概論計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展

概論計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展第1頁/共37頁21962年，在美國亞特蘭大市召開的美國計(jì)算機(jī)會議上,美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的Ivan.E.Sutherland宣讀了他的博士論文研究內(nèi)容“Sketchpad:一個(gè)人機(jī)交互的圖形系統(tǒng)”，文中首次使用了“ComputerGraphics”這一術(shù)語，證明交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一個(gè)可行且有用的研究領(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)分支的地位。奠定了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)。1965，Ivan.E.Sutherland又發(fā)表著名論文“UltimateDisplay”

（終極顯示），提出了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展方向。因此，Ivan.E.Sutherland被公認(rèn)為是交互圖形生成技術(shù)的奠定人。他也為此榮獲1988年圖靈獎。第2頁/共37頁3

在20世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為一個(gè)嶄新的科學(xué)分支得到確立和迅速發(fā)展。在70年代，由于計(jì)算機(jī)由昂貴的大型機(jī)發(fā)展出了小型計(jì)算機(jī)及超級小型機(jī)，以及基于電視技術(shù)的光柵掃描顯示器的出現(xiàn)，這都極大地推動了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，使構(gòu)成計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的價(jià)格降低，維護(hù)使用也比較簡單，是計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化的階段。但是，直到20世紀(jì)80年代初，由于計(jì)算機(jī)硬軟件都較昂貴，限制了圖形學(xué)的研究和普及應(yīng)用。80年代以后，隨著工程工作站特別是微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，極大地促進(jìn)了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展。80年代后期以來，微型計(jì)算機(jī)的性能迅速提高，目前微機(jī)無論在主頻、內(nèi)存容量還是磁盤容量方面都大大超過了六、七十年代相比之下極其昂貴的大型及小型機(jī)。因此，微機(jī)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)圖形生成技術(shù)的主要處理機(jī)，為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究和應(yīng)用的高速發(fā)展創(chuàng)造了條件，使計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的研究與應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。第3頁/共37頁420世紀(jì)90年代以來，虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)計(jì)算可視化等應(yīng)用要求促使計(jì)算機(jī)圖形學(xué)向著更高階段發(fā)展，它的許多技術(shù)也已成為發(fā)展迅速的多媒體技術(shù)的重要組成部分。經(jīng)歷了近40年的發(fā)展歷程，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在圖形基礎(chǔ)算法、圖形軟件與圖形硬件三方面都取得了長足的進(jìn)步,成為當(dāng)代幾乎所有科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域用來加強(qiáng)信息理解和傳遞的技術(shù)和工具。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論、方法的不斷完善，軟件、硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，它的應(yīng)用領(lǐng)域也必將越來越廣。第4頁/共37頁51.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要是研究圖形的計(jì)算機(jī)生成。在圖形基礎(chǔ)研究方面可分為兩個(gè)主要方向,即建模技術(shù)和繪制技術(shù)。建模技術(shù)又稱為造型技術(shù)，又可分為兩個(gè)不同分支,即計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)和自然景物建模。計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)追求建模的精確度、可靠性和建模的速度。自然景物建模追求建模的逼真度和速度。所涉及的主要內(nèi)容包括基本圖元的生成，例如線段、字符、圓、曲線等的生成算法；區(qū)域填充算法；圖形變換,如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、裁剪、透視和投影等。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的繪制技術(shù)主要是指基于光柵圖形顯示技術(shù)的真實(shí)感圖形繪制技術(shù),包括各種光照模型、明暗處理、紋理生成、透明和顏色處理，以及隱藏線和隱藏面的消除等內(nèi)容。繪制技術(shù)追求的是真實(shí)感和繪制速度。第5頁/共37頁61.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用目前，計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，廣泛地用于多種領(lǐng)域，如科學(xué)、工程、醫(yī)藥、商業(yè)、工業(yè)、政府部門、藝術(shù)、娛樂業(yè)、廣告業(yè)、教育和培訓(xùn)等等。1計(jì)算機(jī)輔助及設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ComputerAidedDesign,CAD）一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，使用圖形生成技術(shù)可以進(jìn)行產(chǎn)品的元部件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如飛機(jī)、汽車、船舶、宇宙飛船、計(jì)算機(jī)、大規(guī)模集成電路、民用建筑、服裝等設(shè)計(jì)。使用人機(jī)交互的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，不但可以對產(chǎn)品和零部件進(jìn)行外形設(shè)計(jì)，還可以對它們的機(jī)械性能、電性能或受力分布情況等進(jìn)行分析計(jì)算。并且，還可以使用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)控制加工制造工具完成部件和系統(tǒng)制作，即計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM，ComputerAidedManufacture）和CIMS（ComputerIntegratedManufactureSystem)。第6頁/共37頁7第7頁/共37頁8第8頁/共37頁92統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及事務(wù)管理的圖示化3辦公自動化4圖形用戶接口5科學(xué)計(jì)算可視化科學(xué)計(jì)算可視化(VisualizationinScientificComputing,ViSC)是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù),將科學(xué)計(jì)算過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來,并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。國際上關(guān)于科學(xué)計(jì)算可視化的研究始于20世紀(jì)80年代末,它使往日冗繁、枯燥的數(shù)據(jù)變成生動、直觀的圖形或圖像。目前，科學(xué)計(jì)算可視化在醫(yī)學(xué)圖象處理、地質(zhì)勘探、氣象預(yù)報(bào)、天體物理、分子生物學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)、有限元分析、核科學(xué)等很多方面得到了成功地應(yīng)用。目前,科學(xué)計(jì)算可視化已成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)重要研究方向。第9頁/共37頁10第10頁/共37頁11第11頁/共37頁12第12頁/共37頁136虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，VR)是一門近年來發(fā)展十分迅速的計(jì)算機(jī)圖形和圖象應(yīng)用技術(shù)。它是由計(jì)算機(jī)生成圖形和圖象構(gòu)成一個(gè)與客觀世界十分相似的、逼真的虛擬環(huán)境，同時(shí)由計(jì)算機(jī)把虛擬環(huán)境轉(zhuǎn)換成視覺、聽覺和其它感覺信號,并輸出給用戶，使用戶產(chǎn)生身處真實(shí)場景中的感覺。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的重要特性是具有一種身臨其境的臨場感。計(jì)算機(jī)場景的生動表現(xiàn)形式依賴于計(jì)算機(jī)圖形的效果，如精致的紋理圖像等。已開發(fā)的VR應(yīng)用涉及從各種駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)、娛樂游戲系統(tǒng)到建筑學(xué)和商業(yè)規(guī)劃等廣泛的領(lǐng)域。許多應(yīng)用中的虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界十分類似,如CAD和建筑造型。而另外的一些應(yīng)用則提供了現(xiàn)實(shí)世界不可能提供的更為方便的觀察事物的方法,例如科學(xué)仿真和遙現(xiàn)系統(tǒng)，空中交通控制系統(tǒng)等。第13頁/共37頁14第14頁/共37頁15第15頁/共37頁16第16頁/共37頁177地理和自然資源的圖形顯示計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的另一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域是產(chǎn)生高精度的地理圖形或其它自然資源的圖形。例如各種地理圖、地形圖、礦藏分布圖、海洋地理圖、氣象圖、植被分布圖、人口分布圖等。目前，地理信息管理系統(tǒng)（GIS）已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，它是由圖形技術(shù)、遙感技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及管理信息相結(jié)合形成的新技術(shù)，其中圖形技術(shù)起著核心和控制作用。使用地理信息管理系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)地理和自然資源的三維信息管理。第17頁/共37頁18長江三峽地區(qū)圖1第18頁/共37頁19長江三峽地區(qū)圖2第19頁/共37頁20喜馬拉雅山數(shù)字地面高程模型第20頁/共37頁21第21頁/共37頁22第22頁/共37頁238計(jì)算機(jī)動畫與娛樂現(xiàn)在計(jì)算機(jī)圖形方法常用于制作動畫片、音樂錄象帶和計(jì)算機(jī)游戲。同傳統(tǒng)的制作方法相比較，計(jì)算機(jī)制作方法具有時(shí)間短、成本低、形象生動逼真、重用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。為了避免畫面閃爍，放映一秒鐘的動畫，就需制作多于24幅畫面，因而制作較長時(shí)間的動畫，工作量是相當(dāng)大的，而用計(jì)算機(jī)來做，這些重復(fù)性的資料可存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)，需要時(shí)直接調(diào)出來，再稍加改變就成了下一幅圖，從而大大節(jié)約了時(shí)間，提高了動畫制作的效率。第23頁/共37頁249計(jì)算機(jī)藝術(shù)將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與人工智能技術(shù)結(jié)合起來，可構(gòu)造出豐富多彩的藝術(shù)圖象，為創(chuàng)作藝術(shù)和商品藝術(shù)的應(yīng)用開創(chuàng)了更廣闊的前景。美術(shù)師可以使用各種計(jì)算機(jī)方法，包括專用硬件，藝術(shù)家畫筆程序及其它繪圖軟件包和動畫軟件包來設(shè)計(jì)物體的外形及描述物體的運(yùn)動。第24頁/共37頁25第25頁/共37頁26第26頁/共37頁27第27頁/共37頁28第28頁/共37頁29第29頁/共37頁30第30頁/共37頁3110教學(xué)與培訓(xùn)目前，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）正在改變著傳統(tǒng)的教學(xué)方式。CAI課件的使用，遠(yuǎn)程教育的實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)都在其中起著重要作用。計(jì)算機(jī)生成的各種模型和圖形被用作教學(xué)的輔助工具。有些方面的培訓(xùn)要設(shè)計(jì)專門的系統(tǒng)，象飛行員、汽車駕駛員、大型設(shè)備操作員和航空控制人員的實(shí)習(xí)和培訓(xùn)模擬系統(tǒng)就是這樣一種專用系統(tǒng)。第31頁/共37頁32第32頁/共37頁33第33頁/共37頁34第34頁/共37頁35

1.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖象處理計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（ComputerGraphics）和圖象處理（ImageProcessing）是計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域以各自獨(dú)立形式發(fā)展形成的兩個(gè)分支學(xué)科，它們之間有一定的關(guān)系和區(qū)別。它們共同之處就是計(jì)算機(jī)所處理的信息都是與圖有關(guān)的信息，但本質(zhì)上卻是不同的。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）使用計(jì)算機(jī)通過算法和程序構(gòu)造出圖形來，如直線，二次曲線面，自由曲線面的生成，圖形變換，圖形消隱，真實(shí)圖形生成方法等。與此相反，圖象處理是景物或圖象的分析技術(shù)，它所研究的是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的逆過程。是利用計(jì)算機(jī)對原來存在的物體映象進(jìn)行分