计算机图形学第1章电子教案优秀PPT.ppt

教学要求了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术；了解图形学的基本问题，驾驭图形学的基本概念、方法与算法；对与图形相关的应用及当前的探讨热点有一个初步相识；具有确定实践体会和相关的编程实力。2023/4/151河北农业高校张玉新课程内容绪论图形设备用户接口与交互式技术图形表示与数据结构基本图形生成算法二维图形变换及二维视察三维图形变换及三维视察*高级话题：曲线和曲面、消隐、真实感图形显示*2023/4/152河北农业高校张玉新主要参考书目陈传波，计算机图形学基础，电子工业出版社何援军，计算机图形学，机械工业出版社李东，计算机图形学好用教程，人民邮电出版社孙家广，计算机图形学（第三版），清华高校出版社王汝传，计算机图形学，人民邮电出版社中国图形图像学报等2023/4/153河北农业高校张玉新成果评定方法平常成果试验笔试 2023/4/154河北农业高校张玉新第第1章章绪论绪论提出问题提出问题什么是计算机图形学？计算机图形学探讨的对象是什么？计算机图形学的发展？计算机图形学的应用？2023/4/155河北农业高校张玉新1.1计算机图形学及它与其他学科的关系计算机图形学及它与其他学科的关系计算机图形学（计算机图形学（ComputerGraphics）计算机图形学是探讨怎样利用计算机来显示、计算机图形学是探讨怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。IEEE定义：定义：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.2023/4/156河北农业高校张玉新计算机图形学与传统理论计算机图形学与传统理论：交叉、界线模糊、相互渗透交叉、界线模糊、相互渗透计算几何计算几何CAGD(计算机协助几何设计计算机协助几何设计)靠近论（计算数学）靠近论（计算数学）微分几何微分几何形态学形态学2023/4/157河北农业高校张玉新图形图象处理的相关学科图形图象处理的相关学科计计算算机机图图形形学学试试图图从从非非图图象象形形式式的的数数据据描描述述来来生生成（逼真的）图象。成（逼真的）图象。数数字字图图象象处处理理旨旨在在对对图图象象进进行行各各种种加加工工以以改改善善图图象的视觉效果。象的视觉效果。计计算算机机视视觉觉是是探探讨讨用用计计算算机机来来模模拟拟生生物物外外显显或或宏宏观视觉功能的科学和技术。观视觉功能的科学和技术。2023/4/158河北农业高校张玉新图象识别反求工程CAGD2023/4/159河北农业高校张玉新通常意义下的图形通常意义下的图形：能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形。1.2计算机图形学的探讨对象计算机图形学的探讨对象图形图形2023/4/1510河北农业高校张玉新图形的要素图形的要素几何要素和非几何要素几何要素和非几何要素计算机图形学中所探讨的图形计算机图形学中所探讨的图形从从客客观观世世界界物物体体中中抽抽象象出出来来的的带带有有颜颜色色及及形形态态信息的图和形。信息的图和形。2023/4/1511河北农业高校张玉新图形的表示图形的表示点点阵阵法法是是用用具具有有颜颜色色信信息息的的点点阵阵来来表表示示图图形形的的一一种种方方法法，它强调图形由哪些点组成，并具有什么灰度或色调。它强调图形由哪些点组成，并具有什么灰度或色调。参参数数法法是是以以计计算算机机中中所所记记录录图图形形的的形形态态参参数数与与属属性性参参数数来来表示图形的一种方法。表示图形的一种方法。通常把参数法描述的图形叫做图形（通常把参数法描述的图形叫做图形（Graphics）把点阵法描述的图形叫做图象（把点阵法描述的图形叫做图象（Image）2023/4/1512河北农业高校张玉新酝酿期（酝酿期（50年头）年头）1950年年，美美国国MIT的的旋旋风风1号号(WhirlwindI)计计算算机机配配备备了了类类似似示示波波器器的的阴阴极极射射线线管管(CRT)来来显显示示一一些些简简洁洁的的图图形形(仅能输出仅能输出)1958年年，美美国国Calcomp公公司司由由联联机机的的数数字字记记录录仪仪发发展展成成滚滚筒筒式式绘绘图图仪仪，GerBer公公司司把把数数控控机机床床发发展展成成为为平平板板式式绘图仪绘图仪20世世纪纪50年年头头末末期期，MIT的的林林肯肯试试验验室室在在“旋旋风风”计计算算机机上上开开发发SAGE空空中中防防卫卫体体系系，第第一一次次运运用用了了支支持持输输入入输输出出的的CRT显显示示器器，操操作作者者可可以以用用光光笔笔在在屏屏幕幕上上指指出出确确定定的的目标。目标。1.3计算机图形学的发展简史计算机图形学的发展简史2023/4/1513河北农业高校张玉新萌芽期（萌芽期（60年头）年头）1962年年，美美 国国 MIT林林 肯肯 试试 验验 室室 的的Ivan.E.Sutherland发发 表表 了了 一一 篇篇 题题 为为“Sketchpad：一一个个人人机机通通信信的的图图形形系系统统”的的博博士士论论文文，其其中中首首次次运运用用了了“ComputerGraphics”。1962年年，雷雷诺诺汽汽车车公公司司的的工工程程师师PierreBzier提出提出Bzier曲线、曲面的理论曲线、曲面的理论1964年年，MIT的的教教授授StevenA.Coons提提出出了了超超限限插插值值的的新新思思想想，通通过过插插值值四四条条随随意意的边界曲线来构造曲面。的边界曲线来构造曲面。2023/4/1514河北农业高校张玉新发展期（70年头）光栅图形学快速发展，出现了基于电视技术的光栅图形扫描器区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生图形软件标准化1974年，ACMSIGGRAPH的与“与机器无关的图形技术”的工作会议ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统”（CoreGraphicsSystem）ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS2023/4/1515河北农业高校张玉新普及期（普及期（80年头）年头）1980年年 Whitted提提 出出 了了 一一 个个 光光 透透 视视 模模 型型-Whitted模模型型，并并第第一一次次给给出出光光线线跟跟踪踪算算法法的的范例，实现范例，实现Whitted模型模型1984年年，美美国国Cornell高高校校和和日日本本广广岛岛高高校校的的学学者者分分别别将将热热辐辐射射工工程程中中的的辐辐射射度度方方法法引引入入到到计计算算机机图图形形学学中中用用辐辐射射度度方方法法成成功功的的模模拟拟了志向漫反射表面间的多重漫反射效果了志向漫反射表面间的多重漫反射效果图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展2023/4/1516河北农业高校张玉新提高增加期（提高增加期（90年头）年头）朝着标准化、集成化、智能化方向发展朝着标准化、集成化、智能化方向发展总体特征：技术发展、需求驱动总体特征：技术发展、需求驱动2023/4/1517河北农业高校张玉新1.4图形软件的发展及软件标准的形成图形软件的发展及软件标准的形成图形软件的发展图形软件的发展开放式、高效率、标准化、集成化、智能化图形软件标准图形软件标准与设备无关、与应用无关、具有较高性能2023/4/1518河北农业高校张玉新近二十年中，国际标准化组织ISO已经批准和正在探讨的与计算机图形有关的标准有：GKS、GKS-3D、PHIGS、CGM、CGI、IGES、STEP等事实标准如SGI的OpenGL，微软的DirectX，Adobe的Postscript，SUN的Java3D，ACIS等2023/4/1519河北农业高校张玉新1.5计算机图形系统计算机图形系统1.5.1 计算机图形系统的功能计算机图形系统的功能 2023/4/1520河北农业高校张玉新(1)计算功能计算功能形体设计、分析，图形描述，基本几何元素（点、线、面等）的表示、求交运算、分类、几何变换，光、色模型的建立和计算，干涉检测等。2023/4/1521河北农业高校张玉新(2)存储功能存储功能存放图形数据、几何元素之间的拓扑存放图形数据、几何元素之间的拓扑关系，几何信息和属性信息，并可对关系，几何信息和属性信息，并可对有关的信息进行实时的检索、修改、有关的信息进行实时的检索、修改、增加和删除。增加和删除。(3)输入功能输入功能输入有关进行图形设计的吩咐和参数输入有关进行图形设计的吩咐和参数等。等。2023/4/1522河北农业高校张玉新(4)输出功能输出功能对于设计的中间结果、最终结果或档案，可以以文字、图形或图像等形式输出。(5)交互功能交互功能进行选择、拾取和修改，对操作步骤的追踪和提示，显示出错信息等。2023/4/1523河北农业高校张玉新1.5.2计算机图形系统的结构计算机图形系统的结构2023/4/1524河北农业高校张玉新1.6计算机图形学的应用和探讨热点计算机图形学的应用和探讨热点1.计算机协助设计与制造（计算机协助设计与制造（CAD/CAM）2.CAD/CAM是是计计算算机机图图形形学学在在工工业业界界最最广广泛泛、最活跃的应最活跃的应3.用领域用领域4.飞机、汽车、船舶的外形的设计飞机、汽车、船舶的外形的设计5.发电厂、化工厂等的布局发电厂、化工厂等的布局6.土木工程、建筑物的设计土木工程、建筑物的设计7.电子线路、电子器件的设计电子线路、电子器件的设计8.设设计计结结果果干干脆脆送送至至后后续续工工艺艺进进行行加加工工处处理理，如波音如波音777飞飞9.机的设计和加工过程机的设计和加工过程2023/4/1525河北农业高校张玉新奥迪效果图和线框图奥迪效果图和线框图2023/4/1526河北农业高校张玉新基于工程图纸的三维形体重建定义：从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，复原形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建优势：可以做装配件的干涉检查、以及有限元分析、仿真、加工等后续操作，代表CAD技术的发展方向2023/4/1527河北农业高校张玉新工程图及其三维重建结果12023/4/1528河北农业高校张玉新工程图及其三维重建结果22023/4/1529河北农业高校张玉新2.科科学学计计算算可可视视化化（Visualization in Scientific Computing）“科学家们不仅须要分析由计算机得出的计算数据，而且须要了解在计算过程中数据的变更”海量的数据使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，用图形来表示数据的迫切性与日俱增1986年，美国科学基金会（NSF）特地召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化（VisualizationinScientificComputing）”科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中2023/4/1530河北农业高校张玉新2.科学计算可视化科学计算可视化在医学领域，可视化有着广袤的发展前途是机械手术和远程手术的基础将医用CT扫描的数据转化为三维图象，帮助医生判别病人体内的患处由CT数据产生在人体内漫游的图象可视化的前沿与难点可视化硬件的探讨实时的三维体绘制体内组织的识别分割Segmentation2023/4/1531河北农业高校张玉新3.计算机艺术计算机艺术计算机艺术用计算机软件从事艺术创作二维平面的画笔程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）图表绘制软件（如Visio）三维建模和渲染软件包（如3DMAX，Maya）、以及一些特地生成动画的软件（如Alias，Softimage）2023/4/1532河北农业高校张玉新优点：供应多种风格的画笔画刷供应多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾化，变形等操作可以随意修改，取消败笔不足：无法达到传统绘画中风格化的艺术效果很难得到有素描效果、油画效果的艺术品2023/4/1533河北农业高校张玉新2023/4/1534河北农业高校张玉新4.4.非真实感绘制非真实感绘制用于模拟艺术效果，探讨方法有别于真实感图形学钢笔素描的生成钢笔素描产生于中世纪，从19世纪起先成为一门艺术20世纪90年头起先探讨用计算机模拟中国国画与书法的生成2023/4/1535河北农业高校张玉新GeorgesWinkenb1ach绘制的壶和碗2023/4/1536河北农业高校张玉新Salisbury绘制的茶壶2023/4/1537河北农业高校张玉新Salisbury绘制的熊2023/4/1538河北农业高校张玉新OliverDeussen绘制的素描树2023/4/1539河北农业高校张玉新5.地理信息系统地理信息系统强调对图形和图象的空间分析和管理。主要探讨热点：遥感图象信息的自动提取地理系统建模地理信息的智能分析地表系统的仿真2023/4/1540河北农业高校张玉新6.真实感图形显示真实感图形显示真实感图形的生成：场景造型取景变换视域裁剪消退隐藏面可见面光亮度计算2023/4/1541河北农业高校张玉新由清华高校自然景物平台生成的野外场景2023/4/1542河北农业高校张玉新计算机绘制的真实感云2023/4/1543河北农业高校张玉新Xfrog3.0生成的挪威云杉2023/4/1544河北农业高校张玉新7.虚拟现实虚拟现实(Virtual-reality)由计算机生成的一个实时三维空间。运用户产生一种身临其境的感觉。2023/4/1545河北农业高校张玉新8.计算机动画计算机动画计算机动画近十多年来取得了很大的发展，已渗透到人们生活的各个角落商业广告、影视绝技/片头、动画片教化、军事、飞行模拟等基于特征的图象变形（猫变虎）2023/4/1546河北农业高校张玉新由于计算机图形技术能生成丰富的图形，可用于协助教学，使教学过程变得形象、直观和生动，有助于提高学生的学习爱好和留意力，增加教学效果。9.计算机协助教学（计算机协助教学（CAI）2023/4/1547河北农业高校张玉新10.人机交互人机交互HCI是将来的计算机科学。我们已经花费了至少50年的时间来学习如何制造计算机以及如何编写计算机程序。下一个新领域自然是让计算机服务并适应于人类的须要，而不是强迫人类去适应计算机。2023/4/1548河北农业高校张玉新习题习题1.名词说明：图形、图象、点阵法、参数法、2.图形包括哪两方面的要素，在计算机中如何表示它们？3.什么叫计算机图形学？分析计算机图形学、数字图象处理和计算机视觉学科间的关系。4.有关计算机图形学的软件标准有哪些？2023/4/1549河北农业高校张玉新5.一个交互性计算机图形系统必需具有哪几种功能？其结构如何？6.试列举你所知道的图形输入与输出设备。7.你用过哪些图形软件包？对比它们的功能和特点。2023/4/1550河北农业高校张玉新