡化：就是指對網(wǎng)格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內(nèi)刪除點(diǎn)、邊、面，從而簡化所繪制場景的復(fù)雜層度，加快圖形繪制速度。 2.基于圖象的繪制IBR：完全摒棄傳統(tǒng)的先建模，然后確定光源的繪制方法，它直接從一系列的圖象中生成未知視角的圖象，適用于野外極其復(fù)雜場景的生成和漫游。2022/9/1562圖1.14-綜合色彩、光照、紋理的場景第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿2022/9/1563第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底

43、知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿室內(nèi)場景的繪制圖1.152022/9/1564第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿野外自然景物的模擬。真實(shí)感繪制已經(jīng)從最初繪制簡單的室內(nèi)場景開展到現(xiàn)在大量模擬野外自然景物，比方繪制山、水、云、樹、火等等。特點(diǎn)：野外場景遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜于室內(nèi)場景，繪制難度更大，方法更趨多樣化。人們提出了多種方法來繪制這些自然景物，比方：繪制火和草的粒子系統(tǒng)Particle System，基于生理模型的繪制植物的方法，繪制云的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)方法等。也出現(xiàn)了一些自然景物仿真繪制的綜合平臺，如德國Lintermann 和 Deussen的繪制植物的平臺Xfor

44、g，以及清華大學(xué)自主開發(fā)的自然景物設(shè)計(jì)平臺。2022/9/1565圖1.16-由清華大學(xué)自然景物平臺生成的野外場景第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿2022/9/1566第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿圖1.17室外自然景觀的繪制2022/9/1567圖1.18-日本Yoshinori Dobashi等人繪制的真實(shí)感云第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿2022/9/1568圖1.19-Xfrog3.0生成的挪威云杉第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿2022/9/15

45、69第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿4. 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫 隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)硬件的不斷開展，人們已經(jīng)不滿足于僅僅生成高質(zhì)量的靜態(tài)場景，于是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫就應(yīng)運(yùn)而生。事實(shí)上計(jì)算機(jī)動(dòng)畫也只是生成一幅幅靜態(tài)的圖像，但是每一幅都是對前一幅做一小局部修改如何修改便是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的研究內(nèi)容，這樣，當(dāng)這些畫面連續(xù)播放時(shí)，整個(gè)場景就動(dòng)起來了。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫內(nèi)容豐富多彩，生成動(dòng)畫的方法也多種多樣，比方:基于特征的圖象變形，二維形狀混合，軸變形方法、三維自由形體變形(FFD, Free-Form Deformation)等。2022/9/1570第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算

46、機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的分類： 二維動(dòng)畫: -圖像變形 -形狀混合 -軸變形方法 三維動(dòng)畫: -關(guān)鍵幀動(dòng)畫 -自由變形物體的動(dòng)畫 -過程動(dòng) 畫 -關(guān)節(jié)動(dòng)畫與人體動(dòng)畫計(jì)算機(jī)動(dòng)畫近十多年來取得了很大的開展，已滲透到人們生活的各個(gè)角落。20世紀(jì)90年代是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫應(yīng)用輝煌的十年。Disney公司每年都要出一部制作精美的卡通動(dòng)畫片，好萊塢的大片屢屢大量運(yùn)用計(jì)算機(jī)生成各種各樣精彩絕倫的特技效果，廣告設(shè)計(jì)、電腦游戲、教育、軍事、飛行模擬也頻頻運(yùn)用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫也因這些商業(yè)應(yīng)用的大力推動(dòng)而有了極大的開展。 制作軟件：MAYA, 3D-MAX, SOFTIMAGE , Flash2022/

47、9/1571圖1.20-基于特征的圖像變形貓變虎第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿2022/9/157212第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿圖1.21-利用參數(shù)關(guān)鍵幀技術(shù)動(dòng)化生成的小狗動(dòng)態(tài)圖2022/9/1573345678第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿2022/9/1574第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿圖1.22-由三維FFD操作得到的魚的變形圖注：FFD表示自由形體變形 2022/9/1575第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究

48、前沿計(jì)算機(jī)動(dòng)畫視頻2022/9/1576第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿5. 用戶接口 用戶接口是人們使用計(jì)算機(jī)的第一觀感。一個(gè)友好的圖形化的用戶界面能夠大大提高軟件的易用性。在DOS時(shí)代，計(jì)算機(jī)的易用性很差，編寫一個(gè)圖形化的界面要費(fèi)去大量的勞動(dòng)，過去傳統(tǒng)的軟件中有60的程序是用來處理與用戶接口有關(guān)的問題和功能的。進(jìn)入80年代后，隨著Xwindow標(biāo)準(zhǔn)的提出，蘋果公司圖形化操作系統(tǒng)的推出，特別是微軟公司W(wǎng)indows操作系統(tǒng)的普及，標(biāo)志著圖形學(xué)已經(jīng)全面融入計(jì)算機(jī)的方方面面。如今在任何一臺普通計(jì)算機(jī)上都可以看到圖形學(xué)在用戶接口方面的應(yīng)用。操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件中的圖

49、形、動(dòng)畫比比皆是，程序直觀易用。很多軟件幾乎可以不看任何說明書，而根據(jù)它的圖形、或動(dòng)畫界面的指示進(jìn)行操作。2022/9/1577第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿目前幾個(gè)大的軟件公司都在研究下一代用戶界面，開發(fā)面向主流應(yīng)用的自然、高效多通道的用戶界面。研究多通道語義模型、多通道整合算法及其軟件結(jié)構(gòu)和界面范式是當(dāng)前用戶界面和接口方面研究的主流方向，而圖形學(xué)在其中起主導(dǎo)作用。計(jì)算機(jī)軟件從事藝術(shù)創(chuàng)作?？捎糜诿佬g(shù)創(chuàng)作的軟件很多，例如：二維平面的畫筆程序如CorelDraw，Photoshop，PaintShop專門的圖表繪制軟件如Visio三維建模和渲染軟件包如3DMA

50、X，Maya、以及一些專門生成動(dòng)畫的軟件如Alias，Softimage等。6. 計(jì)算機(jī)藝術(shù)2022/9/1578第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿優(yōu)點(diǎn)：提供多種風(fēng)格的畫筆畫刷。提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖象進(jìn)行霧化，變形等操作?？梢匀我庑薷?，取消敗筆。缺乏：無法到達(dá)傳統(tǒng)繪畫中風(fēng)格化的 藝術(shù)效果。很難得到有素描效果、油畫效果的藝術(shù)品。比方鋼筆素描的效果，中國毛筆書法的效果，而且在傳統(tǒng)繪畫中有許多個(gè)人風(fēng)格化的效果也是上述軟件所無法企及的。然而圖形學(xué)工作者們是不甘失敗的，就在真實(shí)感圖形學(xué)如火如荼開展的同時(shí)，模擬藝術(shù)效果的非真實(shí)感繪制NPR Non-Photor

51、ealistic Rendering也在逐漸開展。 2022/9/1579第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿非真實(shí)感繪制。鋼筆素描是非真實(shí)感繪制的一個(gè)重要內(nèi)容，目前仍然是一個(gè)非?；顫姷难芯款I(lǐng)域。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)模擬鋼筆素描。由于鋼筆素描與傳統(tǒng)的圖形學(xué)繪制方法差異很大，所以研究起來難度也頗大，但是很多學(xué)者已經(jīng)在這方面做了卓有成效的工作，比方華盛頓大學(xué)的Georges Winkenbach， Michael P.Salisbury，德國Ma

52、gdeburg大學(xué)的Oliver Deussen等人都在Siggraph會(huì)議上發(fā)表了高水平的論文。中國國畫與書法的生成。2022/9/1580圖1.23-Georges Winkenb1ach繪制的壺和碗(Siggraph96)第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿2022/9/1581圖1.24-Salisbury繪制的茶壺(Siggraph97)第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿2022/9/1582圖1.25-Salisbury繪制的熊(Siggraph97)第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿20

53、22/9/1583圖1.26-Oliver Deussen繪制的素描樹(Siggraph2000)第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿2022/9/1584第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿計(jì)算機(jī)藝術(shù)圖片2022/9/1585 地理信息系統(tǒng)是建立在地理圖形根底上的信息管理系統(tǒng),目前已經(jīng)在許多國家得到廣泛的應(yīng)用。在圖形技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及管理信息相結(jié)合的地理信息系統(tǒng)GIS中，圖形起著核心和控制的作用。 圖形顯示技術(shù)在辦公自動(dòng)化和事物處理中的使用，有助于數(shù)據(jù)及其相互關(guān)系的有效表達(dá)，因而有利于人們進(jìn)行正確的決策。第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底

54、知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿7. 地理信息系統(tǒng)8.辦公自動(dòng)化與電子印刷 2022/9/1586 應(yīng)用圖形學(xué)最多的領(lǐng)域之一是繪制事務(wù)管理中的各種圖形，如統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的二維及三維圖形、直方圖、線條圖、表示百分比的扇形圖等等，還可以繪制工作進(jìn)程圖、庫存和生產(chǎn)進(jìn)程圖以及大量的其它圖形。所有這些都以簡明的形式呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)的模型和趨勢以增加對復(fù)雜現(xiàn)象的理解，并促進(jìn)決策的制定。 軟件業(yè) 教育業(yè) 其他與考研 未就業(yè)96、97級就業(yè)情況人 數(shù)行業(yè)第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿9.科學(xué)、技術(shù)及事物管理中的交互式繪圖 2022/9/1587 用戶利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)現(xiàn)與其控制

55、或管理對象間的相互作用。例如石油化工、金屬冶煉、電網(wǎng)控制的有關(guān)人員可以根據(jù)設(shè)備關(guān)鍵部位的傳感器送來的圖形和數(shù)據(jù)，對設(shè)備運(yùn)行過程進(jìn)行有效的監(jiān)視和控制；機(jī)場的飛行控制人員和鐵路的調(diào)度人員可通過計(jì)算機(jī)產(chǎn)生運(yùn)行狀態(tài)信息來有效、迅速、準(zhǔn)確地調(diào)度，調(diào)整空中交通和鐵路運(yùn)輸。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已廣泛地應(yīng)用與計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)中，它可以使教學(xué)過程形象、直觀、生動(dòng)，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果。隨著微型計(jì)算機(jī)在家庭的普及，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)將深入到家庭和幼兒教育，并得到迅猛開展。 第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿10. 過程控制及系統(tǒng)模擬 11.計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)2022/9/158

56、8計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的內(nèi)容很多，當(dāng)前這一領(lǐng)域主要研究的前沿課題有如下幾個(gè)方面：造型技術(shù)三維信息重建技術(shù)圖形數(shù)據(jù)庫動(dòng)態(tài)繪圖計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助 制造三者一體化應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的生成科學(xué)計(jì)算可視化第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿 二、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究前沿2022/9/1589第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿虛擬現(xiàn)實(shí) Virtual Reality 是繼多媒體以后另一個(gè)在計(jì)算機(jī)界引起廣泛關(guān)注的研究熱點(diǎn)。它是利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境如飛機(jī)駕駛艙、操作現(xiàn)場等，通過多種傳感器和設(shè)備使用

57、戶“投入到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行交互的技術(shù)。圖1.27-VR輸入輸出設(shè)備2022/9/15901.5 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)：可定義為是計(jì)算機(jī)硬件、圖形輸入輸出設(shè)備、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件和圖形軟件的集合。圖形系統(tǒng)的選擇和應(yīng)用是學(xué)習(xí)和掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的前提，圖形系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制是計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程領(lǐng)域中的重要內(nèi)容，只有通過圖形系統(tǒng)我們才有可能開拓、利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的潛力。2.圖形系統(tǒng)的功能和硬件性能要求.圖形系統(tǒng)分類與硬件工作平臺1.圖形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2022/9/1591第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.5 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)由硬件和軟件兩局部組成，如以下圖1.2

58、8所示： 一、圖形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 人 輸入設(shè)備鍵盤鼠標(biāo)數(shù)字化儀光筆掃描儀攝像機(jī)主機(jī)輸出設(shè)備顯示器繪圖儀打印機(jī)應(yīng)用軟件圖形軟件數(shù)據(jù)庫高級語言操作系統(tǒng) 軟件硬件圖1.28-圖形系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)示意圖2022/9/1592第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.5 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成1. 硬件設(shè)備硬件設(shè)備是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)存在和開展的物質(zhì)根底，計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的硬件和組成與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，也與電子器件的技術(shù)如VLSI技術(shù)、微電子技術(shù)、精密機(jī)械設(shè)備技術(shù)等的開展密切相關(guān)。計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的功能在這個(gè)根底上不斷地增強(qiáng)，從早期的單一圖形顯示、輔助繪圖功能，開展到目前的顯示、處理、繪制、采集、存儲、壓縮、傳輸?shù)裙δ埽?/p>

59、達(dá)了一個(gè)新的高度。現(xiàn)在，許多圖形系統(tǒng)已經(jīng)配置了能夠處理多媒體信息的系統(tǒng)，它不僅能夠處理圖形，而且還能處理圖像、聲音、動(dòng)畫和視頻信息，其功能得到了大大的增強(qiáng)。2022/9/1593第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.5 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成2. 圖形系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件在計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)中占有非常重要的位置。最核心的一層是系統(tǒng)軟件如操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)等，它能夠保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)正常工作，是使用和管理計(jì)算機(jī)的軟件。 中間一層是圖形軟件，圖形軟件是圖形系統(tǒng)根本功能軟件，圖形交互程度主要取決于圖形軟件。圖形軟件的功能包括：繪圖、圖形編輯、存儲、計(jì)算和控制輸入輸出，同時(shí)圖形軟件還應(yīng)具有良好的用戶界面。最外層是應(yīng)用軟

60、件，它是針對用戶某一特定任務(wù)而設(shè)計(jì)的程序包如航空、電子、機(jī)械、土建等的專業(yè)應(yīng)用軟件。說明：在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，人始終處于主導(dǎo)地位。2022/9/1594第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根底知識1.5 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成1. 根本功能一個(gè)計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)至少應(yīng)具有以下的五個(gè)根本功能：計(jì)算、存儲、對話、輸入、輸出。 計(jì)算功能：應(yīng)含形體設(shè)計(jì)、分析的算法程序庫和描述星體 的DB。 存儲功能：在內(nèi)外存中存放數(shù)據(jù)，尤其是圖元間的連接關(guān)系及屬性信息。并能保存對圖形的刪除、增加、修改等信息。 對話功能：通過圖形顯示器直接進(jìn)行人-機(jī)對話。使設(shè)計(jì)人員對計(jì)算結(jié)果和圖形利用定位、拾取等手段進(jìn)行修改，同時(shí)對設(shè)計(jì)者或操作人員執(zhí)行的錯(cuò)