(計(jì)算機(jī)圖形學(xué))1.CG概論

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

第一講概述InteCAD(AutoCAD),InteVue(3DView),InteDyna(ADAMS),InteCAM(MasterCAM)MWorksFlowComputerEMCS關(guān)于課程

宗旨：加強(qiáng)可操作性平時(shí)上機(jī)作業(yè)占50%最后的研究報(bào)告占50%作業(yè)分組，組長(zhǎng)給成績(jī)75－95，正態(tài)分布每次6個(gè)同學(xué)報(bào)告，從每組抽出一個(gè)中上成績(jī)者，由該同學(xué)的匯報(bào)確定每組的權(quán)重分最后，組長(zhǎng)將程序和研究報(bào)告一并提交1.1CG技術(shù)概述1.2CG發(fā)展歷程1.3CG技術(shù)應(yīng)用1.4CG技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)第一講CG概論1.1CG概述

計(jì)算機(jī)中表示圖形的方法點(diǎn)陣表示枚舉出圖形中所有的點(diǎn)(強(qiáng)調(diào)圖形由點(diǎn)構(gòu)成)簡(jiǎn)稱為圖像（數(shù)字圖像）矢量表示由圖形的形狀參數(shù)(方程或分析表達(dá)式的系數(shù)，線段的端點(diǎn)坐標(biāo)等)+屬性參數(shù)(顏色、線型等)來(lái)表示圖形簡(jiǎn)稱為圖形：圖形主要分為兩類：基于線條信息表示明暗圖(Shading)什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)定義：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為圖形，并在專用設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的一門學(xué)科。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)中，最為活躍、得到廣泛應(yīng)用的分支之一。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?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)原理與算法，構(gòu)成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容。圖形硬件（硬件加速、GPU）、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形計(jì)算與顯示算法，以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。CG:

研究物體幾何對(duì)象的計(jì)算機(jī)圖形信息的表達(dá)、輸入、存儲(chǔ)、顯示、輸出、檢索及運(yùn)算等。以顯示效果為目標(biāo)，側(cè)重研究共性的交互及顯示技術(shù)。如：科學(xué)數(shù)據(jù)可視化，物體（或場(chǎng)景）的渲染顯示效果。主要研究?jī)?nèi)容：1）圖形的輸入方法2）內(nèi)部表達(dá)及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)3）產(chǎn)生圖形的算法4）圖形的變換及運(yùn)算5）圖形描述語(yǔ)言6）圖形軟件的標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概念與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系數(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(jué)，模式識(shí)別）模型變換（計(jì)算幾何）圖像變換（圖像處理）特點(diǎn):交叉、界線模糊、相互滲透1.2、CG發(fā)展歷程40年代計(jì)算機(jī)問(wèn)世，直至50年代中期尚不普遍，主要用于計(jì)算；50年，麻省理工圖形顯示器旋風(fēng)I號(hào)（WhirlwindI）誕生58年美國(guó)Calcomp公司滾筒繪圖儀50年代CG萌芽誕生，顯示器、繪圖儀出現(xiàn)（被動(dòng)式圖形學(xué)）CG發(fā)展歷程63年，麻省理工IvanSutherland發(fā)明光筆，在顯示器上實(shí)現(xiàn)選擇、定位等交互功能，對(duì)交互圖形技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)60年代圖形學(xué)迅速發(fā)展，填充、裁剪、消隱等算法誕生，進(jìn)入了第一個(gè)興盛的時(shí)期，出現(xiàn)實(shí)用的二維CAD圖形系統(tǒng)64年MITCoons提出超限插值思想構(gòu)造Coons曲面

60年代早期，法國(guó)雷諾汽車工程師Bézier發(fā)展Bézier曲線、曲面，并開(kāi)發(fā)了汽車外形設(shè)計(jì)UNISURF系統(tǒng)60年代CG光柵圖形學(xué)快速發(fā)展，CAD系統(tǒng)出現(xiàn)，曲面造型出現(xiàn)CG發(fā)展歷程70年代圖形學(xué)重要發(fā)展時(shí)期，真實(shí)感顯示、實(shí)體造型產(chǎn)生，圖形標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)70年Bouknight提出了第一個(gè)光反射模型71年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的明暗處理思想75年P(guān)hong提出了著名的簡(jiǎn)單光照模型-Phong模型73年開(kāi)始，英國(guó)劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng)、美國(guó)羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)等實(shí)體造型系統(tǒng)74年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化局（ANSI）提出制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，77年制定核心圖形系統(tǒng)（CGS）。德國(guó)85年提出圖形核心系統(tǒng)（GKS)，ISO91年發(fā)布圖形設(shè)備接口（CGI)，此外還有IGES、STEP等標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的推廣應(yīng)用起到了重要作用。80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84年，美國(guó)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表面間的多重漫反射效果從80年代中期以來(lái)，超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為圖形學(xué)的飛速發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。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CG走向成熟CG發(fā)展歷程CG發(fā)展歷程90年代至今，CG獲得廣泛應(yīng)用90年代，隨著計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力的提高，PC機(jī)普及，windows技術(shù)、VR技術(shù)、OpenGL及DirectX圖形標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)、WEB應(yīng)用技術(shù)、多媒體技術(shù)等迅速發(fā)展，圖形處理速度加快，使得圖形學(xué)的各個(gè)研究方向得到充分發(fā)展，圖形學(xué)已廣泛應(yīng)用于：動(dòng)畫及游戲、影視娛樂(lè)等教育及訓(xùn)練科學(xué)計(jì)算可視化

CAD/CAMAssociationforComputingMachinery圖形學(xué)會(huì)議ACMSIGGRAPH會(huì)議是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)最權(quán)威的國(guó)際會(huì)議，每年在美國(guó)召開(kāi)，參加會(huì)議的人在50,000人左右。世界上沒(méi)有第二個(gè)領(lǐng)域每年召開(kāi)如此規(guī)模巨大的專業(yè)會(huì)議，SIGGRAPH會(huì)議很大程度上促進(jìn)了圖形學(xué)的發(fā)展。

1.3

CG技術(shù)應(yīng)用圖形用戶界面CAD/CAM/CAE科學(xué)數(shù)據(jù)可視化地理信息系統(tǒng)GIS虛擬現(xiàn)實(shí)VR計(jì)算機(jī)動(dòng)畫及游戲計(jì)算機(jī)藝術(shù)1.3

CG技術(shù)應(yīng)用圖形用戶界面介于人與計(jì)算機(jī)之間，人與機(jī)器的通信。人機(jī)界面（HCI）：軟件＋硬件發(fā)展：由指示燈和機(jī)械開(kāi)關(guān)組成的操縱界面→由終端和鍵盤組成的字符界面（80年代）→由多種輸入設(shè)備和光柵圖形顯示設(shè)備構(gòu)成的圖形用戶界面（GUI）（90年代）。PC、工作站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointingdevices)界面，所見(jiàn)即所得→VR技術(shù)CAD應(yīng)用-CAD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)設(shè)計(jì)結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進(jìn)行加工處理，如波音777飛機(jī)的設(shè)計(jì)和加工過(guò)程CAD應(yīng)用——2D/3DCAM應(yīng)用前后處理CAE應(yīng)用——結(jié)構(gòu)分析建模與曲線后處理CAE應(yīng)用——?jiǎng)恿W(xué)分析科學(xué)數(shù)據(jù)可視化科學(xué)計(jì)算可視化(ScientificVisualization)海量的數(shù)據(jù)使得人們對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來(lái)越難，用圖形來(lái)表示數(shù)據(jù)的迫切性與日俱增1986年，美國(guó)科學(xué)基金會(huì)（NSF）專門召開(kāi)了一次研討會(huì)，會(huì)上提出了“科學(xué)計(jì)算可視化（VisualizationinScientificComputing）”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)中科學(xué)數(shù)據(jù)可視化地理信息系統(tǒng)（GIS）建立在地理圖形之上的關(guān)于各種資源的綜合信息管理系統(tǒng)。數(shù)字地球，地形數(shù)據(jù)作為載體。Google地球，百度地圖等軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查。

VirtualReality（虛擬現(xiàn)實(shí)、靈境）VirtualReality或稱虛擬環(huán)境（VirtualEnvironment)是用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)生成一個(gè)逼真的三維視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)或嗅覺(jué)等感覺(jué)世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對(duì)這一生成的虛擬世界客體進(jìn)行瀏覽和交互考察。輸入輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。它始于軍事和航空航天領(lǐng)域的需求，但近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用已在工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑規(guī)劃、教育培訓(xùn)、文化娛樂(lè)等方面得到廣泛應(yīng)用。在軍事領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，作戰(zhàn)指揮模擬，飛機(jī)、艦船駕駛訓(xùn)練等。在城市建設(shè)規(guī)劃中，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)正發(fā)揮著巨大作用。例如，許多城市都有自己的近期、中期和遠(yuǎn)景規(guī)劃，規(guī)劃中需要考慮各個(gè)建筑同周圍環(huán)境是否和諧。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可用于保護(hù)文物、重現(xiàn)古建筑，把珍貴的文物用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展現(xiàn)出來(lái)供人參觀，有利于保護(hù)真實(shí)的古文物。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上，虛擬現(xiàn)實(shí)可縮短開(kāi)發(fā)周期，減少費(fèi)用。如克萊斯勒公司1998年初利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)兩種新型車，減少新車試生產(chǎn)環(huán)節(jié)，大大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可用教育培訓(xùn)、娛樂(lè)及藝術(shù)等領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫及游戲計(jì)算機(jī)動(dòng)畫近十多年來(lái)取得了很大的發(fā)展，已滲透到人們生活的各個(gè)角落商業(yè)廣告、影視特技/片頭、動(dòng)畫片教育、軍事、飛行模擬等分類二維動(dòng)畫 圖象變形形狀混合三維動(dòng)畫關(guān)鍵幀動(dòng)畫變形物體的動(dòng)畫過(guò)程動(dòng)畫關(guān)節(jié)動(dòng)畫與人體動(dòng)畫計(jì)算機(jī)藝術(shù)用計(jì)算機(jī)軟件從事藝術(shù)創(chuàng)作二維平面的畫筆程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）圖表繪制軟件（如Visio）三維建模和渲染軟件包（如3DMAX，Maya）、以及一些專門生成動(dòng)畫的軟件（如Alias，Softimage）計(jì)算機(jī)藝術(shù)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(duì)圖象進(jìn)行霧化，變形等操作可以任意修改，取消敗筆不足：無(wú)法達(dá)到傳統(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)品計(jì)算機(jī)藝術(shù)非真實(shí)感繪制（NPR，Non-PhotorealisticRendering）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(kāi)始成為一門藝術(shù)20世紀(jì)90年代開(kāi)始研究用計(jì)算機(jī)模擬中國(guó)國(guó)畫與書法的生成CAD中心CAX產(chǎn)品CADCAMCAPPPDM/PLMMWorksInteDyna…InteSolidInteCADCAD中心研究開(kāi)發(fā)的典型軟件產(chǎn)品InteCAPPInteCAPPInteCAMInteVSSIntePDMIntePDMInteDynaInteDyna設(shè)計(jì)變量目標(biāo)變量數(shù)據(jù)類型約束輸入變量輸出變量MWorks多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化1.4CG技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)圖形渲染是整個(gè)圖形學(xué)發(fā)展的核心。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，影視動(dòng)漫以及各類可視化應(yīng)用中都對(duì)圖形渲染結(jié)果的高真實(shí)感提出了很高的要求。高清分辨率（1920x1080）。進(jìn)一步要能達(dá)到數(shù)字電影所能播放的4K分辨率(4096x2060)的圖形圖像；色彩。動(dòng)態(tài)范圍也希望從原來(lái)每個(gè)通道的8Bit提高到10bit及以上。提供高分辨率高動(dòng)態(tài)的渲染效果，必須消耗非常可觀的計(jì)算能力。一幀精美的高清分辨率圖像，單機(jī)渲染往往需要耗費(fèi)數(shù)小時(shí)至數(shù)十小時(shí)。為此，傳統(tǒng)方法主要采用分布式系統(tǒng)，將渲染任務(wù)分配到集群渲染節(jié)點(diǎn)中。即使這樣，也需要使用上千臺(tái)計(jì)算機(jī)，耗費(fèi)數(shù)月時(shí)間才能完成一部標(biāo)準(zhǔn)90分鐘長(zhǎng)度的影片渲染。1）實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)——與圖形硬件的發(fā)展緊密結(jié)合，突破實(shí)時(shí)高真實(shí)感、高分辨率渲染的技術(shù)難點(diǎn)與圖形硬件的發(fā)展緊密結(jié)合，突破實(shí)時(shí)高真實(shí)感、高分辨率渲染基于GPU（GraphicProcessingUnit）的圖形硬件技術(shù)得以發(fā)展迅速，已經(jīng)能在一個(gè)GPU芯片上采用64nm工藝集成上千個(gè)采用SIMD（單指令多數(shù)據(jù)流）架構(gòu)的通用計(jì)算核心。而2009年底，主流圖形硬件商nVidia和AMD以及Intel還會(huì)推出基于MIMD（多指令多數(shù)據(jù)流）計(jì)算核心的GPU芯片用于圖形加速繪制，以支持DirectX11以及OpenGL3.0圖形標(biāo)準(zhǔn)。最新的圖形學(xué)研究，采用GPU技術(shù)可以充分利用計(jì)算指令和數(shù)據(jù)的并行性，已可在單個(gè)工作站上實(shí)現(xiàn)百倍于基于CPU方法的渲染速度。然而已知的實(shí)現(xiàn)方法，其實(shí)現(xiàn)效果還較為初步，無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的視覺(jué)特效，離實(shí)時(shí)的高真實(shí)感渲染還有很大差距。其主要原因是：①缺乏良好的數(shù)據(jù)組織方法，基于GPU方法由于硬件的架構(gòu)原因，數(shù)據(jù)組織無(wú)法如同CPU方法一樣的組織，因此對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)仍無(wú)法得到很好地支持。②缺乏標(biāo)準(zhǔn)高效的GPU高層編程語(yǔ)言、編譯器以及相應(yīng)調(diào)試工具。③無(wú)法完整地實(shí)現(xiàn)適于電影渲染制作的RenderMan標(biāo)準(zhǔn)。如何充分利用GPU的計(jì)算特性，結(jié)合分布式的集群技術(shù)，解決以上這些難題，從而來(lái)構(gòu)造低功耗的渲染服務(wù)是圖形學(xué)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)之一。2）研究和諧自然的三維模型建模方法三維模型建模方法是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的重要基礎(chǔ)，是生成精美的三維場(chǎng)景和逼真動(dòng)態(tài)效果的前提。然而，傳統(tǒng)的三維模型方法，由于其主要思想方法來(lái)源于CAD中基于參數(shù)式調(diào)整的形狀構(gòu)造方法，建模效率低而學(xué)習(xí)門檻高，不易于普及和讓非專業(yè)用戶使用。而隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的普及和發(fā)展，各類用戶都提出了高效的三維建模需求，因此研究和諧自然的三維建模方法是目前發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。采用合適的交互手段，來(lái)進(jìn)行三維模型的快速構(gòu)造，特別是應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)和建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域目前已引起了國(guó)際同行的廣泛關(guān)注。由于筆式或草圖交互方式，非常符合人類原有日常生活中的思考習(xí)慣，是目前研究的重點(diǎn)問(wèn)題。其難點(diǎn)是根據(jù)具體的應(yīng)用領(lǐng)域，與視覺(jué)方法相融合，如何設(shè)計(jì)合理的交互語(yǔ)匯以及對(duì)應(yīng)的過(guò)程式“識(shí)別-構(gòu)造”方法。3）利用日益增長(zhǎng)的計(jì)算性能，實(shí)現(xiàn)具有高度物理真實(shí)的動(dòng)態(tài)仿真高度物理真實(shí)感的動(dòng)態(tài)模擬，包括對(duì)各種形變、水、氣、云、煙霧、燃燒、爆炸、撕裂、老化等物理現(xiàn)象的真實(shí)模擬，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)一直試圖達(dá)到的目標(biāo)。這一技術(shù)是各類動(dòng)態(tài)仿真應(yīng)用的核心技術(shù)，可以極大地提高虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉浸感。然而高度物理真實(shí)性模擬，主要受限于目前計(jì)算機(jī)的處理能力和存儲(chǔ)容量限制，不能處理很高精度的模擬，也無(wú)法做到很高的響應(yīng)速度。所幸的是，GPU技術(shù)帶來(lái)了革新這一技術(shù)的可能。充分利用GPU硬件內(nèi)部的并行性，研究者開(kāi)始普遍關(guān)注基于GPU的各類數(shù)學(xué)物理方程求解極其相關(guān)的有限元加速計(jì)算方法。4）研究多種高精度數(shù)據(jù)獲取與處理技術(shù)，增強(qiáng)圖形技術(shù)的表現(xiàn)力達(dá)到現(xiàn)實(shí)中真實(shí)感的畫面與逼真動(dòng)態(tài)效果，一種有效的解決途徑是采用各種高精度手段獲取所需的幾何、紋理以及動(dòng)態(tài)信息。為此，研究者正在考慮對(duì)各個(gè)尺度上的信息進(jìn)行獲取。小到物體表面的微結(jié)構(gòu)、紋理屬性和反射屬性通過(guò)研制特殊裝置予以捕獲與處理，或采用一