CG第1章電子教案

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)王創(chuàng)存煙臺(tái)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2023/2/41教學(xué)要求了解圖形系統(tǒng)的框架及其涉及的軟件、硬件技術(shù)；了解圖形學(xué)的基本問題，掌握?qǐng)D形學(xué)的基本概念、方法與算法；對(duì)與圖形相關(guān)的應(yīng)用及當(dāng)前的研究熱點(diǎn)有一個(gè)初步認(rèn)識(shí)；具有一定實(shí)踐體會(huì)和相關(guān)的編程能力.

2023/2/42課程內(nèi)容（共48學(xué)時(shí)）第1章概論 （3學(xué)時(shí)）第2章計(jì)算機(jī)圖形設(shè)備 （3學(xué)時(shí)）第3章交互式技術(shù) （3學(xué)時(shí)）第4章幾何造型技術(shù) （12學(xué)時(shí)）第5章基本圖形生成算法 （12學(xué)時(shí)）第6章二維圖形變換及二維觀察（12學(xué)時(shí)）第7章三維圖形變換及三維觀察* （2學(xué)時(shí)）第8章曲線和曲面* （2學(xué)時(shí)）第9章真實(shí)感圖形顯示* （2學(xué)時(shí)）2023/2/43主要參考書目陳傳波、陸楓，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)，2001孫家廣，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（第三版），清華大學(xué)出版社，1999。唐澤圣，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)，清華大學(xué)出版社，1995DonaldHearn,M.PaulineBaker,“ComputerGraphics(CVersion)”,PrenticeHall,1997.JamesD.Foley,AndriesvanDametc.,“IntroductiontoComputerGraphics”,Addison-Wesley,19962023/2/44第1章概論提出問題什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)？計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的對(duì)象是什么？計(jì)算機(jī)圖形處理系統(tǒng)的構(gòu)造？2023/2/451.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及其相關(guān)概念計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對(duì)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(duì)象都稱為圖形。如：(1)自然景物(2)照片和圖片(3)工程圖、設(shè)計(jì)圖和方框圖(4)人工美術(shù)繪畫、雕塑品(5)用數(shù)學(xué)方法描述的圖形（包括幾何圖形、代數(shù)方程、分析表達(dá)式或列表所確定的圖形）2023/2/46計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對(duì)象——圖形計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的圖形概念:是指由點(diǎn)、線、面、體等幾何要素和明暗、灰度（亮度）、色彩等非幾何要素構(gòu)成的，從現(xiàn)實(shí)世界中抽象出來的帶有灰度、色彩及形狀的圖或形。2023/2/47兩類圖形要素：1.幾何要素：點(diǎn)，線，面，體等；2.非幾何要素：明暗，灰度，色彩等計(jì)算機(jī)圖形學(xué)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和形。2023/2/48圖形的兩種表示方法：點(diǎn)陣法是用具有顏色信息的點(diǎn)陣來表示圖形的一種方法，它強(qiáng)調(diào)圖形由哪些點(diǎn)組成，并具有什么灰度或色彩。參數(shù)法是以計(jì)算機(jī)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(diǎn)陣法描述的圖形叫做圖象（Image）2023/2/491.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（ComputerGraphics）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究怎樣利用計(jì)算機(jī)來顯示、生成和處理圖形的原理、方法和技術(shù)的一門學(xué)科。IEEE定義：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.2023/2/410計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(computergraphics,CG)用計(jì)算機(jī)生成景物的數(shù)字模型，并將它顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，或者繪制在紙張或膠片上。它是研究如何在計(jì)算機(jī)環(huán)境下生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究對(duì)象景物的幾何建模方法(modeling)、對(duì)模型的處理方法、幾何模型的繪制技術(shù)(rendering)、圖形輸入和控制的人機(jī)交互界面(userinterface)。2023/2/411與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的學(xué)科特征數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)視覺圖象信號(hào)數(shù)字圖象處理試圖從非圖象形式的數(shù)據(jù)描述來生成（逼真的）圖象旨在對(duì)圖象進(jìn)行各種加工以改善圖象的視覺效果研究用計(jì)算機(jī)來模擬生物外顯或宏觀視覺功能的科學(xué)和技術(shù)2023/2/412醞釀期（50年代）1946年，第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的問世推動(dòng)了許多學(xué)科的發(fā)展和新學(xué)科的建立，其中就包括現(xiàn)代圖形學(xué)技術(shù)。1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展1.2.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的確立2023/2/413萌芽期（60年代）1962年，美國(guó)MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的Ivan.E.Sutherland發(fā)表了一篇題為"Sketchpad：第一個(gè)人-機(jī)通信的圖形系統(tǒng)"的博士論文，其中首次使用了“ComputerGraphics”術(shù)語(yǔ)。他提出的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、交互技術(shù)、分層存儲(chǔ)符號(hào)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等新思想已被公認(rèn)為對(duì)交互圖形生成技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。這些基本理論和技術(shù)至今仍是現(xiàn)代圖形技術(shù)的基礎(chǔ)。2023/2/414發(fā)展期（70年代）：IC技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件性價(jià)比提高、廉價(jià)圖形IO設(shè)備及大容量磁盤等出現(xiàn);CADCAM;實(shí)用化;Lockheed,..普及期（80年代）：光柵圖形CRT,PC,WS;大量基于圖像形的應(yīng)用軟件出現(xiàn)提高增強(qiáng)期（90年代）：性能價(jià)格比的極大提高；標(biāo)準(zhǔn)化，集成化，智能化總體特征：技術(shù)發(fā)展、需求驅(qū)動(dòng)2023/2/4151.2.2硬設(shè)備的發(fā)展圖形顯示設(shè)備60年代中期：隨機(jī)掃描的顯示器(閃爍，需刷新)60年代后期：存儲(chǔ)管式顯示器（不能動(dòng)態(tài)顯示，不能局部刪除）70年代中期：光柵掃描的圖形顯示器（OK）。圖形顯示器正向著小型化、低電壓、數(shù)字化方向發(fā)展2023/2/416圖形繪制設(shè)備：用于把圖形畫在紙上，也稱硬拷貝打印機(jī)（針式，噴墨，激光，…）EpsonLX-800(1980s)EPSONStylusPhoto950(2005)2023/2/417繪圖儀（平板，滾筒，靜電，筆式）1959年，美國(guó)Calcomp公司研制出的世界上第一臺(tái)滾筒式繪圖機(jī)，使計(jì)算機(jī)輔助繪圖儀開始代替人工繪圖。PloterHP3500CP2023/2/418圖形輸入設(shè)備二維圖形輸入設(shè)備（鍵盤，光筆，鼠標(biāo)，…）三維圖形輸入設(shè)備（數(shù)據(jù)手套，空間球，…）2023/2/4191.2.3圖形軟件的發(fā)展隨著計(jì)算機(jī)圖形顯示器從專用設(shè)備發(fā)展成標(biāo)準(zhǔn)化的人機(jī)通信接口，圖形顯示及應(yīng)用軟件必然應(yīng)有相應(yīng)的發(fā)展。圖形軟件的發(fā)展早期的繪圖軟件大都采用線框式圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)特別適合于圖形的幾何變換和交互顯示，但無法在計(jì)算機(jī)內(nèi)完整地定義三維物體。20世紀(jì)60年代末期開始研究和發(fā)展實(shí)體造型技術(shù)，如英國(guó)劍橋大學(xué)的I.C.Braid的BUILD系統(tǒng)、美國(guó)羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)和日本北海道大學(xué)的TIPS-1系統(tǒng)。這些系統(tǒng)都在計(jì)算機(jī)內(nèi)提供了對(duì)物體的完整的幾何定義，可隨時(shí)提取所需信息。

開放式、高效率、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化、學(xué)科交叉2023/2/420

IBM公司的CADAM系統(tǒng)目前國(guó)際上應(yīng)用較廣的實(shí)體造型系統(tǒng)有IBM公司的CADAM、DassaultSystem公司的CATIA、SDRC公司的Geomod、PT公司的Pro/Engineer、SpatialTechnology公司的ACIS、Solidworks公司的Solidworks等。設(shè)計(jì)人員可直接在三維空間進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、修改、觀察，從而使設(shè)計(jì)活動(dòng)變得直觀、簡(jiǎn)單、高效。2023/2/4211.2.3計(jì)算機(jī)圖形的標(biāo)準(zhǔn)化圖形顯示軟件由底層次的與設(shè)備有關(guān)的軟件包轉(zhuǎn)變?yōu)楦邔哟蔚呐c設(shè)備無關(guān)的軟件包，就是圖形軟件的標(biāo)準(zhǔn)化過程。與設(shè)備無關(guān)、與應(yīng)用無關(guān)，具有較高性能官方標(biāo)準(zhǔn)第一個(gè)圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)是由德國(guó)提出的圖形核心系統(tǒng)GKS(GraphicsKernelSystem)，這是一個(gè)二維圖形軟件包。1988年，GKS的三維擴(kuò)充GKS-3D成為三維圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)。GKS標(biāo)準(zhǔn)下的圖形2023/2/4221986年，ISO提出程序員分層交互圖形系統(tǒng)PHIGS(Programmer'sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem)，支持三維圖形的層次嵌套結(jié)構(gòu)。PHIGS標(biāo)準(zhǔn)下的圖形2023/2/423近二十年中，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO已經(jīng)批準(zhǔn)和正在討論的與計(jì)算機(jī)圖形有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還有： CGM(ComputerGraphicsMetafile)、 CGI(ComputerGraphicsInterface)、 IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)(非官方標(biāo)準(zhǔn)) 如SGI的OpenGL，微軟的DirectX，Adobe的Postscript等這些標(biāo)準(zhǔn)包括面向圖形設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序包、面向用戶的圖形生成及管理程序包等，其主要作用是為實(shí)現(xiàn)程序的可移植性等。2023/2/424OpenGL1stenvironmentfordevelopingportable,interactive2Dand3Dgraphicsapplications(1992)Industry'smostwidelyusedandsupported2Dand3Dgraphicsapplicationprogramminginterface(API),awidevarietyofcomputerplatforms.2023/2/425DirectXAnadvancedsuiteofmultimediaapplicationprogramminginterfaces(APIs)builtintoMicrosoftWindows(1995)ProvidesastandarddevelopmentplatformforWindows-basedPCswithouthavingtowritehardware-specificcode.2023/2/426PostScriptAprogramminglanguageoptimizedforprintinggraphicsandtext(whetheronpaper,film,orCRT)(1985)Provideaconvenientlanguageinwhichtodescribeimagesinadeviceindependentmanner:theimageisdescribedwithoutreferencetoanyspecificdevicefeatures.2023/2/427用AdobeAcrobat處理文件2023/2/4281.3計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)1.3.1計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的功能

2023/2/4291.計(jì)算功能計(jì)算功能包括：1）圖形的描述、分析和設(shè)計(jì)；2）圖形的平移、旋轉(zhuǎn)、投影、透視等幾何變換；3）曲線、曲面的生成；4）圖形之間相互關(guān)系的檢測(cè)等。2023/2/4302.存儲(chǔ)功能和輸入功能存儲(chǔ)功能

圖形數(shù)據(jù)庫(kù)可以存放各種圖形的幾何數(shù)據(jù)及圖形之間的相互關(guān)系，并能快速方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形的刪除、增加、修改等操作。輸入功能

通過圖形輸入設(shè)備可將基本的圖形數(shù)據(jù)（如點(diǎn)、線等）和各種繪圖命令輸入到計(jì)算機(jī)中，從而構(gòu)造更復(fù)雜的幾何圖形。2023/2/4313.輸出功能和交互功能輸出功能

圖形數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算后可在顯示器上顯示當(dāng)前的狀態(tài)以及經(jīng)過圖形編輯后的結(jié)果，同時(shí)還能通過繪圖儀、打印機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)硬拷貝輸出，以便長(zhǎng)期保存。交互功能

設(shè)計(jì)人員可通過顯示器或其他人機(jī)交互設(shè)備直接進(jìn)行人機(jī)通信，對(duì)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(duì)設(shè)計(jì)者或操作員輸入的錯(cuò)誤給以必要的提示和幫助。2023/2/432圖形的基本處理流程利用各種圖形輸入設(shè)備及軟件或其他交互設(shè)備將圖形輸入到計(jì)算機(jī)中，以便進(jìn)行處理；在計(jì)算機(jī)內(nèi)部對(duì)圖形進(jìn)行各種變換（如幾何變換、投影變換）和運(yùn)算（如圖形的并、交、差運(yùn)算等）；處理后，將圖形轉(zhuǎn)換成圖形輸出系統(tǒng)便于接受的表示形式，并在輸出設(shè)備上輸出；在交互式的系統(tǒng)中上述過程可重復(fù)進(jìn)行多次，直至產(chǎn)生滿意的結(jié)果。2023/2/4331.3.2計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2023/2/4341.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）計(jì)算機(jī)輔助繪圖計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）辦公自動(dòng)化和電子出版技術(shù)計(jì)算機(jī)藝術(shù)設(shè)計(jì)在工業(yè)控制及交通方面的應(yīng)用在醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用圖形用戶界面(GUI:Windows,Menu,Icon)。。。2023/2/435（1）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、船舶的外形設(shè)計(jì)、超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)，以及建筑、服裝、印染、玩具設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。CAD技術(shù)使得工程、雪佛萊敞篷轎車曲面造型產(chǎn)品設(shè)計(jì)和施工圖紙不必再由人工繪制，可大大縮短設(shè)計(jì)周期。2023/2/436（2）地理信息系統(tǒng)(GeographicalInformationSystem,GIS)

地理信息系統(tǒng)記錄著關(guān)于人口、城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村、高山平原地形、礦藏、森林、旅游等大量信息。利用地理系統(tǒng)中的圖形軟件可繪制出地理、地質(zhì)的以及其他自然現(xiàn)象的高精度勘探、測(cè)量圖形，如地理圖、人口分布圖、水資源分布圖等。2023/2/437（3）科學(xué)計(jì)算可視化（VisualizationinScientificComputing）