计算机图形学1陈永强.ppt

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1、1计算机图形学计算机图形学武汉纺织大学数学与计算机学院武汉纺织大学数学与计算机学院授课教师：陈永强授课教师：陈永强 教授教授 博士博士2教学目标教学目标o着重介着重介绍计算机算机图形学的基本内容，逐形学的基本内容，逐渐掌握掌握和熟悉和熟悉该学科涉及的基本概念和思学科涉及的基本概念和思维方式方式o尽量尽量给出出计算机算机图形学最新形学最新发展所需要的基展所需要的基础知知识 o坚持理持理论与与实践相践相结合，尽可能多地采用合，尽可能多地采用现有有的成熟知的成熟知识，提高学生的，提高学生的实践践动手能力手能力3课程特点课程特点o课程内容偏重于理程内容偏重于理论，部分算法，部分算法较抽象且不易抽象且不

2、易理解理解 o课程内容涉及面广程内容涉及面广 o基基础算法或理算法或理论是几十年来固定不是几十年来固定不变的的经典典o理理论的作用的作用隐藏于日常的藏于日常的计算机使用中，算机使用中，虽然然无无处不在，但体不在，但体现为用用户透明的状透明的状态o新算法与理新算法与理论能快速地能快速地转换为商商业应用用两个图形学商业应用的代表人物两个图形学商业应用的代表人物o史蒂夫史蒂夫保保罗乔布斯（布斯（1955.2.242011.10.5，美国苹果公司美国苹果公司联合合创办人）人）被被认为是是计算机算机业界与界与娱乐业界的界的标志性人物，志性人物，经历了苹了苹果公司几十年的起落与果公司几十年的起落与兴衰，先

3、后衰，先后领导和推出了和推出了麦金塔麦金塔计算机算机（Macintosh）、）、iMac、iPod、iPhone、iPad等等风靡全球的靡全球的电子子产品，深刻地改品，深刻地改变了了现代通代通讯、娱乐、生活方式。、生活方式。乔布斯同布斯同时也是前也是前Pixar动画公司的画公司的董事董事长及行政及行政总裁。裁。o詹姆斯詹姆斯卡梅隆（卡梅隆（1954-，加拿大，加拿大电影影导演）演）擅擅长拍拍摄动作及科幻作及科幻电影，影，执导了了电影票房史上最影票房史上最卖座的座的两部两部电影，影，“世界最世界最伟大的大的20位位导演之一演之一”。两个里程碑式的电影代表两个里程碑式的电影代表o1997年年泰坦尼

4、克号泰坦尼克号（詹姆斯（詹姆斯卡梅隆卡梅隆执导）拍拍摄成本高达成本高达2亿美元，并广泛采用了美元，并广泛采用了计算机特技，是当算机特技，是当时成本最昂成本最昂贵的的电影，但全球票房超影，但全球票房超过18亿美元，是美元，是1997年至年至2010年年间票房最高的票房最高的电影，并影，并获得第得第70届届奥斯卡金像奥斯卡金像奖最佳影片、最佳最佳影片、最佳导演演奖等等11项大大奖。泰坦尼克号泰坦尼克号在在2012年年4月月4日以日以3D版形式重新版形式重新发布，布，纪念泰坦尼克号沉船事件念泰坦尼克号沉船事件100周年。周年。详细见百度文百度文库http:/ o2009年年阿凡达阿凡达（詹姆斯（詹姆

5、斯卡梅隆卡梅隆执导）投投资5亿美元，美元，27亿美元票房，成功主要美元票房，成功主要应归功于其震撼的功于其震撼的视觉效果效果和完美的和完美的观影体影体验。炫目的外太空景色、美。炫目的外太空景色、美轮美美奂的植物、凶猛的植物、凶猛的野的野兽、悬浮在空中的山以及高空俯冲的快感等，通浮在空中的山以及高空俯冲的快感等，通过IMAX和和3D技技术完美的展完美的展现在了在了观众的面前。众的面前。60%的画面是由的画面是由计算机算机图形学的相关技形学的相关技术来完成的，包括：来完成的，包括：场景渲染景渲染技技术、动作和表情捕捉技作和表情捕捉技术以及基于虚以及基于虚拟现实的拍的拍摄技技术。详细见网网页中科院中

6、科院计算所算所http:/ 百度文百度文库http:/ 周四周四3-5节节o理理论论学学时时：32 1-10周周o实验实验学学时时：16 11-16周周9理论课内容理论课内容o绪论o计算机算机图形形设备o交互式技交互式技术o几何造型技几何造型技术o基本基本图形生成算法形生成算法*o二二维图形形变换及二及二维观察察*o三三维图形形变换及三及三维观察察*oOpenGLOpenGL图形形编程程10实验课内容实验课内容o实验1：直：直线与与圆的生成算法的生成算法o实验2：直：直线的的2D变换o实验3：三角形的：三角形的绘制与制与2D变换o实验4：长方体的方体的绘制制o实验5：球的：球的绘制制o实验6：

7、球和：球和长方体的方体的颜色色设置置11主要参考书目主要参考书目oDonald Hearn,M.Pauline Baker著著,蔡士杰等蔡士杰等译，计算算机机图形学（第三版），形学（第三版），电子工子工业出版社，出版社，2005。o孙家广，家广，计算机算机图形学基形学基础教程（第教程（第2版），清版），清华大学大学出版社，出版社，2009。o向世明，向世明，OpenGL编程与程与实例，例，电子工子工业出版社，出版社，1999。oDave Shreiner等著，等著，OpenGL编程指南（原程指南（原书第第7版），版），机械工机械工业出版社，出版社，2010。12主要参考网站主要参考网站o武武汉

8、纺织大学大学计算机算机图形学精品形学精品课程程o华中科技大学中科技大学http:/ http:/ http:/ 用用户名：名：chenyongqiang密密码：chenyongqiang14学习要求学习要求o课前前请做好做好预习，课后后请做好复做好复习o保持保持课堂安静，堂安静，头脑清醒，思清醒，思维活活跃o重重视上机上机实践，有效利用宝践，有效利用宝贵的上机的上机时间o成成绩构成构成n平平时考勤：考勤：10%n实验报告：告：30%n闭（开）卷考（开）卷考试：60%15第一章第一章 绪论绪论o计算机算机图形学的概念形学的概念o计算机算机图形学研究的形学研究的对象象o计算机算机图形学的形学的应用

9、用o计算机算机图形学的形学的研究研究动态161.1 计算机图形学的概念计算机图形学的概念o计算机算机图形学形学（CG，ComputerGraphics）是研究怎是研究怎样利用利用计算机来算机来显示、生成和示、生成和处理理图形的原理、方法和技形的原理、方法和技术的一的一门学科。学科。oComputergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.17o能能够在在人人的的视觉系系统中中形形成成视觉印印象象的的客客观对象象都称都称为图形。形。计算机图形学研究的对象计算机图形学研究的对象通常的图形通常的图

10、形几何图形、图片图像、图形实体几何图形、图片图像、图形实体方程、函数方程、函数18o图形的要素：形的要素：几何要素和非几何要素。几何要素和非几何要素。o计算机算机图形学中所研究的形学中所研究的图形形 从从客客观世世界界物物体体中中抽抽象象出出来来的的带有有颜色色及形状信息的及形状信息的图和形。和形。计算机图形学研究的对象计算机图形学研究的对象19o点点阵法法是是用用具具有有颜色色信信息息的的点点阵来来表表示示图形形的的一一种种方方法法，它它强调图形形由由哪哪些些点点组成成，并并具具有有什什么么灰度或色彩。灰度或色彩。o参参数数法法是是以以计算算机机中中所所记录图形形的的形形状状参参数数与与属属

11、性参数来表示性参数来表示图形的一种方法。形的一种方法。o通常把参数法描述的通常把参数法描述的图形叫做形叫做图形形（Graphics）o把点把点阵法描述的法描述的图形叫做形叫做图象（象（Image）图形的表示图形的表示20o计算算机机图形形学学（CG）试图从从非非图象象形形式式的的数数据据描述来生成（逼真的）描述来生成（逼真的）图象。象。o数数字字图象象处理理(Digital Image Processing)旨旨在在对图象象进行各种加工以改善行各种加工以改善图象的象的视觉效果。效果。o计算算机机视觉(Computer Vision)是是研研究究用用计算算机机来模来模拟生物外生物外显或宏或宏观视

12、觉功能的科学和技功能的科学和技术。与计算机图形学相关的学科与计算机图形学相关的学科特征数据、结构数据特征数据、结构数据图像信号图像信号计算机图计算机图形学形学计算机视觉计算机视觉数字图像处理数字图像处理图图1.1 图形图像处理各学科间的关系图形图像处理各学科间的关系22o计算机算机图形学的确立形学的确立o图形硬件的形硬件的发展展o图形形软件的件的发展展1.2 计算机图形学的发展计算机图形学的发展23o酝酿期（期（50年代）年代）1950年年，美美国国麻麻省省理理工工学学院院（MIT）的的旋旋风1号号(WhirlwindI)计算算机机配配备了了阴阴极极射射线管管(CRT)来来显示一些示一些简单的

13、的图形。形。计算机图形学的确立计算机图形学的确立24计算机图形学的确立计算机图形学的确立o萌芽期（萌芽期（60年年代）代）1962年，年，美国美国MIT林肯林肯实验室的室的Ivan.E.Sutherland发表了一篇表了一篇题为“Sketchpad：一个一个人人机通信的机通信的图形系形系统”的博士的博士论文，其中首文，其中首次使用了次使用了“ComputerGraphics”。25计算机图形学的确立计算机图形学的确立o发展期（展期（70年代）年代）n计算机算机图形形处理技理技术进入入实用化用化阶段；段；n区区域域填填充充、裁裁剪剪、消消隐等等基基本本图形形概概念念及及算法；算法；n真真实感感图

14、形学和形学和实体造型技体造型技术；26计算机图形学的确立计算机图形学的确立o普及期（普及期（80年代）年代）n出出现了了带有有光光栅图形形显示示器器的的个个人人计算算机机和和工作站。工作站。n光光线跟跟踪踪算算法法和和辐射射度度算算法法的的提提出出，标志志着着计算机真算机真实感感图形学的算法已形学的算法已经日日渐成熟。成熟。o提高增提高增强期（期（90年代）年代）标准化、集成化、智能化方向准化、集成化、智能化方向发展。展。27o图形形显示示设备n6060年代中期，随机年代中期，随机扫描的描的显示器；示器；n6060年代后期，存年代后期，存储管式管式显示器；示器；n7070年代中期，光年代中期，

15、光栅扫描的描的图形形显示器。示器。目前正向着小型化、低目前正向着小型化、低电压、数字化方向、数字化方向发展。展。图形硬件的发展图形硬件的发展o图形硬拷形硬拷贝设备 打印机打印机 绘图仪o图形形输入入设备 二二维图形形输入入设备 三三维图形形输入入设备29o图形形软件的件的发展展 开开放放式式、高高效效率率、标准准化化、集集成成化化、智智能能化、学科交叉。化、学科交叉。o图形形软件件标准准 与与设备无关、与无关、与应用无关、具有用无关、具有较高性能。高性能。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o近近二二十十年年中中，国国际标准准化化组织ISO已已经批批准准和和正正在在讨论

16、的与的与计算机算机图形有关的形有关的标准有：准有：GKS、GKS-3D、PHIGS、CGM、CGI、IGES、STEP。o事事实标准准SGI的的OpenGL，微微软的的DirectX，Adobe的的Postscript等。等。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311.3 计算机图形学的应用计算机图形学的应用p计算机辅助设计与制造计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）nCAD通通过交互式的交互式的图形形设备对部件部件进行行设计和描述，和描述，产生工程略生工程略图（线框框图）或者更接）或者更接近近实际物体的透物体的透视图等，通等，通过迅速地将各种迅速地将各种修改信息修改信

17、息进行行组合，用合，用户可以自由、灵活地可以自由、灵活地对图形形进行行实验性改性改动和形体和形体显示。示。nCAM技技术在各种工在各种工业制造制造业中得到广泛的中得到广泛的应用。用。32计算机图形学的应用计算机图形学的应用p计算机辅助绘图计算机辅助绘图n图形、图表和模型图等的绘制；图形、图表和模型图等的绘制；n商务事务领域分析财政、数学和经济等方面商务事务领域分析财政、数学和经济等方面数据。数据。33计算机图形学的应用计算机图形学的应用p计算机辅助教学计算机辅助教学 计算机图形显示与处理技术已广泛地应计算机图形显示与处理技术已广泛地应用于计算机辅助教学系统中，它可以使教学用于计算机辅助教学系统

18、中，它可以使教学过程，特别是基础学科的教学过程形象、直过程，特别是基础学科的教学过程形象、直观和生动。观和生动。34计算机图形学的应用计算机图形学的应用p办公自动化和电子出版技术办公自动化和电子出版技术n图形显示技术在办公自动化和事务处理中的图形显示技术在办公自动化和事务处理中的应用，有助于数据及其相互关系的有效表达，应用，有助于数据及其相互关系的有效表达，因而有利于人们进行正确的决策；因而有利于人们进行正确的决策；n图文并茂的电子排版系统代替了传统的铅字图文并茂的电子排版系统代替了传统的铅字排版，这是印刷史上的一次革命。排版，这是印刷史上的一次革命。35计算机图形学的应用计算机图形学的应用p

19、计算机艺术计算机艺术 计算机图形技术已广泛应用于各种图案、计算机图形技术已广泛应用于各种图案、花纹、工艺外形及传统的油画、中国国画和书花纹、工艺外形及传统的油画、中国国画和书法等艺术品的制作，为创作艺术和商品艺术提法等艺术品的制作，为创作艺术和商品艺术提供了更为广阔的空间。供了更为广阔的空间。36计算机图形学的应用计算机图形学的应用p工业控制及交通工业控制及交通n在过程控制中，用户利用计算机图形处理和在过程控制中，用户利用计算机图形处理和显示技术实现与其控制或管理对象间的相互显示技术实现与其控制或管理对象间的相互作用；作用；n用于石油化工、金属冶炼过程中的监视和控用于石油化工、金属冶炼过程中的

20、监视和控制；制；n铁路系统和公路系统的管制与监视。铁路系统和公路系统的管制与监视。37计算机图形学的应用计算机图形学的应用p医疗卫生医疗卫生n显示病历，显示各种药物的剂量、性能；显示病历，显示各种药物的剂量、性能；n对某种病的治愈率作统计分析；对某种病的治愈率作统计分析；n医学图像处理技术；医学图像处理技术；n计算机辅助手术计算机辅助手术（Computer-AidedSurgery）。38计算机图形学的应用计算机图形学的应用p图形用户界面图形用户界面（GUI,GraphicalUserInterface）典型的图形用户界面包含一个窗口管理程典型的图形用户界面包含一个窗口管理程序、菜单显示和图符

21、等。序、菜单显示和图符等。391.4计算机图形学的研究动态计算机图形学的研究动态p计算机动画：计算机动画是指用程序生成一系计算机动画：计算机动画是指用程序生成一系列的景物画面，其中当前帧画面是对前一帧画列的景物画面，其中当前帧画面是对前一帧画面的部分修改。面的部分修改。40p刚体体动画画p变形形动画画p基于物理的基于物理的动画（运画（运动动画）画）p粒子粒子动画画p关关节动画画p行行为动画画计算机动画的分类计算机动画的分类41计算机图形学的研究动态计算机图形学的研究动态p地理信息系统地理信息系统 地理信息系统地理信息系统（GIS，GeographicInformationSystem）是一种用

22、于采集、模拟、是一种用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统，是社会经济与环境保护协同持续机信息系统，是社会经济与环境保护协同持续发展中，信息集成和分析的先进工具。发展中，信息集成和分析的先进工具。42计算机图形学的研究动态计算机图形学的研究动态p人机交互人机交互 人机交互学人机交互学（Human-ComputerInterface）是一）是一门关于设计、评估和执行交互门关于设计、评估和执行交互式计算机系统以及研究由此而发生的相关现象式计算机系统以及研究由此而发生的相关现象的学科。它是伴随着计算机的出现而出现，伴的学科。它是伴随

23、着计算机的出现而出现，伴随着计算机技术发展而发展的。随着计算机技术发展而发展的。43计算机图形学的研究动态计算机图形学的研究动态p真实感图形显示真实感图形显示真实感图形的生成：真实感图形的生成：场景造型场景造型 取景变换取景变换 视域裁剪视域裁剪 消除隐藏面消除隐藏面 可见面光亮度计算可见面光亮度计算 44计算机图形学的研究动态计算机图形学的研究动态p虚拟现实虚拟现实（Virtualreality）由计算机生成的一个实时三维空间。用户由计算机生成的一个实时三维空间。用户在其间可以在其间可以“自由自由”地运动，随意观察周围的地运动，随意观察周围的景物，并可以通过一些特殊的设备与虚拟物体景物，并可

24、以通过一些特殊的设备与虚拟物体进行交互操作，使用户产生一种身临其境的感进行交互操作，使用户产生一种身临其境的感觉。觉。45p沉浸沉浸（Immersion）：全方位投入，使用）：全方位投入，使用户产生身生身临其景的感其景的感觉。p交互（交互（Interaction）：响）：响应用用户的各种的各种输入手入手势、语言命令以及身体言命令以及身体动作。作。p构想（构想（Imagination）：生）：生动形象地反映形象地反映设计者者的思想。的思想。虚拟现实技术虚拟现实技术46p能以实时的速度生成有逼真感的景物图形。能以实时的速度生成有逼真感的景物图形。p能高精度的跟踪用户的头和手。能高精度的跟踪用户的头

25、和手。p头戴显示器能产生高分辨率图象和较大的视角。头戴显示器能产生高分辨率图象和较大的视角。p能对用户的动作产生力反馈能对用户的动作产生力反馈。p实例实例（VRML，虚拟现实建模语言），虚拟现实建模语言）虚拟现实的关键技术虚拟现实的关键技术47p科学计算可视化科学计算可视化 运用计算机图形学和图像处理技术，将科运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中及计算结果的数据转换为图形及学计算过程中及计算结果的数据转换为图形及图像在屏幕上显示出来并进行交互处理的理论、图像在屏幕上显示出来并进行交互处理的理论、方法和技术。方法和技术。计算机图形学的研究动态计算机图形学的研究动态48p并行图形处理并行图形处理n多计算机的并行图形处理多计算机的并行图形处理n多图形显示子系统（显卡）实现并行计算多图形显示子系统（显卡）实现并行计算n多多GPU/VPU的并行处理的并行处理计算机图形学的研究动态计算机图形学的研究动态