计算机图形学教学资料1

1、2020/12/4,单位: 计算机学院,姓名: 杨新武,2020/12/4,计 算 机 图 形 学 Computer Graphics,2020/12/4,参考书目(reference book),计算机图形学教程，孙正兴主编，机械工业出版社，2006 计算机图形学教程，王汝传，黄海平，人民邮电出版社，2009 孙家广，胡事民，计算机图形学，清华大学出版社，2005 计算机图形学，倪明田，吴良芝，北京大学出版社，1999 计算机图形学，孙家广，杨长贵等编，清华大学出版社，1995,2020/12/4,章节安排,第一章：计算机图形学概述(ch1) 第二章：交互技术与用户接口(ch2) 第三章：基

2、本图形生成算法(ch3) 第四章：图形几何变换(ch4) 第五章：三维观察(ch5) 第六章：光照明模型基础(ch6) *曲线生成基础 (ch7),2020/12/4,本课程知识体系结构,第一部分：图形设备（ch1 & 2） 第二部分：介绍图形界面设计及接口技术（ch2） 第三部分：图形生成、显示及处理技术 光栅图形的生成（ch3） 图形处理（ch4 & 5） 光照明模型基础（ch6） 三维图形造型技术（ch7）,2020/12/4,绪言 Introduction to Computer Graphics,2020/12/4,什么是图形(Graphics),广义范畴 能够在人的视觉系统中形成视

3、觉印象的客观对象.,2020/12/4,人眼所看到的自然景物； 用摄影机、录象机等装置获得的照片、图片； 用绘图机或绘图工具绘制的工程图、设计图、方框图； 各种人工美术绘画、雕塑品； 用数学方法描述的图形（包括几何图形、代数方程或分析表达式所确定的图形）；,图形的实例,2020/12/4,构成图形的两个要素：,几何要素（刻划形状)：点、线、面 非几何要素(反映物体表面属性或材质）：颜色，灰度等,2020/12/4,几何（Geometry）信息,2020/12/4,非几何信息,光照(illumination) & 纹理(texture),2020/12/4,定义：从客观世界的物体（对象）中抽象

4、出来的，具有灰度、颜色（色彩） 和形状的图或形 。,图形的概念,2020/12/4,1）点阵法-象素图（简称图象image） 用具有灰度或色彩的点阵来表示图形。强调图形由那些点组成，并具有什么灰度或色彩。二维数字图象用矩阵Pij(i=0,1,2,m,j=0,1,2,n)表示，其中Pij 表示图象在(i,j)点的颜色值。 2) 参数法-参数图（简称图形graphics ） 用形状参数（描述图形的方程或分析表达式的系数、线段和多边形的端点坐标等）和属性参数（颜色、线型等）来表示图形。,图形的表示方法,2020/12/4,概念辨异:“图形graphics”与“图象image”,描述方法不一样：,表示

5、精度不一样：,处理方法不一样：,图象：只有非几何信息，没有几何（轮廓）信息，用点阵来描述。 图形：有几何和非几何信息，用参数法来描述。如轮廓：x2y2=r2， 颜色为红色；描述一个半径为r的红色圆。,图形处理常用各种几何变换：投影，平移，旋转等； 图象常用增强，还原等方法。,图形用参数方程描述，放大显示时精度不变； 图象用象素点阵描述，放大时象素个数不变，线度变大，图象变粗糙。,2020/12/4,什么是计算机图形学(Computer Graphics),计算机图形学：是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专用的图形设备上进行显示的原理、方法和技术的学科。 具体讲，计算机图形学是研究如何生成、

6、存储、处理、显示、输入和输出图形的学科。,ISO在其数据处理词典中给出如下定义：,2020/12/4,计算机图形学总体研究内容,第一部分：硬件部分 输入输出设备：与相应软件共同完成图形的输入输出 第二部分：接口部分 图形的输入、输出界面设计及功能实现 第三部分：软件部分 图形处理: 针对图形几何、非几何要素进行的处理,2020/12/4,计算机图形学(computer graphics),图象处理(image process),模式识别(pattern recognition),计算几何学(computing geometry),相关学科,2020/12/4,计算机图形学发展简史（1）,计算机

7、图形学是伴随着电子计算机及其外围设备发展而产生和发展起来的. 总体发展情况： 50年代：MITWhirlwind,平板和滚筒绘图仪,SAGE系统 60年代：1962,Sutherland博士学位论文(Sketchpad drawing system) 。60年代后期，一些大公司、著名实验室开展相关研究 70年代：开始进入实用阶段 80年代：软硬件技术的快速发展使图形学得到广泛应用 90年代：进入标准化、集成化、智能化研究阶段,2020/12/4,计算机图形学发展简史（2）,图形学发展的三个阶段(图形硬件的发展水平)： 50年代,准备和酝酿的时期,“被动”的图形学 60年代,蓬勃发展的时期 60

8、年代：矢量(vector)显示器（刷新能力非常有限） 60年代末期：存储管式显示器（使用金属网构造靶像） 70年代，开花结果的时期，进入这种技术的实用阶段 70年代初期：刷新式光栅(raster)扫描显示器 输入设备：二维：鼠标，跟踪球，光笔，触摸屏，操纵杆：三维：空间球，数据手套。形式多样、推陈出新，向着使人能够更自然、更方便地与计算机进行交互的方向发展,2020/12/4,计算机图形学发展简史（3）,图形软件及算法的发展 图形软件系统分类 用现有的某种计算机高级语言写成的子程序包。如OPENGL软件包。 为语言扩充出图形功能：以某种计算机高级语言为基础，扩充了处理图形的语句和数据类型，使其

9、具有图形生成和处理功能。如Turbo C 专用的图形系统 图形软件功能标准化 1974年ACM SIGGRAPH举办“与机器无关的图形技术会议” 成立了一个图形标准化委员会，开始标准的制定 ISO和ANSI批准的第一个国际图形标准是：GKS（计算机图形学核心系统） 事实上是企业标准与国际标准并存，如：OpenGL,DirectX等,2020/12/4,计算机图形软件的标准通常是指图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准,以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准。 前者称之为数据及文件格式标准(包括CGI，CGM，IGES 和STEP) 后者称为子程序界面标准(包括

10、GKS，PHIGS和GL）,计算机图形软件的标准化,2020/12/4,图形软件标准,2020/12/4,数据及文件格式标准,面向图形设备的接口标准： CGI(计算机图形接口) 提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法。可看作是图形设备驱动程序的一种标准。 CGM(计算机图形元文件) 是一套与设备无关的语义词法定义的图形文件格式。,2020/12/4,数据及文件格式标准,面向图形应用系统中的工程和产品数据模型及其文件格式的标准： IGES(基本图形转换规范) STEP(产品模型数据转换标准),2020/12/4,基本图形转换规范IGES,是实际上的工业标准。 目的：处理在不同的CAD/CAM系统

11、间进行的数据交换。 内容：定义了一套表示CAD/CAM系统中常用的几何和非几何数据格式以及相应的文件结构。 使用：由系统中的IGES前、后处理器完成IGES格式文件的输出（系统格式转换为IGES格式）、输入（IGES格式转换为系统格式）。 问题：数据不精确、不完整（不同CAD系统中概念不一样）、数据量太大等,Initial Graphics Exchange Specification,2020/12/4,产品模型数据转换标准STEP,目的： 克服IGES的问题，扩大转换CAD/CAM系统中几何、拓扑数据的范围。 提供中性产品数据的公共资源和应用模型（覆盖产品整个生命周期的应用，全面定义产品的

12、所有数据元）。,Standard for the Exchange of Product model Data,2020/12/4,子程序界面标准,面向图形应用软件的标准。供图形应用程序调用的子程序功能及格式标准。包括： GKS(图形核心系统) PHIGS(程序员层次交互式图形系统) GL(图形功能库),2020/12/4,图形核心系统GKS和GKS-3D,功能： 定义了用高级语言编写图形应用程序和图形程序包之间的功能接口。 功能接口包括交互和非交互式设备的全部图形处理功能。 应用程序使用图形资源必须通过GKS。 采用单层、平面图形数据结构，图形段不能相互嵌套。不能实现图形数据的动态修改和绘制

13、显示。,Graphical Kernel System,2020/12/4,程序员分层交互式图形系统PHIGS,功能： 为具有高度动态性、交互性的三维图形应用而设计的图形软件工具库 图形数据按层次结构组织，便于描述多层次的应用模型 支持三维图形的层次嵌套结构，任何一个图形结构经适当的几何变换后可成为更复杂对象的组成部分,Programmers Hierarchical Interactive Graphics System,2020/12/4,图形功能库GL,图形工作站上的工业标准图形程序库（UNIX操作系统） OpenGL（Windows 操作系统） 提供功能：,基本图素（直线、多边形、曲线

14、、曲面、字符等）的生成 坐标变换 设置图形属性和显示方式 输入/输出处理(启动输入，输出设备) 真实图形显示,2020/12/4,图形软件开发方案图示,接口：,标准图形包,设备驱动程序,图,形,设,备,图形系统开发策略,应,用,程,序,2020/12/4,计算机图形学的应用（1）,图形用户界面（GUI：HCI的重要方式） 直观易记的菜单、按钮等图形对象及简洁的操作方式，降低了软件的使用难度。 交互式绘图 通过交互方式绘制图形。如教师绘制数学、物理的图形；统计工作者绘制统计的直方图，饼形图来直观简明反映数据的变化趋势。 计算机辅助设计与制造（CAD：应用广泛） CAD已广泛的用于飞机如波音777

15、的设计，轮船和汽车的设计，超大规模集成电路的设计，缩短了设计周期，降低了设计成本。,2020/12/4,计算机图形学的应用（2）,科学计算可视化 建立大量的枯燥的数据和图形间的关系，并将关系以图形形式在屏幕上显示，使观察者易发现其中的各种变化规律。如根据气相卫星传回的大批数据绘出未来一段时间天气的变化趋势。 艺术 如用绘图软件（Photoshop）通过鼠标，触摸屏等输入设备在计算机上绘图：修改方便，通过系统调色版调色容易，提供剪切、拼贴、过虑等效果 。,2020/12/4,计算机图形学的应用（3）,计算机动画 利用动画制作软件在计算机制作动画：用造型工具创作出形象逼真的演员、场景；可在关键画面

16、之间自动插入中间画面。大大提高了动画制作的质量和效率。 虚拟现实（VR） 用计算机模拟三维图形空间，并使用户能自然地与该空间进行交互。常用于航空航天、医学、教育、艺术、建筑等领域。 办公自动化及电子印刷 过程模拟 辅助教学,2020/12/4,计算机图形学应用举例计算机辅助设计与制造,2020/12/4,计算机艺术,计算机艺术,2020/12/4,真实感图形,2020/12/4,2020/12/4,计算机动画,2020/12/4,2020/12/4,光照效果图,2020/12/4,纹理合成效果图,2020/12/4,真实感图形,2020/12/4,2020/12/4,2020/12/4,曲面重

17、构(surface reconstruction),2020/12/4,较为活跃的研究方向（1）,造型技术方面 造型技术：研究如何在计算机中构造出二维、三维物体的模型，并用合适的数据结构将它用一批数据及相互之间的拓扑关系表示出来。 根据是否能以欧氏几何（整数维）方法描述，形体分为：规则形体（直线段、多边形、多面体、多项式曲线等,统称几何模型）和不规则形体（山、树，云等自然景物）。,2020/12/4,较为活跃的研究方向（1）,几何造型技术：研究如何构造几何模型的理论，方法和技术。早期规则形体造型系统采用Beizier曲线，曲面表示形体，近年多用非均匀有理B样条（造型能力强）。 非规则形体造型：

18、用一些数据和一个过程来描述形体，而不是表示规则形体的数据模型。 方法：分形几何法，粒子系统，纹理映射,2020/12/4,较为活跃的研究方向（2）,分形几何法： 引入分数维，认为不规则形体的维数介于2和3之间。用一些数据和一个过程（几个线性变换、一个动力学方程或一个简单文法）描述形体。 粒子系统： 用许多简单的微小粒子的运动和生长过程构成的动态场景，表示一个不规则运动着的模糊物体（如烟、雾） 纹理映射： 表面纹理：将扫描照片得到的图象映射到形体的表面； 几何纹理：通过扰动物体表面的微观形状来产生凹凸不平的视觉效果。,2020/12/4,较为活跃的研究方向（3）,实体造型技术：把物体表示成一组特征的集合。如用底部半径和高作为形状特征表示圆柱体的形状，用材质，纹理特征反映圆柱体的非几何信息。较几何造型（表面模型）全面地反映物体信息。多用于CAD. 基于物理的造型技术：根据物体本身的物理特性及其所遵循的物理规律，自动产生物体在各种状态下的模型。如碰撞变形等. 多用于计算机动画.,2020/12/4,较为活跃的研究方向（4）,人-机交互技术方面 WIMP：以WIMP为特征，目的使人机界面易学易用易记 多通道技术： 利用视觉，听觉，触觉等多个通道进行人机交互。如语音输入，眼睛定位 交互的非精确性：提高计算机对输入信息的理解能力，即智能化。如agent，智能搜索引擎 虚拟现实