计算机图形学第1章(2)

1、计算机图形学计算机图形学信息科学与工程学院信息科学与工程学院 主讲：程经纬主讲：程经纬 讲师讲师引引 言言IEEE 和和ACM的的“计算机学科教学计划计算机学科教学计划2001”：21世纪计算机学科：世纪计算机学科：n 算法与分析（算法与分析（AL）n体系结构（体系结构（AR）n离散结构（离散结构（DS）n计算科学（计算科学（CN）n图形学、图形学、可视化、多可视化、多媒体（媒体（GR）n网格计算（网格计算（NC）n 人机交互（人机交互（HC）n 信息管理（信息管理（IM）n 智能系统（智能系统（IS）n 操作系统（操作系统（OS）n 程序设计基础（程序设计基础（PF）n 程序设计语言（程序设

2、计语言（PL）n 软件工程软件工程(SE)v绪论绪论v用户接口及交互式技术用户接口及交互式技术v图形的表示与数据结构图形的表示与数据结构v基本图形生成算法基本图形生成算法v二维图形变换及二维观察二维图形变换及二维观察v三维图形变换及三维观察三维图形变换及三维观察v曲线与曲面曲线与曲面v真实感图形绘制真实感图形绘制课程内容课程内容掌握计算机图形学的基础理论知识掌握计算机图形学的基础理论知识；了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术；件技术； 了解图形学的基本问题，掌握图形学的基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；本概念、方法与算法； 具有

3、一定实践体会和相关的编程能力；具有一定实践体会和相关的编程能力；对图形学的一些热门研究问题有一定了解。对图形学的一些热门研究问题有一定了解。课课 程程 要要 求求教材：教材： 陆枫、何云峰编著. “计算机图形学基础”(第2版)，电子工业出版社参考资料参考资料 孙家广等编. 计算机图形学. 清华大学出版社, 2003. J. D. Foley, et al, Computer Graphics Principles and Practice, 2nd Ed. In C, 1999. 计算机图形学原理及实践C语言描述，机械工业出版社 唐荣锡等. 计算机图形学教程. 科学出版社, 2000. 课程安

4、排课程安排 总学时：总学时：3232学时学时 周学时：上课周学时：上课 4 4 （1-81-8周）周） 最后最后1 1次课次课 考试考试 考试方式：开卷笔试考试方式：开卷笔试 考核成绩：笔试考核成绩：笔试+ +作业作业+ +点名点名第一章第一章 绪绪 论论1.1 1.1 图形学相关概念及学科特点图形学相关概念及学科特点1.2 1.2 图形学发展历史图形学发展历史1.3 1.3 计算机图形系统计算机图形系统1.4 1.4 图形系统应用与发展动态图形系统应用与发展动态1.1 1.1 图形学相关概念及学科特点图形学相关概念及学科特点关于计算机图形学的不同定义：l IEEE定义：Computer gr

5、aphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer.l 德国的Wolfgang K Giloi定义:图形学由数据结构、图形算法和语言构成。l 美国的James Foley定义:计算机图形学是运用计算机产生、存储、处理物体的物理模型和它们的画面的一门学的一门学科科。计算机图形学（Computer Graphics） 计算机图形学是研究怎样利用计算机来显示、产生、存储和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。1.1.计算机图形学的概念计算机图形学的概念计算机图形学的研究对象计算机图形学

6、的研究对象图形（广义）图形（广义）对图像、图片、绘图、照片、插图等的统称。对图像、图片、绘图、照片、插图等的统称。从客观世界物体中抽象出来的带有颜色信息及形状从客观世界物体中抽象出来的带有颜色信息及形状信息的图和型。信息的图和型。构成图形的要素构成图形的要素几何要素：刻画对象的轮廓、形状等几何要素：刻画对象的轮廓、形状等非几何要素：刻画对象的颜色、材质等非几何要素：刻画对象的颜色、材质等1.1 1.1 相关概念及学科特点相关概念及学科特点2. 2. 图形的概念图形的概念点阵表示点阵表示 枚举出图形中所有的点枚举出图形中所有的点( (强调图形由点构成强调图形由点构成) ) 简称为简称为图像图像（

7、数字图像）（数字图像）参数表示参数表示 由图形的形状参数由图形的形状参数( (方程或表达式的系数，线段的方程或表达式的系数，线段的端点坐标等端点坐标等)+)+属性参数属性参数( (颜色、线型等颜色、线型等) )来表示图来表示图形形 简称为简称为图形（狭义）图形（狭义）1.1 1.1 相关概念及学科特点相关概念及学科特点3. 3. 图形的表示方法图形的表示方法 综合性综合性 图形学理论、现代数学、计算机科学、形态学、图形学理论、现代数学、计算机科学、形态学、分形混沌学、小波理论等等分形混沌学、小波理论等等 学科交叉性学科交叉性计算机图形学、计算机图形学、 数字图像处理数字图像处理、计算几何计算几

8、何、计计算机视觉及模式识别算机视觉及模式识别等。等。相关学科之间关系相关学科之间关系1.1 1.1 相关概念及学科特点相关概念及学科特点4.4.计算机图形学的学科特点计算机图形学的学科特点旨在对图像进行各种加工以改善图像的视觉效果。旨在对图像进行各种加工以改善图像的视觉效果。 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。相关学科介绍：相关学科介绍：数字图像处理数字图像处理研究几何模型和数据处理的学科。研究几何模型和数据处理的学科。讨论几何形体的计算机表示、分析和综合讨

9、论几何形体的计算机表示、分析和综合研究如何方便灵活、有效地建立几何形体的数学研究如何方便灵活、有效地建立几何形体的数学模型模型研究如何在计算机中更好地存贮和管理这些模型研究如何在计算机中更好地存贮和管理这些模型数据数据 相关学科介绍：相关学科介绍：计算几何计算几何是研究用计算机来模拟生物视觉或宏观视觉功能是研究用计算机来模拟生物视觉或宏观视觉功能的科学和技术。的科学和技术。图形学的逆过程图形学的逆过程，分析和识别输入的图像并从中，分析和识别输入的图像并从中提取二维或三维的数据模型（特征）。提取二维或三维的数据模型（特征）。手写体识别、机器视觉手写体识别、机器视觉。相关学科介绍：相关学科介绍：计

10、算机视觉及模式识别计算机视觉及模式识别相关学科关系相关学科关系数数字字图图像像数数据据模模型型计算机图形学计算机图形学（图像生成）（图像生成）（模型或特征提取）（模型或特征提取）计算机视觉、模式识别计算机视觉、模式识别计算几何计算几何（模型变换）（模型变换）（图像变换）（图像变换）图像处理图像处理几何形体的计算几何形体的计算机表示、有效地机表示、有效地建立几何形体的建立几何形体的数学模型数学模型对图像进行增强、对图像进行增强、复原、分割、重复原、分割、重建、存储、压缩、建、存储、压缩、编码编码从非图像形式的数据描从非图像形式的数据描述来生成（逼真）图像述来生成（逼真）图像图形学的逆过程，分析和

11、识别输图形学的逆过程，分析和识别输入的图像并从中提取二维或三维入的图像并从中提取二维或三维的数据模型（特征）；手写体识的数据模型（特征）；手写体识别、机器视觉别、机器视觉1.2 1.2 图形学发展历史图形学发展历史1.1.酝酿期（酝酿期（5050年代）年代）1950年，美国年，美国MIT的旋风的旋风1号号(Whirlwind I)计算机配备了阴极射线管计算机配备了阴极射线管(CRT)来显示来显示一些简单的图形。一些简单的图形。 -CRT的出现为计算机生成和显示图形的出现为计算机生成和显示图形提供了可能提供了可能50年代末期，年代末期，MIT林肯实验室，在林肯实验室，在Whirlwind上开发上

12、开发SAGE空中防御系统，通空中防御系统，通过光笔在屏幕上指点与系统交互。过光笔在屏幕上指点与系统交互。-标志着交互式图形技术的诞生标志着交互式图形技术的诞生1.2 1.2 图形学发展历史图形学发展历史2.2.萌芽期（萌芽期（6060年代）年代）v1962年年MIT林肯室验室林肯室验室Ivan.E.Sutherland的的博士论文博士论文Sketchpad：一个人机通信的图形系：一个人机通信的图形系统统中首次使用术语中首次使用术语“Computer Graphics”。 -确立了计算机图形学的学科地位确立了计算机图形学的学科地位v硬件设备的发展硬件设备的发展60年代中期年代中期随机扫描的显示器

13、，需要刷随机扫描的显示器，需要刷新新,设备昂贵，限制普及。设备昂贵，限制普及。60年代后期年代后期存储管式显示器，不需刷新存储管式显示器，不需刷新,价格较低；但不具有动态显示图形功能，不价格较低；但不具有动态显示图形功能，不适合交互。适合交互。1.2 1.2 图形学发展历史图形学发展历史3.3.发展期（发展期（7070年代）年代）v7070年代，美国洛克德飞机公司用于飞机设计的交互年代，美国洛克德飞机公司用于飞机设计的交互式图形处理系统式图形处理系统 （CADAM） 应用计算机显示技术和交互技术的时期到来应用计算机显示技术和交互技术的时期到来。v 硬件设备的发展硬件设备的发展基于电视技术的光栅

14、扫描显示器出现极大地推动了基于电视技术的光栅扫描显示器出现极大地推动了计算机图形学的发展。计算机图形学的发展。以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区存放点阵，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由视频控制器负责刷新扫描v软件的发展软件的发展 众多商品化图形软件出现，众多商品化图形软件出现，CAD成为工业设计部门成为工业设计部门不可缺少的工具和技术不可缺少的工具和技术1.2 1.2 图形学发展历史图形学发展历史4.4.普及期（普及期（8080年代）年代）v80年代，出现了带有光栅图形显示器的个年代，出现了带有光栅图形显示器的个人计算机和工作站人计算机和工作站极大地

15、促进了计算机图形学的发展。极大地促进了计算机图形学的发展。v软件发展软件发展图形软件和支持图形应用的操作系统全面图形软件和支持图形应用的操作系统全面出现，如出现，如Windows、AutoCAD、CorelDRAW、3DStudio等等1.2 1.2 图形学发展历史图形学发展历史1.2 1.2 图形学发展历史图形学发展历史5.5.提高增强期（提高增强期（9090年代）年代）v9090年代，多媒体技术、人工智能及专家系统年代，多媒体技术、人工智能及专家系统技术的结合技术的结合v科学计算的可视化、虚拟现实环境的应用提科学计算的可视化、虚拟现实环境的应用提出了更多更新的要求，使得三维乃至高维计出了更

16、多更新的要求，使得三维乃至高维计算机图形学在真实性和实时性方面有飞速发算机图形学在真实性和实时性方面有飞速发展。展。技术上：朝着标准化、集成化和智能化的方技术上：朝着标准化、集成化和智能化的方向发展向发展1.3 1.3 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形学的基本任务计算机图形学的基本任务研究如何用计算机来显示、存储和处理图形研究如何用计算机来显示、存储和处理图形具体包括以下几个方面具体包括以下几个方面：v如何用适当的硬件来实现图形处理功能如何用适当的硬件来实现图形处理功能v如何设计好的图形软件如何设计好的图形软件v图形处理所需的数学处理方法和算法图形处理所需的数学处理方法和算法v如何解决实

17、际应用中的图形处理问题如何解决实际应用中的图形处理问题1.3 1.3 计算机图形系统计算机图形系统1.1.计算机图形系统的构成计算机图形系统的构成计计算算机机图图形形系系统统计算机硬件计算机硬件图形输入输出设备计算机系统软件图形软件2.2.计算机图形系统的硬件组成计算机图形系统的硬件组成图形显示终端图形显示终端图形图形输入板输入板计算机计算机绘图仪绘图仪磁带机磁带机硬盘硬盘鼠标器鼠标器1.3 1.3 计算机图形系统计算机图形系统1.3 1.3 计算机图形系统计算机图形系统3.3.计算机图形系统的功能计算机图形系统的功能计算计算输入输入交互交互存储存储输出输出图形输出设备图形输出设备图形输入设备

18、图形输入设备显示器显示器1.3 1.3 计算机图形系统计算机图形系统3.3.计算机图形系统的功能计算机图形系统的功能计算计算输入输入交互交互存储存储输出输出图形输出设备图形输出设备图形输入设备图形输入设备显示器显示器计算：包括形体计算：包括形体设计、分析的方设计、分析的方法程序库和有关法程序库和有关描述形体的图形描述形体的图形数据库。数据库。例如：例如：l坐标的几何变换坐标的几何变换l曲线、曲面的生曲线、曲面的生成成l图形交点的计算图形交点的计算1.3 1.3 计算机图形系统计算机图形系统3.3.计算机图形系统的功能计算机图形系统的功能计算计算输入输入交互交互存储存储输出输出图形输出设备图形输

19、出设备图形输入设备图形输入设备显示器显示器存储：n在计算机的内存、外存中存放图形数据以及图形数据之间的相互关系。1.3 1.3 计算机图形系统计算机图形系统3.3.计算机图形系统的功能计算机图形系统的功能计算计算输入输入交互交互存储存储输出输出图形输出设备图形输出设备图形输入设备图形输入设备显示器显示器交互：交互：允许用户允许用户实时地、直观地实时地、直观地对系统的命令、对系统的命令、工具、程序及其工具、程序及其对话框等内容进对话框等内容进行调节和控制。行调节和控制。l操作者通过显操作者通过显示屏幕观察设计示屏幕观察设计的结果和图形并的结果和图形并加以修改。加以修改。l系统给出必要系统给出必要

20、的错误提示和跟的错误提示和跟踪。踪。1.3 1.3 计算机图形系统计算机图形系统3.3.计算机图形系统的功能计算机图形系统的功能计算计算输入输入交互交互存储存储输出输出图形输出设备图形输出设备图形输入设备图形输入设备显示器显示器输入：输入：图形数据进入计算机的过程。包括把设计过程中图形的形状、尺寸等必要的参数和命令输入到计算机中去。1.3 1.3 计算机图形系统计算机图形系统3.3.计算机图形系统的功能计算机图形系统的功能计算计算输入输入交互交互存储存储输出输出图形输出设备图形输出设备图形输入设备图形输入设备显示器显示器输出：输出：将图形特定的表示形式转换成输出设备能够接受的形式的过程。3.3.计算机图形系统结构计算机图形系统结构图形系统图形系统图形软件图形软件图形硬件图形硬件图形应用数据结构图形应用数据结构图形应用软件图形应用软件图形支撑软件图形支撑软件图形计算机平台图形计算机平台图形设备图形设备图案模型图案模型几何描述数据几何描述数据图形工具软件图形工具软件图形处理软件图形处