1.1 初识图形学.pdf

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1、初识图形学 提纲 1 2 3 计算机图形学 相兲学科 发展历叱 计算机图形学 影片：复仇者联盟3：无限战争中的火箭浣熊 真人提供配音 和 动作捕捉 1 配音演员： 布莱德利库珀 （Bradley Cooper） 动作捕捉演员： 西恩古恩 （Sean Gunn） 计算机图形学 游戏：底特律变人中极具真实感的人物形象 真实的毛发、皮肤、眼神、着装 1 计算机图形学1 计算机图形学：研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图 形的原理、斱法和技术的一门学科。 源于IEEE（ Institute of Electrical and Electronics Engineers ）的定义：Computer g

2、raphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer. 计算机图形学1 直线y=kx+b 起点、终点 输入：结构特征数据 输出：图像信号 y x0 （0,0） y x 起点 终点 相关学科2 结构特征数据 图像信号 计算机图形学 计算机视觉 x （0,0） y x 直线y=kx+b y x0 起点 终点 相关学科2 结构特征数据 图像信号 计算机图形学 计算机视觉 x 机器学习深度学习 相关学科2 结构特征数据 图像信号 计算机图形学 计算机视觉 x 人脸识别车牉识别 相关学科2

3、 结构特征数据 图像信号 计算机图形学 计算机视觉 x 数字图像处理 发展历史3 90年代21世纪80年代70年代60年代50年代 Now 第一阶段： 建立学科地位 第二阶段： 光栅图形学 第三阶段： 真实感图形学 发展历史3 最早的计算机之一：ENIAC，全称为Electronic Numerical Integrator And Computer，即电子数字积分计算机。 （诞生于1946年2月14日的美国宾夕法尼亚大学） 用灯泡的亮灭代表1和0 第一阶段 发展历史3 只有开兲和指示灯的用户体验如何？ 第一阶段 发展历史3 1950年，第一台图形显示器作为美国 麻省理工学院（MIT）旋风I号

4、 （Whirlwind I）计算机的附件诞生了。 美国麻省理工学院 第一阶段 发展历史3 这是一台类似于示波器的阴极射线管 （Cathod Ray Tube，简称CRT）。 它的出现架起了图形显示与计算机技 术联系的桥梁。 第一阶段 类似于示波器的阴极射线管 发展历史3 20世纪50年代末期，MIT 的林肯实验室在旋风I号 （Whirlwind I）计算机上 为北美防空司令部开发了 半自动地面防空系统 （Semi-Automatic Ground Environment 简 称SAGE）。 第一阶段 发展历史3 SAGE系统将雷达信号转换为显示器 上的图形，操作者可以用“光笔” 在屏幕上选取目

5、标图形，这是最早 的交互式图形系统。 标志着“被动式图形学”开始迈向 “交互式图形学”。 第一阶段 光笔 林肯实验室的伊凡萨瑟兰（Ivan Edward Sutherland）博士正在使用光笔 发展历史3 1962年，MIT林肯实验室的伊凡萨瑟兰 （Ivan Edward Sutherland）发表了一篇题 为“Sketchpad：A Man-machine Graphical Communication System”（Sketchpad： 一个人机交互通信的图形系统）的博士论文。 在这篇论文首次提出“Computer Graphics”，奠定了计算机图形学的学科基础。 “计算机图形学之父”

6、 伊凡萨瑟兰 1988年荣获图灵奖 第一阶段 发展历史3 光栅图形学：图元生成、区域填充、裁剪、反走样、消隐 等基本图形概念及其相应算法纷纷诞生。 光栅显示器 光栅图形学的基础：光栅扫描式图形显示器，该设备是画点设备，可看作 是一个点阵单元发生器，可控制每个点阵单元的亮度。 直线的显示 第二阶段 光栅图形学的成熟 发展历史3 ACM SIGGRAPH会议 全称 “the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”即 “计算机图形和交互技术特别关趣 小组” 1974年，在美国的科罗拉多大学（Col

7、orado University）召开了第一届 SIGGRAPH 年会，幵取得了巨大的成功 每年只录取大约50-90篇论文 第二阶段 光栅图形学的成熟 发展历史3 图形软件标准化 ACM成立图形标准化委员会，制定CGS（核心 图形系统) ISO发布CGI （计算机图形接口标准） 、CGM （计算机图形元文件）、GKS（计算机图形核 心系统）、PHIGS（程序员层次交互式图形系 统） 这些标准为计算机图形学的推广、应用以及资源的共享发挥了 巨大作用。 第二阶段 光栅图形学的成熟 标准图形 函数库 图形应用 发展历史3 实体造型 英国剑桥大学CAD小组的Build系统 美国罗彻斯特大学的PADL-

8、1系统 第二阶段 真实感图形学的萌芽 英国剑桥大学美国罗彻斯特大学 发展历史3 实体造型 实体模型是一个三维的网格数据，它是建立三维模型的基础。 第二阶段 真实感图形学的萌芽 发展历史3 图形渲染 1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型 1971年， Gourand提出“漫反射模型揑值”的思想，被称 为Gourand明暗处理 1975年，Phong提出了著名的简单光照模型- Phong模型 第二阶段 真实感图形学的萌芽 发展历史3 1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模型，幵 第一次给出光线跟踪算法的范例，实现Whitted模型 第二阶段 真实感图形学的萌

9、芽 观察平面 视点 （观察点） V N 反射光R 透射光T 透射光T 反射光R 透射光T 场景 发展历史3 图形标准 第三阶段 真实感图形学 1992年7月，SGI公司发布了OpenGL的1.0版本1997年，微软公司发布了DirectX的3.0版本 发展历史3 20世纪90年代出现图形处理器（英语：Graphics Processing Unit，缩写：GPU，又称显示核心、视 觉处理器、显示芯片），计算机图形学开始具有强 大的硬件计算基础。 图形工业 第三阶段 真实感图形学 GPU 1999 年，NVIDIA 发明了 GPU，这极大地推动了 PC 游戏 市场的发展，重新定义了现代计算机图形

10、技术，幵彻底改 变了幵行计算。 发展历史3 第三阶段 真实感图形学 造型 面片数的增加 发展历史3 第三阶段 真实感图形学 渲染 光线追踪算法 Pixar公司第一部加入光线追踪算法的电影赛车总动员（2006） 发展历史3 第三阶段 真实感图形学 渲染 表面细节 发展历史3 第三阶段 真实感图形学 渲染 表面细节 Bump Mapping 凹凸贴图 Normal Mapping 法线贴图 发展历史3 第三阶段 真实感图形学 渲染 表面细节 Parallax Mapping 视差贴图 Relief Mapping 浮雕贴图 发展历史3 第三阶段 真实感图形学 追求极致的真实感 发展历史3 第三阶段 真实感图形学 追求渲染的实时性 发展历史3 第三阶段 真实感图形学 硬件厂商 将光线追踪加速技术、人工智能硬件及可编程着色技术集于同 一GPU 中。 发展历史3 未来，计算机图形学的发展将越来越呈现出多元化和学科交 叉的特点。 第三阶段 真实感图形学 人工智能 虚拟现实 谢谢