《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課件第1章

第1章緒論1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述

1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展史1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用

1.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究方向

1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(ComputerGraphics,CG)是研究使用計(jì)算機(jī)輸入、表示、處理和顯示圖形的原理、方法及硬件設(shè)備的一門學(xué)科。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)把它定義為:計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究通過計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形,并在專門顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科。

美國電氣和電子工程協(xié)會(huì)(IEEE)把它定義為:計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是借助計(jì)算機(jī)產(chǎn)生圖形圖像的藝術(shù)和科學(xué)。

美國的JamesFoley把它定義為:計(jì)算機(jī)圖形學(xué)運(yùn)用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生、存儲(chǔ)、處理物體的物理模型和它們的畫面。德國的WolfgangKGiloi把它定義為:計(jì)算機(jī)圖形學(xué)=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+圖形算法+語言。

另外,按照不同的使用設(shè)備和系統(tǒng),還有所謂的交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和光柵圖形學(xué)的概念。

前者是指利用鍵盤、鼠標(biāo)、光筆等人機(jī)交互設(shè)備,對計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖形的內(nèi)容、形式、大小、顏色等進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制；后者是指所顯示的圖像是由按行和列排列的像素陣列組成的。容易與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的概念混淆的是圖像處理。隨著學(xué)科的發(fā)展,圖形和圖像已經(jīng)沒有明確的界限了。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要目的是由數(shù)學(xué)模型生成真實(shí)感圖形,其結(jié)果本身就是數(shù)字圖像。

當(dāng)然,圖形有別于對實(shí)物拍攝或撿取的照片。圖形是運(yùn)算形成的抽象產(chǎn)物,而圖像是直接量化的原始信號形式。它們的定義及區(qū)別如下：圖形(graphics):計(jì)算機(jī)中由場景的幾何模型和景物的物理屬性表示的圖形,它強(qiáng)調(diào)場景的幾何表示,記錄圖形的形狀參數(shù)與屬性參數(shù)。它的顯示形式是基于線條信息的矢量圖和基于

明暗處理后的圖像圖。

圖像(image):計(jì)算機(jī)中以具有顏色信息的點(diǎn)陣所表示的圖形,它強(qiáng)調(diào)圖形由哪些點(diǎn)組成,記錄點(diǎn)及其灰度或色彩。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本含義是使用計(jì)算機(jī)通過算法和程序在顯示設(shè)備上構(gòu)造出圖形。也就是說,圖形是人們通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和構(gòu)造出來的,不是通過攝像機(jī)或掃描儀等設(shè)備輸入的圖像。

計(jì)算機(jī)所設(shè)計(jì)和構(gòu)造的圖形可以是現(xiàn)實(shí)世界中已經(jīng)存在的物體的圖形,也可以是完全虛構(gòu)的物體。

長期以來,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、模式識(shí)別和計(jì)算幾何四個(gè)技術(shù)領(lǐng)域密切相關(guān)。圖1-1概括了它們之間的關(guān)系。圖1-1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、模式識(shí)別和計(jì)算幾何之間的關(guān)系圖像處理:對圖像進(jìn)行分析、加工和處理,使其滿足視覺、心理以及其他要求的技術(shù)。

圖像處理中,輸入的是質(zhì)量低的圖像,輸出的是質(zhì)量改善后的圖像。常用的圖像處理方法有圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像編碼壓縮等。

模式識(shí)別:對所輸入的圖像進(jìn)行分析和識(shí)別,找出其中蘊(yùn)涵的內(nèi)在聯(lián)系或抽象模型的技術(shù)，如郵政分檢設(shè)備、地形地貌識(shí)別等。計(jì)算幾何：研究幾何模型和數(shù)據(jù)處理的學(xué)科,是討論幾何形體的計(jì)算機(jī)表示、分析和綜合的技術(shù)。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容涉及用計(jì)算機(jī)處理圖形信息的硬件和軟件兩方面的技術(shù),主要是圍繞著生成的圖形圖像的準(zhǔn)確性、可靠性、高效性、真實(shí)性和實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)算法,大致可以分為以下4類。

(1)圖形的輸入:研究如何輸入圖形或圖形數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)中。(2)圖形的表示:研究如何在計(jì)算機(jī)內(nèi)存和外存中表達(dá)和存儲(chǔ)圖形。

(3)圖形的處理:研究如何將某種形式表達(dá)的圖形轉(zhuǎn)換成另一種表達(dá)形式。

(4)圖形的顯示與輸出:研究如何將計(jì)算機(jī)中以某種形式表達(dá)的圖形生成可見的圖像。圖形的底層結(jié)構(gòu)是點(diǎn)、線、面的基本形態(tài)要素及其組合。由于點(diǎn)是表示圖形的基本元素,因此圖形算法就是說明如何把點(diǎn)有機(jī)地組織起來。圖形數(shù)據(jù)包括形體幾何元素(點(diǎn)、線、

面)之間的連接關(guān)系以及各種屬性信息。圖形處理的數(shù)據(jù)和圖形顯示的數(shù)據(jù)不同,通常圖形顯示的數(shù)據(jù)只是整個(gè)圖形處理數(shù)據(jù)的某些部分、視圖或畫面。圖形處理包括對圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等幾何變換,以及各種投影變換。在生成最終圖形之前,往往還需要消除隱藏線和隱藏面,以及進(jìn)行明暗、陰影、透明、紋理或色彩等處理。綜上所述,我們把從幾何模型和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D形的過程概括為:建立物體模型→存儲(chǔ)該模型→產(chǎn)生物體圖像→對該圖像進(jìn)行操作、修改、完善。

1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展史

20世紀(jì)50年代,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)處于萌芽階段。

20世紀(jì)60年代,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)處于發(fā)展階段。

20世紀(jì)70年代,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)處于推廣應(yīng)用階段。

20世紀(jì)80年代,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)處于系統(tǒng)實(shí)用化階段。

20世紀(jì)90年代以來,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化階段。

1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用

1.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)

由于設(shè)計(jì)周期短、成本低、質(zhì)量高,CAD/CAM是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域,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)。

2.科學(xué)計(jì)算可視化

科學(xué)計(jì)算可視化是指運(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)。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)也稱虛擬實(shí)境,是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的,具有視、聽、觸等多種感知功能的虛擬環(huán)境。

4.計(jì)算機(jī)藝術(shù)

現(xiàn)在的美術(shù)人員,尤其是商業(yè)藝術(shù)設(shè)計(jì)人員都熱衷于用計(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,如二維平面的畫筆程序(CorelDraw、PhotoShop、PaintShop)、專門的圖表繪制軟件(Visio)、三維建模和渲染軟件包(3DMAX、Maya),以及一些專門生成動(dòng)畫的軟件(Alias、Softimage)等,可以說是數(shù)不勝數(shù)。

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)圖形化的界面要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力,過去的軟件中有60％的程序是用來處理與用戶接口有關(guān)的問題和功能的。

1.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究方向

1.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能、多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,使得人們對產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程有了更深的認(rèn)識(shí),對設(shè)計(jì)思維的模擬達(dá)到新的境界。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)將朝著多元化、優(yōu)化、一體化的方向發(fā)展,人機(jī)交互方式更加自然,創(chuàng)新設(shè)計(jì)的手段更為先進(jìn)、有效。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項(xiàng)發(fā)展中的高度集成的技術(shù),涵蓋了計(jì)算機(jī)軟/硬件、傳感器技術(shù)、立體顯示技術(shù)等，其研究內(nèi)容大體上可分為技術(shù)本身的研究和技術(shù)應(yīng)用的研究兩大類。根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所傾向的特征的不同,目前虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃樗膫€(gè)層次，即桌面式、增強(qiáng)式、沉浸式及網(wǎng)絡(luò)分布式?？v觀多年來的發(fā)展歷程,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的未來研究仍將遵循“低成本、高性能”這一原則,從軟、硬件的發(fā)展上展開，其主要研究方向有:

(1)動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。

(2)實(shí)時(shí)三維圖形生成和顯示技術(shù)。

(3)新型交互設(shè)備的研制。

(4)大型網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用。

3.計(jì)算機(jī)動(dòng)畫

在全球圖形學(xué)的盛會(huì)——Siggraph上,幾乎每年都有計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的專題,其研究方向主要有:

(1)動(dòng)畫自動(dòng)生成技術(shù)。

(2)可視化與虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)展