计算机图形学电子教案c1

1、计算机图形学计算机图形学安徽工程大学计算机与信息学院主讲：杨丹E-mail: http:/ Siggraph， Eurograph， Pacific Graphics， Computer Graphics International， Graphics Interfacen杂志: ACM Transaction on Graphics IEEE Computer Graphics and Application IEEE Visualization and Computer Graphics Graphical Models Computer Graphics Forum The Visual

2、 Computer 中国图形图象学报 第1章 绪论1.1 计算机图形学的发展简史1.2 计算机图形学的研究内容1.3 计算机图形学的应用领域1.4 计算机图形学与相关学科的关系1.1 计算机图形学发展简史n1950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。该显示器用一个类似于示波器的阴极射线管（CRT）来显示一些简单的图形。n1958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。n到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，第一次使用了

3、具有指挥和控制功能的CRT显示器，操作者可以用笔在屏幕上指出被确定的目标。n在整个50年代，计算机图形学处于准备和酝酿时期。台式绘图机滚筒绘图机五十年代麻省理工制造的超级电脑Whirlwind I阴极射线管（CRT）台式绘图机滚筒绘图机字长：16 bit速度：1 Mhz主存：4K占地：一万平方尺重量：两万磅价值：450万美元电力消耗：150kwh1.1 计算机图形学发展简史n60年代n1963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。首次使用“Computer Graphics”这个术语，证明了交互式计算机

4、图形学是一个可行的、有用的研究领域。n提出图形学的概念，成就“图形学之父”的英名n获： IEEE 计算机杰出成就奖 “图灵”奖 Coons奖1.1 计算机图形学发展简史n1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier 提出Bzier曲线、曲面的理论。n1964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。n他们成为CAGD、CAD的先驱。n图形学最高奖以Coons的名字命名。Pierre BzierSpacewars: first computer graphics game (MIT 1961)SketchPad: fir

5、st interactive graphics (1961)Whirlwind: early graphics using VectorScope (1951)first CAD system (IBM 1959)1.1 计算机图形学发展简史n70年代是计算机图形学发展过程中一个重要的历史时期。n光栅显示器的产生，图形学进入了第一个兴盛的时期，并开始出现实用的CAD图形系统。n光栅图形学迅速发展n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n图形软件标准化n1974年，ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统”（Core Graphics System）nISO发布CGI、C

6、GM、GKS、PHIGSGourandGourandPhongPhong1.1 计算机图形学发展简史n70年代，计算机图形学另外两个重要进展是真实感图形学和实体造型技术的产生。n1970年Bouknight提出了第一个光反射模型，n1971年Gourand提出“漫反射模型插值”的思想，被称为Gourand明暗处理。n1975年Phong 提出了著名的简单光照模型Phong模型。这些可以算是真实感图形学最早的开创性工作。n实体造型技术n英国剑桥大学CAD小组的Build系统n美国罗彻斯特大学的PADL-1系统1.1 计算机图形学发展简史n1980年Whitted提出了一个光透视模型Whitted

7、模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，并实现了Whitted模型。n1984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，用辐射度方法成功地模拟了理想漫反射表面间的多重漫反射效果。n光线跟踪算法和辐射度算法的提出，标志着真实感图形的显示算法已逐渐成熟。n如何生成？n建模n渲染n投影1.1 计算机图形学发展简史n80年代中期以来，超大规模集成电路的发展，为图形学的飞速发展奠定了物质基础。n图形工作站的出现，如Apollo、Sun、HP等。n计算机的运算能力的提高，图形处理速度的加快，使得图形学的各个研究方向得到充分发展。图形学已广泛应用于动画、

8、科学计算可视化、CAD/CAM、影视娱乐等各个领域。1.1 计算机图形学发展简史n90年代中期以来，PC和软件系统的普及使得图形学的应用领域日益广泛。n图形学已经同模式识别、人工智能、数据库等众多领域结合，形成一些交叉学科，如多媒体、虚拟现实等。n计算机图形学之所以能在它短短的40多年历史中获得飞速发展，其根本原因是图形为传递信息的最主要媒体之一。1.1 计算机图形学发展简史五十年代MIT 旋风一号，计算机驱动CRT，SAGE(交互式图形技术诞生)六十年代图形学之父，CAD ，随机扫描显示器光栅扫描显示器，新型的图形输入设备，图形软件标准，真实感图形学产生八十年代至九十年代初图形工作站(Apo

9、llo,Sun,Hp)，真实感图形学发展时间特 征九十年代至今PC普及，学科交叉（多媒体、VR等）七十年代至八十年代初 1.2 计算机图形学的研究内容n什么是计算机图形学？n是研究怎样利用计算机表示、生成、处理和显示图形的(原理、算法、方法和技术)一门学科。nIEEE定义：Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer. 1.2 计算机图形学的研究内容n图形与图像n图像指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息。n图形含有几何属性，更强调物体的几

10、何表示，是由物体的几何模型(几何参数)和物理属性(属性参数)共同组成的。1.2 计算机图形学的研究内容定义定义 具体内容具体内容图形的输入图形的输入研究将图形或图形数据输入到计算机中的技术和设备 键盘、鼠标、图形输入板、扫描仪等设备的研制 图形的表示图形的表示研究在计算机中用点、线、面的坐标值(几何信息)和连接关系(拓扑信息)建立几何模型的方法 线框模型、面模型、体模型等 图形的存储图形的存储按一定数据结构组织图形数据并将其存储在动态或永久性介质中 常用的数据结构有线性链表、二叉树、四叉树等图形的处理图形的处理对图形进行几何变换或投影变换以及并、交、差运算等操作 图形的显示图形的显示与输出与输

11、出将计算机内特定表示形式的图形转换成图形输出设备能够接受的表示形式，并将图形在计算机屏幕上或者打印机等输出设备上显示或绘制输出 主要研制各种显示器和打印、绘图设备，如液晶显示器、等离子显示器以及携带更方便、色彩更丰富的新一代显示器 1.3 计算机图形学的应用领域n图形用户界面n计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）n科学计算可视化n地理信息系统n计算机动画n计算机艺术n虚拟现实n逆向工程1.3.1 CAD/CAMn以计算机为主要技术手段来生成和运用各种数字信息与图形信息，以进行产品设计和制造。nCAD/CAM和计算机图形学（ Computer Graphics）是紧密联系在一起的。nCAD/C

12、AM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域n飞机、汽车、船舶的外形的设计n发电厂、化工厂等的布局n土木工程、建筑物的设计n电子线路、电子器件的设计n设计结果直接送至后续工艺进行加工处理，如波音777飞机的设计和加工过程奥迪线框图和效果图机械CAD系统所生成的零件、装配件 boeing777n科学技术的迅猛发展，数据量的与日俱增，如果能将这些数据用图形形式表示出来，便于找到变化规律，提取特征，常常会使问题迎刃而解。n科学计算可视化(Visualization in Scientific Computation )综合利用计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多门学科，将数据

13、转换成图形及图像并进行交互处理，利用人的视觉功能提高人的理解数据的能力。n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。1.3.2 科学计算可视化流场可视化声场可视化温度场可视化医学应用地学应用1.3.3 计算机艺术n利用计算机软件进行艺术创作。n可用于美术创作的软件很多，如二维平面的画笔程序(如CorelDraw，Photoshop，PaintShop)、专门的图表绘制软件(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，MaYa，SoftImage)等。艺术实例 分形图案艺术实例1.3.3 计算机艺术n影视制作n

14、游戏n动画n基于特征的图象变形（猫变虎）1.3.4 计算机艺术n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，在DOS时代，计算机的易用性很差，编写一个图形化的界面要费去大量的劳动，过去软件中有60的程序是用来处理与用户接口有关的问题和功能的。n进入80年代后，随着Xwindow标准的面世，苹果公司图形化操作系统的推出，特别是微软公司Windows操作系统的普及，标志着图形学已经全面融入计算机的方方面面。n人机交互技术通常是以WIMP为特征的图形用户界面。1.3.4 图形用户界面1.3.5真实感图形绘制与自然景物仿真n计算机中重现真实世界的场景叫做真实

15、感绘制；n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。n经典的真实感图形学n光照模型n简单光照模型、局部光照模型、整体光照模型n绘制方法n光线跟踪算法、辐射度算法n加速算法及其他n包围体树、自适应八叉树等n阴影算法、纹理合成1.3.5 真实感图形绘制与自然景物仿真1.3.5 真实感图形绘制与自然景物仿真n经典的真实感图形学n真实感图形实时绘制n物体网格模型的面片简化1.3.5 真实感图形绘制与自然景物仿真n真实感图形实时绘制n基于图象的绘制（IBR，Image Based Rending）n画中游1.

16、3.5真实感图形绘制与自然景物仿真n自然景物的模拟：山、水、云、树、草、火等1.3.5 真实感图形绘制与自然景物仿真日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云建筑、桥梁应用实例建筑1.3.5 真实感图形绘制与自然景物仿真真实感图形绘制与自然景物仿真nACM SIGGRAPH会议小知识n全称 “the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”n60年代中期，由Brown 大学的教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司的Sam Matsa发起n1974年，在Co

17、lorado大学召开了第一届SIGGRAPH 年会，并取得了巨大的成功n每年只录取大约50篇论文Georges Winkenb1ach绘制的壶和碗(Siggraph96)Salisbury绘制的茶壶(Siggraph97)Salisbury绘制的熊(Siggraph97)Oliver Deussen绘制的素描树(Siggraph2000)1.3.6 虚拟现实n简单地说，虚拟现实技术就是利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境，通过自然技能使用传感设备与之相互作用的新技术。n虚拟现实技术起源于可视化，是多媒体技术的延伸，反映了人机关系的演化过程，是一种多维信息的人机界面。它在计算机中构造出一种具有三

18、维世界效果的模拟环境(如飞机驾驶舱、操作现场等)。同时还可以通过各种传感设备，使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境进行直接交互操作，并产生与现实世界中相同的反馈信息，使人们得到与在现实世界中同样的感受。n虚拟现实是一门涉及众多学科的新技术。它集计算机、传感与测量、仿真和微电子技术于一体。在计算机技术中，又特别依赖于计算机图形学、人工智能、网络技术、人机接口技术及计算机仿真技术。而这些技术的发展带动了虚拟现实技术的进步，也推动了其在教育、医疗、娱乐、科技、工业制造、建筑和商业等领域中的广泛应用。1.3.7地理信息系统（GIS）n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n数字地球，

19、地形数据作为载体，（70）全球信息化.n军事，政府决策，旅游，资源调查。 数字地球数字地球：1998年年1月月31日美国副总统戈尔在洛杉机加利福尼亚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。科学中心召开的地理信息系统年会上提出了这一设想。比如，可以设想一个小孩来到地方博物馆的一个数字地球陈列室，比如，可以设想一个小孩来到地方博物馆的一个数字地球陈列室，当他戴上头盔显示器，她将看到就象是出现在空中的地球。使用当他戴上头盔显示器，她将看到就象是出现在空中的地球。使用“数据手套数据手套”，她开始放大景物，伴随越来越高的分辨率，她会，她开始放大景物，伴随越来越高

20、的分辨率，她会看到大洲，随之是区域、国家、城市、最后是房屋、树木以及其看到大洲，随之是区域、国家、城市、最后是房屋、树木以及其它各种自然和人造物体。在发现自己特别感兴趣的某地块时，她它各种自然和人造物体。在发现自己特别感兴趣的某地块时，她可乘上可乘上“魔毯魔毯”，即通过地面三维图象显示去深入查看。当然，即通过地面三维图象显示去深入查看。当然，地块信息只是她可以了解的多种信息中的一种。使用数字地球系地块信息只是她可以了解的多种信息中的一种。使用数字地球系统的声音识别装置，小孩还可以询问有关的土地覆盖、植物和动统的声音识别装置，小孩还可以询问有关的土地覆盖、植物和动物种类的分布、实时的气候、道路、行政区线，以及人口等方面物种类的分布、实时的气候、道路、行政区线，以及人口等方面的信息。在这里，她还可以看到自己以及世界各地的学生们为的信息。在这里，她还可以看到自己以及世界各地的学生们为“全球项目全球项目”收集的环境信息。