计算机图形学绪论.pptx

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1、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，掌握图形学的基本概念、方法与算法；对与图形相关的应用及当前的研究热点有一个初步认识；具有一定实践体会和相关的编程能力。第1页/共65页教材或参考书：教材孙家广：计算机图形学(第三版），清华大学出版社，2002。孙家广，胡事民：计算机图形学基础教程。清华大学出版 社，2005唐泽圣：计算机图形学基础，清华大学出版社，1998。唐荣锡、汪嘉业：计算机图形学教程。科学出版社，2002主要参考书：倪明田等，“计算机图形学”，北京大学出版社，1999。Donald Hearn,M.Pauline Baker,“Computer G

2、raphics(C Version)”,Prentice Hall,1997.常明、朱林。计算机图形学。华中科技大学出版社2001第2页/共65页第一章 绪论 1.1 计算机图形学与图象处理1.2 计算机图形学的发展历史1.3 计算机图形学的应用1.4 计算机图形学的发展动向第3页/共65页1.1 计算机图形学与图象处理图形与图象计算机图形学与图象处理的联系与区别（见图1-1）第4页/共65页图形与图象 定义：定义：计算机图形学是研究怎样用数字计算机生成、处理和显示计算机图形学是研究怎样用数字计算机生成、处理和显示图形图形的一门学科。的一门学科。第5页/共65页计算机图形学的研究内容如何在计算

3、机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法，构成了计算机图形学的主要研究内容。图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。第6页/共65页图象处理的研究内容研究如何对一幅连续图像取样、量化以产生数字图像，如何对数字图像做各种变换以方便处理，如何滤去图像中的无用噪声，如何压缩图像数据以便存储和传输，图像边缘提取，特征增强和提取。第7页/共65页计算机图形学与图象处理的联系与区别(图1-1)第8页/共65页1.2计算机图形学的发展历史历史追溯硬件发展图形显

4、示器的发展图形输入设备的发展图形软件及软件标准的发展第9页/共65页历史追溯50年代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（Whirlwind I）计算机的附件诞生了1958年，美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床发展成为平板式绘图仪50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御体系第10页/共65页60年代1962年，MIT林肯实验室的I.E.Sutherland发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文-确定了交互图形学作为一个学科分支（提出基本交互技术、图

5、元分层表示概念及数据结构)。1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier 提出Bzier曲线、曲面的理论1964年MIT的教授Steven A.Coons提出了超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。第11页/共65页70年代光栅图形学迅速发展区域填充、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，ACM SIGGRAPH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”（Core Graphics System）ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS第12页/共65页真实感图形学1970年，Bou

6、knight提出了第一个光反射模型1971年Gourand提出“漫反射模型插值”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模型实体造型技术英国剑桥大学CAD小组的Build系统美国罗彻斯特大学的PADL-1系统第13页/共65页80年代1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现Whitted模型1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法引入到计算机图形学中图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展第14页/共65页90年代：微机和软件系统的普及使

7、得图形学的应用领域日益广泛。标准化、集成化、智能化多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、虚拟现实三维造型技术第15页/共65页ACM SIGGRAPH会议小知识全称“the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”60年代中期，由Brown 大学的教授Andries van Dam(Andy)和IBM公司的Sam Matsa发起1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH 年会，并取得了巨大的成功每年只录取大约50篇论文第16页/共65页硬件发展 图形显示器的发展 图形显示器

8、是计算机图形学中关键的设备 60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）需要刷新。设备昂贵，限制普及 60年代后期：存储管式显示器 不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修改 图形功能，不适合交互式。第17页/共65页70年代初，刷新式光栅扫描显示器出现，大大地推动了交互式图形技术的发展。以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描。第18页/共65页 图形显示设备的发展：画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器）存储管式显示器刷新式光栅扫描显示器第19页/共65页图形输入设备的发展第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第二阶段：键盘第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板

9、、触摸屏等等，语音第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等第五阶段：用户的思维第20页/共65页第21页/共65页第22页/共65页发展历程诸侯割据标准讨论标准形成图形软件发展及软件标准的形成第23页/共65页图形软件发展及软件标准形成三种类型的计算机图形软件系统：(1)用某种语言写成的子程序包 如:GKS(Graphics Kernel System)PHIGS(ProgrammersHerarchical Iuteractive Graphics system)GL 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低 (2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的

10、功能 如：Turbo Pascal、Turbo C，AutoLisp等。简练、紧凑、执行速度快，但可移植性差（3）专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差。第24页/共65页1.3计算机图形学的应用计算机辅助绘图及设计事务管理中的交互式绘图科学计算可视化过程控制计算机动画及广告计算机艺术地形地貌和自然资源的图形显示办公自动化及电子出版系统第25页/共65页计算机辅助绘图及设计-CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域飞机、汽车、船舶的外形的设计发电厂、化工厂等的布局土木工程、建筑物的设计电子线路、电子器件的设计设计结果直接送至后续工艺进行加工处理，如波音777飞机的

11、设计和加工过程第26页/共65页奥迪效果图和线框图奥迪效果图和线框图第27页/共65页计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）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，恢复形体的点、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技术的发展方向第28页/共65页工程图及其三维重建结果1第29页/共65页工程图及其三维重建结果2第30页/共65页科学计算可视化科学计算可视化(Scientific Visualization)海

12、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）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing）”科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中第31页/共65页在医学领域，可视化有着广阔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研究实时的三维体绘制体内组织的识别分割Segmentation第32页/共65页计算机动

13、画及广告计算机动画娱乐多媒体第33页/共65页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、影视特技/片头、动画片教育、军事、飞行模拟等分类二维动画图象变形形状混合第34页/共65页三维动画关键帧动画变形物体的动画过程动画关节动画与人体动画第35页/共65页基于特征的图象变形（猫变虎）第36页/共65页娱乐电脑游戏实时性逼实性蕴含了先进的图形处理技术电视广告，节目片头，科教演示（CAI）Quake III，“古墓丽影”，“侏罗纪公园”、“皇帝的新衣”、完美风暴 MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGE第37页/共65页多媒体在计算机控制下，对多

14、种媒体信息进行生成、操作、表现、存储、通信、或集成的信息系统，其中媒体至少应包括一种“连续媒体”及一种“离散媒体”计算机处理的常见媒体：文本、图形、图像、语音、音频、视频、动画特点：媒体的多样性、操作的交互性、系统的集成性CAI，教学娱乐。第38页/共65页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）、以及一些专门生成动画的软件（如Alias，Softimage）第39页/共65页优点：提供多种风格的画笔画刷提供多种多样的纹理贴图，甚至能对

15、图象进行雾化，变形等操作可以任意修改，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、油画效果的艺术品第40页/共65页第41页/共65页非真实感绘制（NPR，Non-Photorealistic Rendering）用于模拟艺术效果，研究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世纪开始成为一门艺术20世纪90年代开始研究用计算机模拟中国国画与书法的生成第42页/共65页Georges Winkenb1ach绘制的壶和碗(Siggraph96)第43页/共65页Salisbury绘制的茶壶(Siggraph97)第44页/共65页Salisbury

16、绘制的熊(Siggraph97)第45页/共65页Oliver Deussen绘制的素描树(Siggraph2000)第46页/共65页野外自然景物的模拟野外场景远远复杂于室内场景，绘制难度更大，方法更趋多样化主要绘制山、水、云、树、草、火等等绘制火的粒子系统（Particle System），基于生理模型的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等第47页/共65页由清华大学自然景物平台生成的野外场景第48页/共65页日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云第49页/共65页Xfrog3.0生成的挪威云杉第50页/共65页地形地貌和自然资源的图形显示地理信息系统（GIS）第51

17、页/共65页地理信息系统（GIS）建立在地理图形之上的关于各种资源的综合信息管理系统数字地球，地形数据作为载体，（70）全球信息化.军事，政府决策，旅游，资源调查。数字地球：1998年1月31日美国副总统戈尔在洛杉机加利福尼亚科学中心召开的地理信息系统年会上提出了这一设想。第52页/共65页1.4 计算机图形学的发展动向计算机图形学是通过算法和程序在显示设备上构造出图形的一种技术。要在计算机屏幕上构造出三维物体的一幅图象，必须在计算机中构造出该物体的模型，这一模型是由一批几何数据及数据间的拓扑关系来表示的。第53页/共65页为了使二维图形具有立体感，或者尽可能逼真地显示出该物体在现实世界中所观

18、察到的形象，就需要采用适当的光照模型，尽可能准确地模拟物体在现实世界中受到各种光源照射时的效果，这些就是计算机图形学中的画面绘制技术。三维物体的造型过程、绘制过程等都需要在一个操作方便、易学易用的用户界面下工作，这就是人机交互技术。第54页/共65页造型系统的发展真实图形生成技术的发展人-机交互技术的发展计算机辅助几何设计的发展图形标准及其软件的发展第55页/共65页造型系统的发展规则形体造型 规则形体是可以用欧氏几何进行描述的形体。其造型手段可分为几何造型技术，特征造型技术，物理造型技术三种。第56页/共65页几何造型技术:构造几何模型的理论、方法 和技术称为几何造型技术特征造型技术:将特征

19、作为产品描述的基本单元，并将产品描述成特征的集合，例如，它将一个机械产品用形状特征，公差特征，技术特征三部分来表示，而形状特征的实现又往往是建立在几何造型的基础之上。物理造型技术:第57页/共65页非规则形体造型 非规则形体不能用欧氏几何进行描述的形体，如云、烟、树等。非规则形体的造型大多采用过程式模拟，即用一个简单的模型及少量的易于调节的参数来表示一大类物体，不断地改变参数，递归调用这一模型就能一步一步地产生数据量很大的物体，因而这一技术也称为数据放大技术。第58页/共65页 基于分形理论的随机插值模型、基于文法的模型以及粒子系统模型等都是应用这一技术的非规则形体造型方法。第59页/共65页

20、真实感图形生成技术的发展 计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状，光学性质，表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置，遮挡关系等等第60页/共65页光照模型简单光照模型局部光照模型整体光照模型绘制方法光线跟踪辐射度加速算法包围体树、自适应八叉树等等第61页/共65页人-机交互技术的发展用户接口用户接口是人们使用计算机的第一观感。一个友好的图形化的用户界面能够大大提高软件的易用性图形学已经全面融入计算机的方方面面，很多软件几乎可以不看任何说明书，而根据它的图形、或动画界面的指示进行操作第62页/共65页目前几个大的软件公司都在研究下一代用户界面，开发面向主流应用的、自然、高效多通道的用户界面。研究多通道语义模型、多通道整合算法及其软件结构和界面范式是当前用户界面和接口方面研究的主流方向，而图形学在其中起主导作用。第63页/共65页Virtual Reality（虚拟现实、灵境）Virtual Reality 或称虚拟环境（Virtual Environment)是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。输入输出设备第64页/共65页山东科技大学信息学院 感谢您的观看。第65页/共65页